基于FLAC 3D的隧道下穿對既有橋梁基礎(chǔ)變形的影響研究

摘要：文章以某市隧道下穿鐵路橋梁樁基礎(chǔ)為工程依托，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和FLAC 3D軟件數(shù)值模擬結(jié)果，研究不同埋置深度的樁基礎(chǔ)受隧道開挖的影響程度，分析得出：67#樁基礎(chǔ)埋深20.76 m，隧道開挖過程中，樁基礎(chǔ)沉降穩(wěn)定在3.5 mm，＞3 mm（預(yù)警值）；66#樁基礎(chǔ)埋深33.9 m，樁頂沉降≤3 mm；當(dāng)盾構(gòu)環(huán)數(shù)介于10～25，樁基礎(chǔ)沉降增幅較大。針對以上結(jié)論建議工程中重點關(guān)注埋深較小的樁基礎(chǔ)，調(diào)整施工時間，將樁基礎(chǔ)沉降控制在預(yù)警值以下。

關(guān)鍵詞：隧道下穿；樁基礎(chǔ)；沉降變形；FLAC 3D數(shù)值模擬

中圖分類號：U456.3

0 引言

隨著城市發(fā)展進(jìn)程的加快，新建軌道交通與既有橋梁基礎(chǔ)的相交已不可避免［1-2］。針對這一問題，國內(nèi)眾多學(xué)者展開了研究。以地鐵工程為例，地鐵工程下穿車站時常有滲水和漏水，梁孝等［3-4］依托實際工程，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)地鐵滲水主要是因為管片滲漏，并提出了長管二次注漿的技術(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果；除了滲水漏水，當(dāng)?shù)罔F開挖周圍存在橋梁樁基時，樁基礎(chǔ)會因為周圍土體缺失而發(fā)生沉降，在施工中常見的做法是加固樁基礎(chǔ)，而這一措施導(dǎo)致樁基礎(chǔ)和周圍土體剛度差異過大，變形更加明顯。許原騎等［5-7］通過模型試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁基礎(chǔ)埋深較大，隧道開挖導(dǎo)致樁基礎(chǔ)變形，此時樁基礎(chǔ)向摩擦樁轉(zhuǎn)變，通過樁身摩阻力來抵抗外界變形。本文依托某市軌道交通穿越鐵路樁基礎(chǔ)的工程，對其66#橋墩和67#橋墩下的樁基礎(chǔ)進(jìn)行研究，分析隧道盾構(gòu)開挖對不同埋深樁基礎(chǔ)變形的影響［8］。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某市軌道交通工程線路全長約41.362 km，其中高架線長5.87 km，過渡段長0.66 km，地下線長34.832 km。A站（不含）～B站（不含）區(qū)間起點位于A站，沿FQ高速公路南側(cè)往東南方向行進(jìn)，中部下穿FQ高速公路，進(jìn)入B站，上行線里程為SK1+329.571～SK3+799.407，全長2 469.836 m，寬度為5.0 m，結(jié)構(gòu)底板埋深16.00～83.00 m，埋深標(biāo)高-1.29～-19.70 m，采用盾構(gòu)法+礦山法施工［9-10］。

1.2 隧道與鐵路的相對位置

A站～B站區(qū)間（以下簡稱區(qū)間）涉鐵段設(shè)計起終點里程為上行線SK2+018.620～SK3+524.377，全長1 505.757 m；下行線XK2+018.035～XK3+525.207，全長1 507.172 m。區(qū)間設(shè)置四個工作井，分別為：新增1#豎井（SK2+042.5）、中間風(fēng)井（SK2+484.557）、新增2#豎井（SK2+791.5）、盾構(gòu)井（SK3+530）。

區(qū)間與鐵路中心里程為K880+535，距離鐵路66#承臺樁基礎(chǔ)最小距離為15.4 m，距離67#承臺樁基礎(chǔ)最小距離為14 m，交叉角度約為69°，下穿位置區(qū)間埋深28.7 m，相交段主跨60 m，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂面與鐵路臨近樁基礎(chǔ)高差分別為5.2 m和-7.94 m。

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 監(jiān)測點布置

2.1.1 沉降監(jiān)測點布置

根據(jù)《鐵路工程測量規(guī)范》第8.5.5條規(guī)定：每個墩（臺）身上應(yīng)埋設(shè)2～4個垂直位移觀測點，分設(shè)于橋墩（臺）底部高出地面或常水位0.5 m左右的位置，或設(shè)于橋墩墩帽頂面上，點位宜布置成對角形式。本文采用專用沉降反光貼進(jìn)行布設(shè)，直接布設(shè)在橋墩底部。一個橋墩布設(shè)兩個沉降監(jiān)測點，正面一個，側(cè)面一個，呈垂直布設(shè)。

2.1.2 水平位移監(jiān)測點布置

根據(jù)《鐵路工程測量規(guī)范》［11］第8.5.5條規(guī)定：水平位移觀測點宜設(shè)在橋軸線或墩中心線上。該項目采用專用小棱鏡進(jìn)行布設(shè)，直接布設(shè)在橋墩中軸線上，使用云石膠加固化劑將L形棱鏡固定在結(jié)構(gòu)物上。一個橋墩布設(shè)兩個水平位移監(jiān)測點，正面中軸線布設(shè)一個，側(cè)面中軸線布設(shè)一個，呈垂直布設(shè)。橋墩上的測點布置如下頁表1所示。

