區(qū)間暗挖隧道側穿既有橋樁施工擾動分析

黃　鸝，梁小勇，李　嫻

(河北科技大學 建筑工程學院，河北 石家莊 050018)

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區(qū)間暗挖隧道側穿既有橋樁施工擾動分析

黃鸝，梁小勇，李嫻

(河北科技大學 建筑工程學院，河北 石家莊 050018)

摘要：將三維數(shù)值計算和現(xiàn)場實測相結合，對區(qū)間暗挖隧道側穿既有橋樁施工擾動進行了分析。分析結果表明：隧道開挖引起的既有樁體的位移響應表現(xiàn)出明顯的空間效應，沿樁長的沉降差值主要是由樁基兩側的側壓力差異導致的。既有樁基沿X軸方向的位移呈“S”型，最大位移值位于樁頂；以隧道軸線為界，既有樁基X軸方向的位移模式不同。既有樁基Y軸方向的位移表現(xiàn)為拋物線型，最大值位于隧道軸線位置。彎矩沿樁長變化曲線有2個反彎點，最大值位于隧道軸線位置，樁體兩側地層側壓力不均衡導致樁體產生彎矩。

關鍵詞：區(qū)間隧道；既有橋樁；施工擾動；軸力；數(shù)值計算；現(xiàn)場實測

0引言

軌道交通工程穿越城市核心區(qū)域，周邊建筑物林立，市政道路、既有橋梁密集分布。區(qū)間暗挖隧道可引發(fā)洞周一定范圍內土體位移，對擾動范圍內的既有橋梁樁基產生附加應力。當隧道開挖產生的附加應力大于既有橋梁樁基的容許應力時，將影響既有結構的正常使用，因此，保證既有結構的正常使用成為區(qū)間隧道施工的關鍵控制因素[1-3]。

國內外學者針對暗挖隧道穿越既有橋梁樁基進行了相關研究。文獻[4]采用室內模型試驗對隧道開挖引起的既有樁基變形進行了分析。文獻[5]基于北京地鐵具體工程實測數(shù)據(jù)，并結合數(shù)值分析對暗挖隧道穿越既有橋梁樁基的力學響應進行了分析，提出了主動防護的理念。但是，上述研究均局限于單線隧道，而地鐵區(qū)間隧道以雙線隧道為主。雙線隧道開挖引發(fā)洞周位移響應與單線隧道區(qū)別較大，因此，對雙線暗挖隧道側穿既有橋樁的施工擾動進行研究尤為重要。

本文選取北京地鐵7號線某區(qū)間側穿既有橋梁樁基為工程背景，采用三維數(shù)值計算和現(xiàn)場實測相結合的方法，對區(qū)間隧道開挖引發(fā)臨近既有樁基的位移場和應力場進行了分析。進而研究了不同施工階段的樁基軸力變化，并將數(shù)值計算與現(xiàn)場實測結果進行了對比分析。

1隧道側穿既有橋樁力學機理

隧道開挖產生臨空面，洞周地層產生向臨空面方向的位移。當既有樁基處于隧道開挖影響范圍內，地層位移對鄰近樁基產生擾動，如圖1所示。

隧道開挖對鄰近樁基的施工擾動具體表現(xiàn)為兩個方面：(1)負摩阻力引發(fā)既有樁基沉降和承載力下降。以隧道水平軸線為界，既有樁基表現(xiàn)為兩種受力模式：隧道水平軸線以上，當隧道開挖引發(fā)的地層位移大于既有樁基豎向位移時，樁周地層產生負摩阻力，引發(fā)既有樁基沉降和承載力下降；隧道水平軸線以下，當隧道開挖引發(fā)的地層產生向上的豎向位移，樁軸地層產生正摩阻力，有利于既有樁基的穩(wěn)定。(2)側壓力差異降低既有樁基承載力。隧道開挖引發(fā)洞周地層應力釋放，導致既有樁基靠近隧道側地層側向壓力減?。粯扼w兩側地層側壓力不均衡，導致樁體產生彎矩，從而降低既有樁基承載力。

