大斷面隧道暗挖施工對(duì)臨近樁基位移影響分析

羊　鵬

(四川興蜀公路建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 四川成都 610041)

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大斷面隧道暗挖施工對(duì)臨近樁基位移影響分析

羊鵬

(四川興蜀公路建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 四川成都 610041)

【摘要】針對(duì)成都地區(qū)某大斷面隧道臨近既有立交橋樁基的設(shè)計(jì)和施工方案，運(yùn)用有限差分法，建立三維模型模擬施工過程。以臨近隧道的地面、隔離樁、主橋樁、匝道樁為研究對(duì)象，分析了地表沉降量與各樁基位移變化規(guī)律，進(jìn)而判斷按照所用隧道設(shè)計(jì)和施工方案施工時(shí)能否確保臨近立交橋結(jié)構(gòu)的安全。研究結(jié)果表明：地表沉降量最大值為13 mm，沉降范圍為隧道軸線兩側(cè)8 m以內(nèi)；右側(cè)6.5 m處主橋樁樁頂沉降量最大，為4.7 mm。由于各樁基位移值均在允許范圍內(nèi)，且安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，故按照該設(shè)計(jì)和施工方案施工能夠確保臨近立交橋結(jié)構(gòu)的安全。

【關(guān)鍵詞】大斷面隧道；暗挖施工；樁基；位移

近年來，隨著城市不斷擴(kuò)張，城市地下公路隧道建設(shè)越來越多，新建公路隧道與既有建筑樁基近距、隧道穿越樁基群等情況不斷出現(xiàn)。由于新建隧道施工引起圍巖應(yīng)力重分布，當(dāng)既有樁基位于該圍巖應(yīng)力重分布區(qū)域時(shí)，會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響，造成樁基失穩(wěn)破壞，進(jìn)而威脅上部結(jié)構(gòu)的安全[1-3]。因此，開展新建隧道施工對(duì)臨近既有樁基影響研究具有重要的工程實(shí)際意義[4-6]。

本文以成都地區(qū)某大斷面公路隧道穿越既有立交橋樁基的設(shè)計(jì)和施工方案為依據(jù)，建立有限元三維仿真模型進(jìn)行模擬施工，以臨近隧道的地面、隔離樁、主橋樁、匝道樁為研究對(duì)象，分析了地表沉降量與各樁基位移變化規(guī)律，從而定量判斷該方案對(duì)原有交通設(shè)施的影響程度。

1工程概況

1.1新建隧道與橋樁關(guān)系

新建隧道在立交橋下穿過，與立交橋斜交，交角約70°，實(shí)際位置關(guān)系如圖1所示。

圖1　暗挖穿越立交橋樁基群位置關(guān)系

圖1中各樁距離為實(shí)際距離在該截面上的投影長度。隧道附近依次為隔離樁、主橋樁和匝道樁。隧道埋深12 m，隧道跨度15 m。兩側(cè)為既有立交橋樁基，主橋樁基中心距離隧道右側(cè)壁2.5 m，兩側(cè)主橋樁直徑為1.8 m，樁長25 m，次遠(yuǎn)(距隧道右側(cè)壁6.5 m)處主橋樁直徑為1.5 m，樁長15 m，位于卵石地層中；匝道橋樁基中心距離隧道邊緣為7 m，樁基直徑1.5 m，樁長20 m。

1.2隔離樁施工

為減小對(duì)立交橋既有樁基的影響，保證該路段運(yùn)營安全，在立交橋下區(qū)段隧道兩側(cè)設(shè)置隔離樁保護(hù)既有立交橋樁基。隔離樁為直徑1.2 m的C30混凝土鉆孔灌注樁，樁長25 m，密排布置。隔離樁頂部設(shè)置鋼筋混凝土支撐，支撐截面尺寸60 cm×80 cm(寬×高)。

1.3支護(hù)參數(shù)

DK166+395～+435段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，鋼架采用I 25a型鋼鋼架，縱向間距0.5 m。拱部140°范圍采用φ42雙層小導(dǎo)管注漿及大管棚加固。第一層小導(dǎo)管長3.5 m，環(huán)向間距0.3 m，縱向間距0.1 m，外插角30°～35°。第二層小導(dǎo)管長2.5 m，環(huán)向間距0.3 m，縱向間距0.1 m，外插角10°～15°。拱部140°設(shè)置雙層φ159大管棚(壁厚8 mm)，大管棚環(huán)向間距0.3 m，長40 m，外插角1°，管內(nèi)插入3根φ18鋼筋，管內(nèi)壓注水泥砂漿。上半斷面掌子面設(shè)置φ25纖維錨桿，長8 m，水平間距0.8 m，梅花形布置，縱向間距6 m，錨桿內(nèi)注水泥漿。

