鉆孔灌注樁施工過程對(duì)鄰近隧洞影響數(shù)值分析

馬文琪，朱珍德

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098)

鉆孔灌注樁施工過程對(duì)鄰近隧洞影響數(shù)值分析

馬文琪1，2，朱珍德1，2

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098)

針對(duì)單排鉆孔灌注樁施工過程對(duì)鄰近隧洞的影響問題，運(yùn)用FLAC3D建立三維簡化模型，分析隧洞與樁間距S、樁長L對(duì)既有隧洞變形的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：隧洞豎向位移與S大致呈分段線性變化規(guī)律；為保證樁基施工過程中的隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，S不宜小于6 m；樁長改變了樁底與隧洞在水平位置的關(guān)系，對(duì)既有隧洞的位移影響表現(xiàn)為有峰頂?shù)碾p段線，樁底高程宜避免位于隧洞拱頂和拱底之間。

鉆孔灌注樁；鄰近隧洞；FLAC3D；豎向位移

地上大型構(gòu)筑物的天然地基滿足不了承載力要求，樁基礎(chǔ)被廣泛使用，樁基施工對(duì)鄰近隧洞擾動(dòng)過大則易導(dǎo)致安全事故，產(chǎn)生嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，有必要研究樁基施工全過程對(duì)鄰近隧洞的影響[1-3]。國外學(xué)者就樁基礎(chǔ)施工對(duì)鄰近隧道的影響較早地展開了相關(guān)研究[4-6]。國內(nèi)對(duì)于樁對(duì)隧道穩(wěn)定性影響的問題源于上海軟土地基上高層建筑的興建[7-12]。以上研究中，或?qū)痘A(chǔ)簡化為樁墻，或建立三維模型僅計(jì)算群樁施工對(duì)隧洞的影響，對(duì)于三維條件下橋梁單排樁基施工工況鮮有探究。 本文依托深圳市沙荷-鹽排高速立交(一期)跨既有引水隧洞工程，用三維快速拉格朗日分析程序FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）建立三維模型，探究單排鉆孔灌注樁施工過程中樁基礎(chǔ)與隧道凈距S與樁長L變化對(duì)隧洞穩(wěn)定的影響，并驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的合理性。

1 數(shù)值模型建立與參數(shù)分析

1.1 工程概況

沙荷-鹽排高速公路立交工程(一期)擬建線路在東江源網(wǎng)絡(luò)干線碧嶺隧洞170 m位置橫跨碧嶺隧洞，隧洞底埋深-35.6 m，道路路面高程為0 m，擬建道路路面高程與隧洞底高程垂直間距小于80 m，為避免荷載直接作用于隧洞正上方，采用新建橋梁的方式跨越該隧洞，橋梁采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑為1.5 m，樁間距為2 m。為保證隧洞在樁基施工及道路運(yùn)行期的正常使用同時(shí)降低橋梁造價(jià)，需建立合理模型進(jìn)行分析，確定樁與隧洞間距、樁長等樁基參數(shù)。

1.2 模型及計(jì)算參數(shù)分析

根據(jù)工程實(shí)際情況，利用FLAC3D軟件建立三維簡化模型，如圖1所示。模型尺寸為76 m×70 m×50 m，采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，沿隧洞走向?yàn)閥向，平行于樁長方向?yàn)閦向。隧洞中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，樁基頂部z向坐標(biāo)為35 m，隧洞左右兩側(cè)樁根數(shù)分別為10根，樁基施工區(qū)域?yàn)樗矶囱貀軸走向14～50 m處。采用控制變量法分別改變樁基與隧洞間距S、樁長L的值。隧洞及樁基參數(shù)見表1，模型地層分布及主要物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

圖1 三維整體模型圖Fig.1 Three-dimensional model diagram

表1 隧洞及樁基參數(shù)表Tab.1 Parameter list of tunnel and pile foundation

表2 各地層物理參數(shù)表Tab.2 Physical parameter list of layers

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)依據(jù)工程實(shí)際，襯砌厚度為0.35 m，采用C30混凝土材料，鉆孔灌注樁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。襯砌結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)采用各向同性彈性模型，巖土體為彈塑性材料，采用摩爾-庫倫塑性模型。樁土界面用接觸面單元模擬[13-15]，不考慮樁對(duì)土體的軟化作用。模型邊界采用底邊固定、兩側(cè)邊界水平位移約束的條件。

