地鐵區(qū)間隧道下穿鄰近高架橋樁基礎(chǔ)變形分析

羅勁

摘 要：【目的】隧道側(cè)穿或下穿高架橋的施工情況及相關(guān)研究越來(lái)越多，但是對(duì)于雙隧道下穿臨近高架橋且以粉土為主要成分地質(zhì)條件的案例研究較少。【方法】本研究以深圳地鐵7號(hào)線西麗～珠光（DK2+420～DK5+190）段盾構(gòu)區(qū)間下穿高速高架橋?yàn)楸尘?，建立三維數(shù)值計(jì)算模型對(duì)墩頂位移和離隧道最近樁節(jié)點(diǎn)位移變化進(jìn)行分析研究?！窘Y(jié)果】研究表明：墩頂橫向位移在先行隧道貫通前逐漸增大，但隨著后行隧道的開挖，樁基兩側(cè)的土體產(chǎn)生的土壓力逐漸平衡，墩頂橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近；墩頂縱向位移隨著隧道開挖逐漸增大，位移方向同盾構(gòu)掘進(jìn)方向相反；墩頂豎向位移隨著盾構(gòu)掘進(jìn)逐漸增大；雙隧道兩側(cè)橋樁橫向位移隨著隧道的開挖和墩頂力的共同作用，位移逐漸增大，左右線貫通后達(dá)到最大值，但雙隧道中間橋樁隨著右側(cè)隧道掘進(jìn)，由于兩側(cè)土體產(chǎn)生的土壓力逐漸平衡，橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近?！窘Y(jié)論】下穿鄰近高架橋的粉土地層的地鐵隧道，應(yīng)根據(jù)其工程變形規(guī)律，避免對(duì)既有工程造成影響，本研究對(duì)于同類型工程設(shè)計(jì)和研究具有一定參考。

關(guān)鍵詞：區(qū)間隧道；鄰近高架；樁基礎(chǔ)；位移

中圖分類號(hào)：U231.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）09-0079-05

Abstract： [Purposes] There are more and more studies on the construction of tunnels passing sideways or under viaducts and related to them， but there are fewer case studies on the geological conditions of double tunnels passing under adjacent viaducts and with powder soil as the main component. [Methods]In this article， a three-dimensional numerical calculation model is established to analyze and study the displacement changes of pier top and nearest pile nodes from the tunnel in the context of shield interval underpassing a high-speed viaduct in the Xili～Zhuguang （DK2+420～DK5+190） section of Shenzhen Metro Line 7. [Findings] The results show that： the transverse displacement of the top of the pier gradually increases before the first tunnel is opened， but with the excavation of the later tunnel， the earth pressure generated by the soil on both sides of the pile foundation is gradually balanced， and the transverse displacement of the top of the pier gradually decreases and approaches to the initial position; the longitudinal displacement of the top of the pier gradually increases with the excavation of the tunnel， and the displacement direction is opposite to that of the shield tunneling; the vertical displacement of the top of the pier gradually becomes larger with the shield tunneling; the transverse displacement of the bridge piles on both sides of the double tunnel The displacement gradually increases with the excavation of the tunnel and the joint action of the pier top force， and reaches the maximum value after the left and right lines are passed， but the middle bridge pile of the double tunnel gradually decreases with the right tunnel excavation due to the gradual balance of the earth pressure generated by the soil on both sides， and the lateral displacement approaches the initial position. [Conclusions] In this study， a three-dimensional numerical calculation model is established to investigate the deformation of the pile foundation of an adjacent viaduct under an underpass interval tunnel with powder soil as the main geological condition， to provide some reference value for the design and research of the same type of project.

Keywords： interval tunnel; near the viaduct; pile foundation; displacement

0 引言

為研究城市地下工程施工導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)物變形問(wèn)題，眾多學(xué)者撰文分析了隧道開挖引發(fā)地表沉降致使地上結(jié)構(gòu)物發(fā)生開裂、傾斜、沉降等現(xiàn)象，進(jìn)一步對(duì)破壞地上結(jié)構(gòu)物的正常使用和承載能力的各種情況進(jìn)行分析。