1.4計(jì)算參數(shù)

依據(jù)工程地質(zhì)情況以及設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，確定計(jì)算參數(shù)(表1)。

1.5計(jì)算模型

(1)建立三維模型計(jì)算。隧道埋深12 m，隧道跨度15 m，兩側(cè)分別布置既有立交橋樁基，主橋樁基中心距離隧道邊緣為2.5 m，兩側(cè)主橋樁直徑為1.8 m，樁長25 m，次遠(yuǎn)處主橋樁直徑為1.5 m，樁長15 m，位于卵石地層中；匝道橋樁基中心距離隧道邊緣為7 m，樁基直徑1.5 m，樁長20 m。主橋樁頂部荷載為3 000 kN，匝道橋頂部荷載設(shè)定為500 kN。

表1　圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

(2)模型計(jì)算所取土體范圍：土層厚度(Y方向)取40 m，沿縱向(Z方向)取7 m，沿寬度方向(X方向)取80 m，模型分為26 362個(gè)單元，31 128個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中隔離樁，主橋樁，匝道橋樁，圍巖均采用實(shí)體單元。

(3)模型的邊界條件：前后左右面受水平約束，下邊界受豎向約束，上邊界(地表)為自由邊界。整體模型加自重應(yīng)力場(chǎng)g=9.8 m/s2。

計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　三維模型網(wǎng)格劃分

1.6暗挖施工工序模

見圖3：(1)施作鋼筋混凝土隔離樁，隔離樁密排布置，直徑1.2 m，隔離樁底端深入隧道仰拱下3 m；(2)開挖地表以下1 m，然后施作C30鋼筋混凝土冠梁，尺寸60 cm×80 cm；(3)第1步，開挖左導(dǎo)坑上部0～2 m；(4)第2步，開挖左導(dǎo)坑上部2～5 m，左導(dǎo)坑下部0～2 m；(5)第3步，開挖左導(dǎo)坑上部5～7 m，左導(dǎo)坑下部2～5 m，右導(dǎo)坑上部0～2 m；(6)第4步，開挖左導(dǎo)坑下部5～7 m，右導(dǎo)坑上部2～5 m，右導(dǎo)坑下部0～2 m；(7)第5步，右導(dǎo)坑上部5～7 m，右導(dǎo)坑下部2～5 m，中導(dǎo)坑上部上臺(tái)階0～2 m；(8)第6步，右導(dǎo)坑下部5～7 m，中導(dǎo)坑上部上臺(tái)階2～5 m；中導(dǎo)坑上部中臺(tái)階0～2 m；(9)第7步，中導(dǎo)坑上部上臺(tái)階5～7 m，中導(dǎo)坑上部中臺(tái)階2～5 m；中導(dǎo)坑上部下臺(tái)階0～2 m；(10)第8步，中導(dǎo)坑上部中臺(tái)階5～7 m，中導(dǎo)坑上部下臺(tái)階2～5 m；中導(dǎo)坑下部上臺(tái)階0～2 m；(11)第9步，中導(dǎo)坑上部下臺(tái)階5～7 m；中導(dǎo)坑下部上臺(tái)階2～5 m；中導(dǎo)坑下部下臺(tái)階0～2 m；(12)第10步，中導(dǎo)坑下部上臺(tái)階5～7 m；中導(dǎo)坑下部下臺(tái)階2～5 m； (13)第11步，中導(dǎo)坑下部下臺(tái)階5～7 m； (14)第12步，拆除臨時(shí)支撐0～2 m；(15)第13步，拆除臨時(shí)支撐2～5 m；(16)第14步，拆除臨時(shí)支撐5～7 m。

圖3　雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序示意

2數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1地表位移分析

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析距隧道離軸線不同距離處地表的豎向位移如圖4。

圖4　各工序地面沉降量

由圖4知：地表沉降范圍為距隧道中軸線8 m以內(nèi)，剛好位于隧道開挖范圍正上方，距隧道軸線越近地表沉降量越大。隨著開挖進(jìn)行，地表沉降量逐漸增大，隧道施工完成后，地表沉降量最大，最大值約為13 mm。

2.2樁基豎向位移分析

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析隧道兩側(cè)隔離樁、立交橋主樁及匝道樁的樁頂及樁底豎向位移如圖5。