2數(shù)值模型計算分析

2.1數(shù)值模型的建立

根據(jù)區(qū)間雙線隧道施工的工程實例，通過有限元差分程序Flac3D對既有樁基的施工擾動進行了模擬。鑒于圣維南原理，區(qū)間隧道開挖影響洞周一定范圍的地層。選取隧道水平軸線為X軸，長度為120 m；選取隧道線路方向為Y軸，長度為40 m；選取重力方向為Z軸，長度為60 m，區(qū)間隧道周邊及既有樁基兩側網格局部加密[6-9]。

既有橋梁為10跨鋼筋混凝土連續(xù)梁立交橋，區(qū)間隧道從4#和5#橋墩中間側穿，4#和5#橋墩位于隧道開挖影響范圍內，其他橋樁相對較遠。數(shù)值計算模型按照區(qū)間雙線隧道施工步序、支護參數(shù)以及與既有橋樁相對位置關系的實際工況進行建模，如圖2所示。

圖1 隧道開挖對鄰近樁基的擾動 圖2 計算模型網格劃分

數(shù)值計算模型的基本假定：

(1)數(shù)值計算模型的地層單元遵循Mohr-Coulomb屈服準則[10-12]。

(2)既有樁基承臺采用實體單元，橋樁采用樁單元，樁單元與地層的相互作用通過設置接觸單元實現(xiàn)。

(3)區(qū)間隧道采用臺階法施工，上、下臺階錯距為3～5 m。待左線隧道初支與二襯施作完成后，再開挖右側隧道，左右線的錯距不小于15 m。區(qū)間隧道位于城市主干道的下方，沿南北向鋪設，區(qū)間隧道的開挖方向為自北向南。

(4)初期支護和二襯采用線彈性單元模擬。按照抗壓剛度等效原則，將格柵拱架折算至噴射混凝土中，即

其中：Ec為折算后初期支護彈性模量；E0為噴射混凝土彈性模量；As為格柵拱架截面積；Es為格柵受力鋼筋彈性模量；Ac為噴射混凝土截面積。

(5)計算模型采用邊界位移條件，上部為自由邊界，底面約束Z方向的位移，其他部分約束X、Y方向的位移。

數(shù)值計算模型的計算參數(shù)根據(jù)區(qū)間地勘報告(詳堪)進行取值，如表1所示。

表1　地層計算參數(shù)取值

2.2既有樁基位移響應分析

區(qū)間隧道待左線隧道初支與二襯施作完成后，再開挖右側隧道，左右線的錯距不小于15 m。區(qū)間隧道開挖影響范圍內既有結構為4#、5#承臺，每個承臺下方為2根橋樁，承臺北側橋為4a樁基和5a樁基，南側為4b樁基和5b樁基。

圖3　雙線隧道開挖豎向位移云圖(單位：m)

圖3為雙線隧道開挖豎向位移云圖。右線隧道開挖引發(fā)的洞周地層位移與左線產生疊加效應，兩隧道中部豎向位移表現(xiàn)為雙峰狀。豎向位移最大值為7.551 mm，位于隧道洞周拱頂部位。

隧道開挖引起的既有樁體的位移響應表現(xiàn)出明顯的空間效應，即既有樁基不僅在重力方向(Z軸)產生沉降，在X軸和Y軸方向均產生一定的位移。提取既有樁基位移計算結果，繪制位移曲線，如圖4所示。

圖4既有樁基沉降曲線和位移曲線

圖4為既有樁基沿X軸、Y軸和Z軸方向的位移響應，由圖4可知：

(1)隧道開挖對影響范圍內的樁基產生擾動，既有樁基Z軸方向位移沿樁長呈線彈性關系。樁頂與樁底的沉降值差別不大，沿樁長的沉降值差值主要是由兩側的側壓力差異引發(fā)的樁體彎曲導致的。

(2)樁基4a和樁基4b豎向位移相對較大，最大值為5.4 mm，主要是由隧道施工步序引起的，待左側隧道初支與二襯施作完成后，再開挖右側隧道。

(3)既有樁基沿X軸方向的位移呈“S”型，最大位移值位于樁頂。隧道開挖產生臨空面，影響范圍內地層產生向臨空面的位移，故上部樁基產生向臨空面方向的水平位移。在隧道拱部地層豎向應力和側向剪切滑移的作用下，對隧道下部地層產生擠壓作用，故下部樁基產生遠離臨空面的水平位移。