根據(jù)實(shí)際工況，模擬分4個(gè)階段進(jìn)行。初始地應(yīng)力平衡后用空模型模擬隧洞開挖，開挖完成后進(jìn)行隧洞襯砌，以模擬樁基礎(chǔ)施工前的場地應(yīng)力狀態(tài)；模擬鉆孔灌注樁成孔過程；模擬樁基澆筑過程，澆筑分三次完成，考慮樁基施工澆筑振搗，用FISH函數(shù)定義動(dòng)荷載，施加向下的作用力；進(jìn)行樁基加載，模擬上部結(jié)構(gòu)物的修建及運(yùn)行。

2 樁基施工對(duì)隧洞影響因素分析

2.1 樁與隧洞間距S對(duì)隧洞影響分析

保持樁基長度L=20 m與樁間距i=2 m不變，改變樁基礎(chǔ)與隧洞間距S，計(jì)算S=2、4、6、8、10、12 m時(shí)隧洞應(yīng)力與位移變化。

樁基鉆孔階段樁基周圍土體開挖，隧洞兩側(cè)巖土體卸荷，隧洞周圍約束降低，隧洞側(cè)壁產(chǎn)生向樁基方向的變形，隧洞拱頂和底部向上變形，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)變形大致呈倒U型。由于樁基長度較短，計(jì)算過程中隧洞基本保持穩(wěn)定，隧洞圍巖未發(fā)生剪切破壞。

由圖2可知，樁基施工使隧洞襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱頂和拱底承受約為0.2 MPa的豎向拉應(yīng)力，側(cè)壁承受約為0.01 MPa的水平拉應(yīng)力，可見隧洞拱頂和拱底是保證隧洞穩(wěn)定的關(guān)鍵。隧洞拱頂和拱底以豎向變形為主，y=15、19、22、30 m截面處拱頂拱底豎向位移變化曲線如圖2、圖3所示。

圖2 鉆孔階段隧洞豎向位移與S關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between vertical displacement of tunnel and S in drilling stage

圖3 澆筑階段隧洞豎向位移與S關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between vertical displacement of tunnel and S in pouring stage

由圖2可知，鉆孔階段隧洞拱頂和拱底豎向位移與S的關(guān)系曲線大致分為3個(gè)階段。S小于6 m時(shí)，隧洞豎向位移隨S減小呈線性增加，擬合斜率為-0.025，相關(guān)系數(shù)為0.92，隧洞底部變化趨勢(shì)較拱頂更明顯，原因是隧洞為馬蹄形，頂部為弧形而底部為直角邊，隧洞頂部受力優(yōu)于底部；當(dāng)S在6～8 m之間時(shí)，隧洞豎向位移曲線變化趨于平緩，說明當(dāng)S大于6 m時(shí)樁基鉆孔對(duì)隧洞的影響逐漸減小；當(dāng)S大于8 m時(shí)，隧道豎向位移隨著S的增加大致呈線性變化遞減，遞減速率較快，當(dāng)S約為10 m時(shí)，鉆孔開挖引起的拱頂和拱底隆起位移最大約為0.1 mm，對(duì)隧洞的影響可基本忽略。

由圖3可知，樁基澆筑階段，由于樁體自重和振搗沖擊作用，隧洞拱頂和拱底產(chǎn)生整體向下的位移。樁基施工對(duì)隧洞的影響最終表現(xiàn)為整體沉降，拱底沉降量高于拱頂。

隧洞拱頂和拱底豎向位移與S關(guān)系曲線變化趨勢(shì)與鉆孔階段大致相同，在S為6 m時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)；當(dāng)S小于6 m時(shí)，線性擬合斜率為0.042，當(dāng)S大于6 m時(shí)，斜率為0.034，當(dāng)S為12 m時(shí)，隧洞拱底下沉量最大為0.4 mm。

2.2 樁長L對(duì)隧洞的影響分析

保持樁基礎(chǔ)與隧洞間距S=2 m及樁間距i=2 m不變，改變樁長L，計(jì)算L=20、26、29、32、35、38、40 m時(shí)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律。

由圖2、圖3可知，隧道在y=30 m截面處位移最大，樁施工所產(chǎn)生的周圍巖土體位移從中間向兩側(cè)逐漸減小。故取y=30 m截面，拱頂、拱底豎向位移與樁長L關(guān)系曲線如圖4、圖5所示。

圖4 鉆孔階段隧洞豎向位移與L關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between vertical displacement of tunnel and L in drilling stage

圖5 澆筑階段隧洞豎向位移與L關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between vertical displacement of tunnel and L in pouring stage