2.2 監(jiān)測頻率及預(yù)警值

2.2.1 監(jiān)測頻率及預(yù)警值

參考《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB10182-2017）［12］，對該工程影響范圍內(nèi)的沉降、水平位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測項目、頻率及報警值見表2。

2.2.2 預(yù)警等級劃分

監(jiān)測預(yù)警登記及預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 橋墩沉降監(jiān)測

本文選擇與隧道相鄰的66#和67#橋墩進(jìn)行監(jiān)測。如圖1所示，66#橋墩兩個測點前期數(shù)據(jù)波動較大，后期逐漸穩(wěn)定。工期的前30 d，橋墩側(cè)面沉降略大于橋墩正面，但施工30 d以后，橋墩正面沉降大于側(cè)面沉降。橋墩正面和側(cè)面沉降的平均值未超過預(yù)警值3 mm，最終沉降穩(wěn)定在1.1 mm左右。計算沉降日變化量并繪制曲線如圖2所示，最大為0.538 mm/d，未超過預(yù)警值。根據(jù)預(yù)警等級及標(biāo)準(zhǔn)，沉降值并未達(dá)到黃色預(yù)警。

圖3為67#橋墩沉降曲線圖，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，67#橋墩的沉降值遠(yuǎn)大于66#橋墩，主要原因是：67#橋墩樁基礎(chǔ)長20.76 m，隧道位于樁基底部8 m左右的位置，樁基下方土體缺失，對樁基承載性能影響較大；66#橋墩樁基礎(chǔ)長33.9 m，且隧道位于樁基礎(chǔ)一側(cè)，土體缺失對樁基礎(chǔ)的承載性能影響較小。由圖3可知，施工第5 d，橋墩下降速度突然增大，之后逐漸穩(wěn)定。橋墩下沉速度快主要是由于樁基下方土體缺失，樁基礎(chǔ)承載性能由兩部分構(gòu)成，一是樁側(cè)摩阻力，二是樁端阻力。樁端阻力大小取決于樁下土體，當(dāng)隧道剛開始施工，土體驟然缺失，樁基礎(chǔ)沉降較大。67#橋墩的沉降平均值從第6 d以后逐漸穩(wěn)定在3 mm左右，30 d以后穩(wěn)定在2.5 mm左右。因此在施工中要重點關(guān)注67#樁基礎(chǔ)的沉降值，當(dāng)沉降值超過預(yù)警值后，立即對隧道內(nèi)壁進(jìn)行支護(hù)，預(yù)防沉降再次增大。

3.2 橋墩水平位移監(jiān)測

圖4為67#橋墩現(xiàn)場水平位移監(jiān)測曲線圖。67#橋墩樁長相對較小，水平位移受隧道開挖明顯，開挖20 d左右，水平位移最為明顯，已超過3 mm預(yù)警值。原因是樁基礎(chǔ)左下方土體缺失，樁基左右水平土抗力不等，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)向著隧道一側(cè)傾斜，當(dāng)施工至48 d，樁基水平位移逐漸穩(wěn)定至1 mm左右，在可控范圍內(nèi)。66#樁基長度較大，幾乎無平位移。

綜合現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，隧道開挖對67#樁基礎(chǔ)影響較大，且67#樁基礎(chǔ)水平位移超過預(yù)警值。為了更有效地指導(dǎo)施工，本文根據(jù)FLAC 3D建立數(shù)值仿真模型，分析隧道開挖對相鄰樁基礎(chǔ)的變形影響。

4 數(shù)值模型的建立及結(jié)果分析

4.1 模型的建立

本文運用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件來研究盾構(gòu)隧道施工過程對橋梁樁基的影響。參考既有的計算經(jīng)驗和實際工程應(yīng)用，左右邊界取為3d（d為隧道外徑），上下邊界取為4d，最終確定的模型尺寸為71 m×36 m×43 m。建立三維數(shù)值計算模型和隧道與樁基礎(chǔ)關(guān)系如圖5和圖6所示。

4.2 不同結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

4.2.1 模型土體力學(xué)參數(shù)選取

該區(qū)間穿越上層有淤泥、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖等，整個區(qū)間隧道的覆土厚度為28.7 m。為了便于模擬，模型中土體選用Mohr-Coulomb模型，其力學(xué)參數(shù)參見表4，結(jié)合土體彈性模量和泊松比可以得到土體的體積模量、剪切模量。

4.2.2 模型樁的力學(xué)參數(shù)選取

本文選用樁結(jié)構(gòu)單元pile來模擬樁，通過設(shè)置接觸面來模擬樁土之間的接觸。由于橋梁樁基為鉆孔灌注樁，樁體的變形相對較小，可按彈性考慮。同時，根據(jù)鉆孔灌注樁直徑（1.5 m），可以確定樁橫截面面積及極慣性矩。對于接觸面而言，本文采用“移來移去法”建立接觸面單元，樁基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁土接觸面比較粗糙，接觸面上的粘結(jié)力、摩擦角取相鄰?fù)翆拥?.8倍。樁體力學(xué)參數(shù)、接觸面單元參數(shù)見表5和表6。