(4)隧道開挖對影響范圍內的樁基產生擾動，表現(xiàn)出明顯的空間效應，Y軸方向的位移表現(xiàn)為拋物線，最大值位于隧道軸線位置。

2.3既有樁基力學響應分析

樁基的負摩阻力和樁側向壓力差異顯著影響既有結構的承載力，提取既有樁基位移計算結果繪制曲線，如圖5所示。

圖5為隧道開挖引起的既有樁基軸力和彎矩響應，由圖5可知：

(1)圖5a為隧道開挖引起的既有樁基軸力變化曲線，軸力沿樁長變化曲線為拋物線，先增大后減小，最大值位于隧道拱頂部位。左線隧道支護完成后開挖右線隧道，對既有樁基力學響應產生疊加。

(2)隧道軸線以上，開挖引發(fā)的下沉量大于既有樁基豎向位移，樁周地層產生負摩阻力，樁基的軸力逐漸增大。隧道軸線以下，開挖引發(fā)的下沉量小于既有樁基豎向位移，樁周地層產生正摩阻力，樁基的軸力逐漸減小直至近于歸零。

(3)樁基軸力變化為表征產生負摩阻力的重要指標。

(4)圖5b為隧道開挖引起的既有樁基彎矩變化曲線，彎矩沿樁長變化曲線有2個反彎點，最大值位于隧道軸線位置。

(5)隧道開挖引發(fā)洞周地層應力釋放，導致既有樁基靠近隧道側地層側向壓力減小，樁體兩側地層側壓力不均衡導致樁體彎矩。

圖5既有樁基軸力和樁基彎矩曲線

圖6　不同施工階段樁基軸力變化曲線

2.4施工過程中既有樁基軸力變化分析

樁基軸力變化為表征產生負摩阻力的重要指標。區(qū)間隧道采用臺階法施工，上、下臺階錯距為3～5 m。待左線隧道初支與二襯施作完成后，再開挖右側隧道，左右線的錯距不小于15 m。

選取4#承臺的4a樁基為研究對象，分析不同施工階段既有樁基軸力變化曲線，如圖6所示。

圖6為不同施工步序既有樁基軸力的變化，由圖6可知：

(1)隨著施工步序的推進，既有樁基的軸力逐漸增大。隧道未開挖至承臺位置到右線隧道上臺階開挖至承臺位置，軸力增幅相對較大；右線隧道上臺階開挖至承臺位置到隧道開挖完成，軸力增幅較小，逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)各施工步序樁基軸力沿樁長的變化趨勢基本一致，軸力最大值均位于隧道拱部。

(3)既有樁基上部軸力增幅較大，表現(xiàn)為樁基兩側產生負摩阻力，樁基承載力衰減顯著。既有樁基下部軸力逐漸減小，表現(xiàn)為樁基兩側產生正摩阻力，有利于樁基穩(wěn)定性。

3現(xiàn)場實測沉降數(shù)據(jù)對比

選取北京地鐵7號線某區(qū)間側穿既有橋梁樁基為工程背景，選取的地鐵區(qū)間沿朝陽區(qū)廣渠門外大街設置，區(qū)間隧道采用馬蹄形斷面，開挖寬度6.48 m，開挖高度6.62 m，線間距為15.2 m。區(qū)間隧道側穿既有橋樁如圖7所示。

既有橋梁位于東三環(huán)交通主干路上，為10跨鋼筋混凝土連續(xù)梁立交橋，區(qū)間隧道從4#與5#橋墩中間側穿，區(qū)間隧道左右兩側距既有橋樁水平凈距分別為5.432 m和4.248 m。既有結構采用柔性獨立柱式橋墩設計，既有橋梁樁基采用1.5 m×0.8 m矩形鋼筋混凝土樁，樁長約21 m，樁體采用C30混凝土。