由圖4、圖5可知，樁長對(duì)隧洞影響趨勢(shì)表現(xiàn)為先增大后減小。拱頂和底部豎向位移與L關(guān)系曲線可分為2個(gè)階段，分別在L=32 m (z=3)、L=39 m（z=-3）時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。樁長為32 m即樁底與隧洞拱頂在同一水平面時(shí)，拱頂在樁基施工鉆孔和澆筑階段的豎向位移最大，分別為0.8和-1.15 mm；當(dāng)樁底到達(dá)隧洞拱底位置時(shí)，拱底豎向位移達(dá)到最大值，鉆孔和澆筑階段最大位移為0.85和-1.3 mm。

樁基長度對(duì)隧洞的影響主要由樁底與隧洞相對(duì)位置決定，當(dāng)樁底高程位于隧洞拱頂和拱底之間時(shí)，樁基施工對(duì)隧洞影響最大。當(dāng)樁位于隧洞上方時(shí)，隧洞拱頂和拱底位移隨樁長增加呈線性增加，鉆孔階段和澆筑階段線性擬合斜率分別為0.02和-0.03。

3 監(jiān)測值與計(jì)算值對(duì)比分析

該工程中人工鉆孔灌注樁距離隧洞實(shí)際凈距約為5.5 m，樁長30 m，隧洞結(jié)構(gòu)施工過程中對(duì)樁基施工區(qū)域及前后10 m范圍進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測區(qū)域拱底位移實(shí)測值曲線如圖6所示。

圖6 監(jiān)測區(qū)域隧洞拱底豎向位移實(shí)測值曲線圖Fig.6 Measured value curve of vertical displacement for tunnel arch in monitoring area

由圖6可得，樁基施工區(qū)域隧洞位移最大值在中間位置，最大為-1.8 mm。數(shù)值計(jì)算探究得出的位移變形規(guī)律和隧洞施工過程中的位移變化趨勢(shì)大致相同，這說明用三維數(shù)值模擬計(jì)算的方法探究跨隧橋梁樁基施工對(duì)既有隧洞的影響規(guī)律是可行的。

實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比，計(jì)算得出的豎向位移值偏小，這主要是因?yàn)椋簬r土體是復(fù)雜不均勻的各向異性介質(zhì)，存在著很多結(jié)構(gòu)面、節(jié)理面，而在數(shù)值計(jì)算中采用的摩爾-庫倫模型沒有考慮巖土體的缺陷；樁基開挖過程中會(huì)出現(xiàn)樁周土體軟化現(xiàn)象，對(duì)隧洞約束力降低，造成隧洞實(shí)際變形值高于計(jì)算值；儀器精度較低及觀測誤差會(huì)使得監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)一定偏差。

4 結(jié)論

1）樁基施工過程中，樁孔開挖會(huì)使隧洞產(chǎn)生整體向上倒U形位移，樁基澆筑階段隧洞產(chǎn)生整體沉降；對(duì)于馬蹄形隧洞，樁基施工過程中，拱底位移變化值較大。

2）在樁基施工全過程中，樁基與隧洞間距對(duì)隧洞的影響大致呈分段線性變化，以S=6 m為界。因此，樁基與隧洞的安全距離為6 m。間距小于6 m時(shí)，隧洞位移快速增加，對(duì)隧洞穩(wěn)定造成一定影響；樁基長度的變化決定了樁與隧洞在豎向位置關(guān)系，當(dāng)樁底高程位于隧洞拱頂和拱底之間時(shí)，對(duì)隧洞影響最大，這種情況在實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免。

3）通過建立三維模型模擬計(jì)算的方法分析跨隧橋梁樁基施工對(duì)既有隧洞的影響是較為合理的；將模擬結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果結(jié)合能夠制定合理的隧洞加固方案，可以很好地用于類似工程施工。

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Numerical analysis on bored pile construction for adjacent existing tunnel

MA Wenqi1，2，ZHU Zhende1，2
(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China；2.Jiangsu Research Center for Getechnical Engineering Tecnology，Hohai University，Nanjing 210098，China)

Based on a cross-tunnel bridge construction project，the effects of two factors —the distance between tunnel and pile (S) and the length of the pile (L) on the tunnel deformation are analyzed in the FLAC3D model. The results showthat the vertical displacement of the tunnel and S are approximately piecewise linear. In order to ensure the stability of the tunnel structure during the construction of the pile foundation，S should not be less than 6m；Relative position between pile and the tunnel is determined by the length of pile，the bottom of the pile should be avoided at the arch of the tunnel.

bored pile；adjacent existing tunnel；FLAC3D；vertical deformation

TU473

A

1673-9469（2017）04-0032-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.008

2017-08-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51579081，51379065）

馬文琪(1993-)，女，山東聊城人，碩士，從事巖石力學(xué)與地下工程的研究。