(a) 左側(cè)隔離樁

(b) 右側(cè)隔離樁

(c) 左側(cè)主橋樁

(d) 右側(cè)主橋樁

(e) 左側(cè)匝道樁

(f) 右側(cè)6.5 m處主橋樁圖5　樁基豎向位移

由圖5知：隨著開挖進(jìn)行，各樁沉降量逐漸增大，除隔離樁有少量豎向變形外，原有立交橋樁基均無明顯豎向變形。拆除橫支撐施工時(shí)，對(duì)隔離樁的豎向位移影響較大，引起的位移量約占總位移量的20 %。各樁樁頂沉降量依次為：左側(cè)隔離樁，3.2 mm；右側(cè)隔離樁，3.0 mm；左側(cè)主橋樁，2.9 mm;右側(cè)主橋樁，3.1 mm；左側(cè)匝道樁，4.4 mm；右側(cè)6.5 m處主橋樁，4.7 mm。

2.3樁基水平位移分析

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析隧道兩側(cè)隔離樁、立交橋主樁及匝道樁的不同部分水平位移如圖6。

(a) 左側(cè)隔離樁

(b) 左側(cè)主橋樁

(c) 左側(cè)匝道樁

(d) 右側(cè)隔離樁

(e) 右側(cè)主橋樁

(f) 右側(cè)6.5 m處主橋樁圖6　樁基水平位移

由圖6知：隨著施工進(jìn)行，各樁水平位移值均呈逐漸增大的趨勢(shì)，最大水平位移發(fā)生在隧道開挖完成后。各樁最大水平位移依次為：左側(cè)隔離樁，樁頂處，右移1.7 mm；左側(cè)主橋樁，距樁頂5 m處，右移2.1 mm；左側(cè)匝道樁，距樁頂7 m處，右移2.4 mm; 右側(cè)隔離樁，樁中間，右移2.3 mm；右側(cè)主橋樁，距樁頂6 m，左移1.4 mm；右側(cè)6.5 m處主橋樁，距樁頂1 m處，右移1.8 mm。

比較左右兩側(cè)主橋樁可知：左樁上半部分右移，下半部分左移，樁體呈向隧道傾倒趨勢(shì)；右樁上半部分左移，下半部分右移，樁體也呈向隧道彎曲傾倒趨勢(shì)，這與隧道開挖后圍巖應(yīng)力重分布有關(guān)。

3結(jié)論

本文采用有限差分法，以成都地區(qū)某大斷面隧道穿越既有立交橋樁基的設(shè)計(jì)和施工方案為依據(jù)，建立三維仿真模型進(jìn)行模擬施工，分析了地表沉降量與各樁基位移變化規(guī)律及結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，由此可得出如下結(jié)論。

(1) 地表沉降范圍為隧道軸線兩側(cè)8 m以內(nèi)，距隧道軸線越近地面沉降量越大。隨著開挖進(jìn)行，地表沉降量逐漸增大，隧道施工完成后，地表沉降量最大，最大值約為13 mm。

(2) 拆除橫支撐施工時(shí)，引起的位移量約占總位移量的20 %。各樁樁頂沉降量依次為：左側(cè)隔離樁，3.2 mm；右側(cè)隔離樁，3.0 mm；左側(cè)主橋樁，2.9 mm；右側(cè)主橋樁，3.1 mm；左側(cè)匝道樁，4.4 mm；右側(cè)6.5 m處主橋樁，4.7 mm。

(3) 各樁最大水平位移依次為：左側(cè)隔離樁，樁頂處，右移1.7 mm；左側(cè)主橋樁，距樁頂5 m處，右移2.1 mm；左側(cè)匝道樁，距樁頂7 m處，右移2.4 mm；右側(cè)隔離樁，樁中間，右移2.3 mm；右側(cè)主橋樁，距樁頂6 m，左移1.4 mm；右側(cè)6.5 m處主橋樁，距樁頂1 m處，右移1.8 mm。

(4) 隔離樁反彎點(diǎn)約位于距樁頂2/5倍樁長處，主橋樁反彎點(diǎn)約位于距樁頂1/3倍樁長處。

(5) 各樁安全系數(shù)由上到下逐漸減小，且均滿足大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)2.0的要求。

由于各樁基位移值均在允許范圍內(nèi)，且安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，故按照該設(shè)計(jì)和施工方案施工能確保臨近立交橋結(jié)構(gòu)的安全。

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【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號(hào)】U455.41+1

[作者簡(jiǎn)介]羊鵬(1979～)，男，本科，工程師，主要從事公路建設(shè)管理工作。

[定稿日期]2015-10-12