圖7　區(qū)間隧道與既有橋樁位置關系

選取4#和5#承臺樁基布設地表沉降測點，將數(shù)據(jù)整理并與數(shù)值計算結果進行對比，如圖8和表2所示。

圖8　既有橋樁承臺地表沉降測點布置

測點編號現(xiàn)場實測/mm數(shù)值計算/mm吻合度/%DB14.584.4196.3DB24.724.4995.1DB33.353.2296.2DB43.383.3097.6

注：測點編號見圖8。

由現(xiàn)場實測與數(shù)值計算對比可以看出：

(1)承臺地表沉降實測值與數(shù)值計算結果的吻合度為95.1%～97.6%，現(xiàn)場實測與數(shù)值計算的結果基本吻合，也驗證了數(shù)值模型計算結果的合理性。

(2)既有市政橋梁產權單位給出的地表差異沉降值為10 mm，現(xiàn)場實測和數(shù)值計算的結果均滿足既有橋樁安全性要求。

4結論

(1)右線隧道開挖引發(fā)的洞周地層位移與之前左線產生疊加效應，兩隧道中部豎向位移表現(xiàn)為雙峰狀。

(2)隧道開挖引起的既有樁體的位移響應表現(xiàn)出明顯的空間效應，沿樁長的沉降值差值主要是由兩側側壓力差異引發(fā)的樁體彎曲。

(3)既有樁基沿X軸方向的位移呈“S”型，最大位移值位于樁頂，以隧道軸線為界，既有樁基X軸方向的位移模式不同。

(4)既有樁基Y軸方向的位移表現(xiàn)為拋物線型，左線隧道支護完成后開挖右線隧道，對既有樁基力學響應產生疊加。

(5)隧道開挖引發(fā)洞周地層應力釋放，導致既有樁基靠近隧道側地層側向壓力減小，樁體兩側地層側壓力不均衡導致樁體產生彎矩。

參考文獻：

[1]劉紀峰,陳福星,張會芝.雙線暗挖隧道沿線建筑物墻體開裂分析[J].河南科技大學學報(自然科學版),2015,36(3):59-64.

[2]楊超,黃茂松,劉明蘊.隧道施工對臨近樁基影響的三維數(shù)值分析[J].巖石力學與工程學報,2007,26(1):2601-2607.

[3]韋京,王芳,孫明志.PBA工法地鐵車站下穿橋梁方案優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代隧道技術,2014,51(6):101-107.

[4]LOGANATHAN N,POULOS H G.Analytical prediction for tunneling induced ground movement in clays[J].Tunneling and underground space technology,1998,124(9):846-856.

[5]周正宇.地鐵鄰近既有橋梁施工影響分析及主動防護研究[D].北京:北京交通大學,2012.

[6]方勇,何川.地鐵盾構隧道施工對近接樁基的影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術,2008,45(1):42-47.

[7]扈世民,王夢恕,張麗,等.基于變位分配法地鐵車站變形規(guī)律研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(2):266-272.

[8]Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D,fast lagrange analysis of continua in 3 dimensions,version 2.0：user’s manual[R].USA:Itasca Consulting Group Inc,1997.

[9]KUMAR P.Infinite elements for numerical analysis of underground excavations[J].Tunneling and underground space technology,2000,15(1):117-124.

[10]扈世民.大斷面黃土隧道圍巖變形特征及控制技術研究[D].北京:北京交通大學,2012.

[11]王霆,劉維寧,何海健.地鐵車站施工對鄰近管線影響的三維數(shù)值模擬[J].北京交通大學學報,2008,32(1):32-35.

[12]黃合理.地鐵隧道穿越既有車站的沉降預測及加固措施[J].現(xiàn)代隧道技術,2013,50(2):114-118.

基金項目：國家杰出青年科學基金項目(51108020);河北省教育廳科技計劃青年基金項目(QN2015062)

作者簡介：黃鸝(1971-),女,湖北黃岡人,副教授,注冊結構工程師，碩士,主要從事土木工程方面的教學和科研工作.

收稿日期：2015-09-17

文章編號：1672-6871(2016)04-0066-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.014

中圖分類號：U45

文獻標志碼：A