4.2.3 模型管片的力學(xué)參數(shù)選取

開展管片模擬支護(hù)時，將盾構(gòu)管片設(shè)置為線彈性模型，即盾體經(jīng)過時把盾殼的屬性賦予注漿體單元，采用襯砌單元加接觸面的形式對此進(jìn)行模擬。各結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表7。

4.3 盾構(gòu)推進(jìn)模擬

該工程采用的平衡盾構(gòu)機(jī)管片長度為2 m。在數(shù)值模擬過程中，每次開挖1環(huán)，即2 m。盾構(gòu)機(jī)每開挖1個步長，便將盾殼屬性賦予開挖長度。隨著盾構(gòu)機(jī)的逐步開挖，盾殼屬性逐漸賦予新開挖長度。然后，將前一步長的盾殼屬性更改為注漿體及管片屬性，并施加注漿壓力。

4.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖7為隧道盾構(gòu)施工中，樁基所在平面地表沉降與盾構(gòu)環(huán)數(shù)的關(guān)系曲線圖。由圖7可知，隧道剛開始施工時，環(huán)數(shù)較少，距離樁基礎(chǔ)較遠(yuǎn)，對樁基礎(chǔ)變形影響甚微；隨著盾構(gòu)環(huán)數(shù)增多，缺失土體離樁基礎(chǔ)越來越近，地表沉降也越大，且上行隧道和下行隧道之間的沉降最大，即兩個樁基礎(chǔ)中間的地表沉降最大；當(dāng)盾構(gòu)開挖到37環(huán)，隧道長度達(dá)74 m時，地表沉降值達(dá)到最大，為5.5 mm。

圖8為66#橋墩下方樁基礎(chǔ)、67#橋墩下方樁基礎(chǔ)以及上行隧道和下行隧道中軸線上的沉降值。從第15環(huán)開始，即隧道開挖至30 m左右，橋墩和隧道中軸線上的沉降幅度增大；第25環(huán)以后，沉降變化幅度逐漸減小，66#、67#橋墩下方樁基礎(chǔ)的沉降值分別穩(wěn)定在2.2 mm和2.9 mm，未超過預(yù)警值3 mm。

綜合以上分析，當(dāng)隧道開挖至30 m左右時，對相鄰樁基礎(chǔ)影響最大，施工中要提前做好預(yù)防措施，防止沉降不斷增大。

4.5 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比

為了驗證數(shù)值模擬的結(jié)果，將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)做對比，如圖9和圖10所示?，F(xiàn)場監(jiān)測以時間天數(shù)為橫坐標(biāo)，為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，將現(xiàn)場時間換算成隧道盾構(gòu)的環(huán)數(shù)。從圖9可以看出，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果有所差異。數(shù)值模擬是基于理想狀態(tài)下的土體結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)場的地質(zhì)情況更加復(fù)雜。綜合兩種手段的結(jié)果來看，當(dāng)盾構(gòu)環(huán)數(shù)在10～25，隧道開挖對鄰近樁基礎(chǔ)的影響較大，尤其是當(dāng)樁長較小，隧道位于樁基礎(chǔ)的下方時。施工要隨時關(guān)注鄰近橋梁的變形，并且隧道開挖時間不宜過長，將施工時間控制在合理的范圍之內(nèi)，既能保證臨近樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定，也能加快施工進(jìn)度。

5 結(jié)語

本文依托現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和FLAC 3D數(shù)值仿真模擬，分析隧道下穿對鄰近樁基礎(chǔ)的變形影響，并得到以下結(jié)論：

（1）結(jié)合現(xiàn)場資料和設(shè)計資料，分析影響樁基礎(chǔ)變形的主要因素，確定樁基礎(chǔ)變形主要是因為隧道開挖引起樁周土體缺失。

（2）對比上行隧道和下行隧道分別鄰近的66#樁基礎(chǔ)和67#樁基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)樁基礎(chǔ)埋深較大，隧道開挖對樁基礎(chǔ)變形影響較小，66#樁基礎(chǔ)埋深較大，最終沉降穩(wěn)定在2.5 mm左右，并未超過預(yù)警值。

（3）通過數(shù)值模擬，得到了不同盾構(gòu)環(huán)數(shù)下樁基礎(chǔ)的沉降值，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)做對比，驗證了埋深越大，隧道施工對樁基礎(chǔ)的影響越小。

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［12］TB 10182-2017，公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程［S］.

基金項目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“FRP增強(qiáng)ECC橋面連接板優(yōu)化設(shè)計及力學(xué)性能研究”（編號：2022KY1400）；2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“基于數(shù)字化平臺的城軌工程物化階段碳排放測算與評估”（編號：2023KY1445）

作者簡介：鄧建新（1976—），高級工程師，研究方向：工程施工技術(shù)及項目管理。