Soliman等［1］為了研究雙洞隧道的變形，對(duì)雙洞變形進(jìn)行了基于連續(xù)介質(zhì)的有限元分析，通過(guò)二維和三維的數(shù)值模擬得出單洞隧道結(jié)果的疊加可以得到雙洞的變形。Kimmance等［2］研究了jude延長(zhǎng)線某段隧道建設(shè)過(guò)程中新奧法隧道下穿和側(cè)穿既有建筑物及在既有鑄鐵管片隧道的施工。通過(guò)分析量測(cè)數(shù)據(jù)表明，對(duì)計(jì)算地表沉降采用的深度添加系數(shù)進(jìn)行修正后可以用公式估算上部已有隧道的變形沉降。通過(guò)采用有限元法和解析解法可以估算出側(cè)面基坑開挖導(dǎo)致既有隧道的沉降變形。王如路等［3］針對(duì)上海地鐵盾構(gòu)隧道研究了超載作用下軟土盾構(gòu)隧道的橫向變形機(jī)理，并認(rèn)為隧道橫向變形發(fā)展過(guò)程中，其直徑變化量與隧道接頭張開量、螺栓應(yīng)力和混凝土應(yīng)力之間的關(guān)系存在歸一化關(guān)系。Cooper等［4］通過(guò)采集三條直徑為9 m的隧道對(duì)下穿既有隧道工程產(chǎn)生影響的變形數(shù)據(jù)，將精密水準(zhǔn)儀和電子水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在被穿越隧道內(nèi)部，并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間且廣泛的監(jiān)測(cè)，繪制出新建隧道后的沉降曲線，分析了地層沉降過(guò)程和變化范圍，得出沉降槽因既有隧道的存在影響了形狀和寬度。Krishan等［5-6］通過(guò)研究新加坡北線樞紐換乘站在既有軌道交通隧道側(cè)下方施工的數(shù)據(jù)采集過(guò)程，提出為滿足控制軌道線形平順和開挖過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)的整體性要求，檢測(cè)儀器必須能夠描述和檢驗(yàn)深基坑開挖對(duì)既有隧道附加影響的極限狀態(tài)，以此獲得的數(shù)據(jù)才具有研究性。李松等［7］以廣州地鐵六號(hào)線下穿北二環(huán)高速公路高架橋樁基工程為對(duì)象進(jìn)行建模分析，總結(jié)出盾構(gòu)施工推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)推力是影響樁基位移的重要因素，影響結(jié)果是兩側(cè)樁基水平位移在隧道范圍內(nèi)呈明顯“凹槽”，發(fā)生的沉降位移較小。劉厚全等［8］通過(guò)建立有限元模型分析近距穿越群樁基礎(chǔ)，總結(jié)出樁基礎(chǔ)剪力與彎矩會(huì)隨著盾構(gòu)掘進(jìn)距離的增加而增大，且在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中樁基礎(chǔ)周圍會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)摩阻力。呂懷昌等［9］結(jié)合明挖隧道與盾構(gòu)隧道先后下穿橋梁工程的案例，分析了該情況施工時(shí)鐵路橋墩、橋樁位移的變化規(guī)律，以及為減小變形采用隔離樁的控制效果。

既有文獻(xiàn)資料對(duì)地鐵側(cè)穿、下穿建筑物的施工情況開展了不少研究，但是盾構(gòu)區(qū)間隧道邊緣距離樁基最近處為2.05 m，且地質(zhì)條件具有以粉土、粉細(xì)砂、圓礫等為主的較低承載力為特點(diǎn)的研究案例較少。本研究以深圳地鐵7號(hào)線為工程依托，研究雙線隧道先后施工下穿高架橋樁基礎(chǔ)情況下墩頂和臨樁節(jié)點(diǎn)位移發(fā)展和離隧道最近樁節(jié)點(diǎn)位移變化規(guī)律。

1 工程概況

深圳地鐵7號(hào)線橫貫東西方向，跨越大半個(gè)市區(qū)，地下空間包含有28個(gè)車站和27個(gè)施工地段，在27個(gè)施工地段中，有21個(gè)地段需要進(jìn)行開展盾構(gòu)施工，其余的采取明挖施工。整條線路穿越多種地面建（構(gòu)）筑物以及河流，大風(fēng)險(xiǎn)源多、工程開展規(guī)模受限、地質(zhì)情況復(fù)雜等因素都造成施工相比于其他地鐵修建難度大。

西麗～珠光（DK2+420～DK5+190）段，從珠文光站到珠光站，地鐵線下穿龍珠大道珠光大道橋。珠光大道橋左右兩幅橋，跨徑布置：22 m+40 m+22 m。橋墩采用倒八字型橋墩，橋臺(tái)采用一字型，樁基礎(chǔ)采用2.5 m的直徑、樁長(zhǎng)64 m的摩擦樁。

本研究選取的地鐵7號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間段，隧道軸線距離珠光大道橋1號(hào)墩樁基中心最近處為7.364 m，隧道邊緣距離樁基最近處為2.05 m。1號(hào)橋墩處斷面如圖1所示。

2 計(jì)算模型

本研究使用有限元軟件建立三維整體計(jì)算模型對(duì)施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬，分6個(gè)施工階段32步進(jìn)行開挖模擬施工，單元體采用四頂點(diǎn)的等四面體結(jié)構(gòu)。模型建立的邊界尺寸為40 m×80 m×70 m（分別為隧道開挖方向、橫斷面方向和土層厚度）。

根據(jù)地質(zhì)資料考慮不同土體分層條件和重度，結(jié)合橋墩初始應(yīng)力場(chǎng)的影響進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)的模擬。采用“莫爾-庫(kù)倫（M‐C）”土體彈塑性模型，具體材料參數(shù)見表1，考慮土體和樁結(jié)構(gòu)之間的相互作用建立摩擦界面單元，通過(guò)軟件中的樁單元可以與土體自動(dòng)耦合，能較好地模擬土體與和樁之間相互作用［10］。

整個(gè)數(shù)值模擬模型以地表為建模自由面，分析與樁基礎(chǔ)相接觸的土體條件時(shí)，底面約束Z方向的位移變化量，側(cè)面分別約束橫向和縱向的位移變化，Z方向的轉(zhuǎn)角變化受到橋梁樁基的約束控制，構(gòu)成一個(gè)邊界條件完整模型。隧道與橋樁的位置關(guān)系如圖2所示。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

隧道施工共分為32步，左線貫通16步，右線貫通16步。根據(jù)關(guān)于六個(gè)橋墩的模擬分析，對(duì)1到4號(hào)墩頂位移變化過(guò)程和1到6號(hào)離隧道最近樁節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，墩頂各方向位移隨著隧道開挖變化曲線如圖3～5所示。從圖中可以直觀

地看出墩頂和臨近樁節(jié)點(diǎn)的橫向位移、縱向位移和豎向位移的變化過(guò)程。

3.1 墩頂位移變化

以四個(gè)橋墩頂部為監(jiān)測(cè)對(duì)象采集模型數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析墩頂橫向位移、縱向位移和豎向位移隨著隧道開挖的變化過(guò)程，通過(guò)數(shù)據(jù)繪制的圖3至圖5可以看出墩頂位移在左線先行隧道開挖結(jié)束到右線后行隧道開挖之間有明顯的變化。

結(jié)果分析如下。①墩頂橫向位移在左線隧道貫通前，在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，位移逐漸增大，達(dá)到最大值分別為2.72 mm、2.59 mm、1.91 mm、2.15 mm。隨著右線隧道的開挖，樁基兩側(cè)土體產(chǎn)生的土壓力逐漸平衡，墩頂橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近。右線貫通后，位移值分別為1.0 mm、0.9 mm、0.51 mm、0.50 mm。②墩頂縱向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，縱向位移逐漸增大（與盾構(gòu)掘進(jìn)方向相反），最大值分別為-2.12 mm、-2.13 mm、-2.17 mm、-2.17mm。③墩頂豎向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，豎向位移逐漸增大，最大值分別為2.27 mm、2.18 mm、2.85 mm、2.97 mm。

3.2 離隧道最近樁節(jié)點(diǎn)位移變化

一般單線隧道施工擾動(dòng)影響范圍為6倍隧道直徑區(qū)域［11］，而雙線隧道影響范圍更廣。本研究取距離隧道最近的6條樁為對(duì)象建立模型，根據(jù)模型采集的數(shù)據(jù)如圖6至8所示，可以清晰地看到離隧道最近樁節(jié)點(diǎn)橫向位移、縱向位移和豎向位移的變化過(guò)程。

現(xiàn)將結(jié)果分析如下。①隧道兩側(cè)的樁1、樁 2、樁5及樁6橫向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，位移逐漸增大，左右線貫通后達(dá)到最大值分別為4.06 mm、 4.45 mm、4.50 mm、4.90 mm。但是

隨著右線隧道的開挖，開挖面超越位于隧道中間的樁3和樁4后，樁基兩側(cè)土體產(chǎn)生的土壓力逐漸平衡，樁3和樁4橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近，最大值為4.74 mm、4.27 mm，右線貫通后位移值分別為1.63 mm、1.58 mm。②離隧道最近樁節(jié)點(diǎn)縱向位移在隧道開挖和墩頂力的共同作用下逐漸增大，位移最大值分別為0.53 mm、0.79 mm、0.66 mm、1.26 mm、0.52mm、0.85 mm。③離隧道最近樁節(jié)點(diǎn)豎向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下逐漸增大，位移最大值分別為3.69 mm、3.17 mm、2.79 mm、2.26 mm、 2.3 9mm、1.90 mm。④從模擬結(jié)果可以看出，隨著隧道的開挖，由于土體壓力，位于隧道開挖面以下樁橫向和縱向出現(xiàn)反彎點(diǎn)。

4 結(jié)論

①墩頂橫向位移在左線隧道貫通前，在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，位移逐漸增大，但是隨著右線隧道的開挖，樁基兩側(cè)土體產(chǎn)生的土壓力逐漸平衡，墩頂橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近。

②墩頂縱向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，縱向位移逐漸增大，與盾構(gòu)掘進(jìn)方向相反；豎向位移逐漸增大，與盾構(gòu)掘進(jìn)方向相同。

③雙隧道兩側(cè)橋樁橫向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下，位移逐漸增大，左右線貫通后達(dá)到最大值。但雙隧道中間橋樁隨著右側(cè)隧道掘進(jìn)，由于兩側(cè)土體產(chǎn)生的土壓力逐漸平衡，橫向位移逐漸減小，向初始位置靠近。

④離隧道最近樁節(jié)點(diǎn)縱向位移和豎向位移在隧道的開挖和墩頂力的共同作用下逐漸增大。在隧道的施工中，后行隧道的開挖由于土壓力的逐漸平衡會(huì)產(chǎn)生明顯的反彎點(diǎn)。

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