跨線橋樁基施工對既有高鐵隧道的影響研究

文/沈杰 柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西柳州 545616

樁基施工將擾動樁周土體，使土體發(fā)生位移和應(yīng)力的變化，這種變化會進(jìn)一步影響相鄰的隧道，使得樁-土-隧之間相互影響。而不同的成樁方法對周圍土層的擾動和排擠程度不同，將直接影響臨近隧道的受力和變形情況。若采用擠土樁，在成樁過程中將造成大量擠土，引起地面隆起和土體側(cè)移，使樁周土體受到嚴(yán)重的擾動，土的工程性質(zhì)有很大的改變。若采用部分?jǐn)D土樁，引起部分?jǐn)D土效應(yīng)，樁周土體也將受到一定程度的擾動。若采用非擠土樁，由于成樁過程是挖孔將等體積土體排出，對周圍土體影響最少，但也要考慮土體排出、地下水流失對樁周土體的影響。

1、樁基礎(chǔ)施工對既有高鐵隧道影響的數(shù)值模擬分析

1.1 ANSYS建模

本文采用ANSYS14.0建立數(shù)值分析模型，ANSYS軟件大型的通用的有限元分析軟件。軟件主要包括三部分，前處理，分析計算和后處理。其中前處理模塊提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，與FLAC3D需要用戶自行編寫模型程序相比，ANSYS為用戶提供了便于鼠標(biāo)鍵盤操作的窗口，用戶可以利用實(shí)體建模技術(shù)，由點(diǎn)-線-面-體的方法建立三維幾何模型。在建立隧道襯砌，樁等模型方面簡單、高效且不易出錯。在ABAQUS、ANSYS、FLAC3D等幾個常用數(shù)值分析軟件中，ANSYS的前處理功能最強(qiáng)大，便捷。故本文采用ANSYS建立實(shí)體模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而后轉(zhuǎn)化為FLAC3D可以讀入的文件格式（＊.flac3d）。

實(shí)際工程中，由于巖土體是非連續(xù)介質(zhì)，本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，初始應(yīng)力場難以測定以及邊界條件復(fù)雜，因此在數(shù)值計算中要因地制宜、抓主要矛盾、宜粗不宜細(xì)、易簡不易繁。故對模型進(jìn)行如下簡化：（1）由于樁基礎(chǔ)施工前，隧道早已完工，可以認(rèn)為地應(yīng)力已經(jīng)重新分布完畢。因此建模時不考慮隧道的開挖。（2）由地勘報告知地層中地下水較少，故計算時不考慮地下水作用。（3）樁基開挖前須土方開挖60×26×3m3，由于在建模時未考慮土體開挖，所以在計算中采樣等效作用力替代考慮。具體做法為：在土方開挖區(qū)先施加豎直向下的與開挖土體自重等效的作用力（3×19kNm3?=5.7kNm2），在模型自重應(yīng)力計算完之后，再撤銷施加的作用力，通過這個過程模擬開挖。（4）樁基礎(chǔ)的開挖在模擬中采用空模型（null）來模擬。

2、數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

2.1 樁基礎(chǔ)施工對隧道拱底的影響

模擬時重點(diǎn)監(jiān)控隧道拱底的變形，因?yàn)楣暗椎淖冃沃苯佑绊懼哞F軌道的平整度。圖3.6為隧道拱底右側(cè)監(jiān)測點(diǎn)在不同開挖工序時的拱底位移曲線圖，其中監(jiān)測區(qū)域?qū)?yīng)隧道里程DK24+830～DK24+710，樁基施工區(qū)域?qū)?yīng)里程為DK24+800～DK24+740。由圖可知：當(dāng)隧道上方一部分覆土開挖完，由于隧道上方土體卸載使得隧道拱底產(chǎn)生輕微上抬變形。當(dāng)隧道兩側(cè)樁基開挖時，隧道兩側(cè)土體卸載引起隧道圍巖應(yīng)力釋放，圍巖向樁方向變形并使隧道拱底繼續(xù)上抬變形。當(dāng)樁開挖至第4步（即樁雙側(cè)開挖至3m）時，樁深接近隧道拱頂處，隧道拱底上移至0.068mm；當(dāng)樁開挖至第9步（即樁雙側(cè)開挖至7.5m）時，樁深接近隧道拱腰處，隧道拱底上移至0.135mm，變形達(dá)到最大值；當(dāng)樁開挖至第15步（即樁雙側(cè)開挖至12m）時，樁深接近隧道拱底處，隧道拱底上移值為0.106mm，拱底變形部分恢復(fù)；當(dāng)樁開挖完成時，隧道拱底最終上移0.12mm。整個變形趨勢成拋物線變化，主要集中在樁基施工區(qū)域。變形量較小，說明在樁基施工時，隧道處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖1可知隧道上移值最大處位于隧道里程方向DK24+764左右，故接下來研究DK24+764橫斷面處拱底兩點(diǎn)隨樁基開挖步的累計位移曲線。

圖1 各工序下隧道拱底累計位移曲線

由圖2可知拱底位移變化隨樁基開挖進(jìn)度先向上快速增大后部分回縮最后緩慢增長趨于穩(wěn)定。具體而言：樁開挖至第4步時樁底接近隧道拱頂處，位移變化的斜率最大；樁開挖到第9步時，樁底接近隧道拱腰處，位移達(dá)到最大值0.135mm；樁開挖到第15步時，樁底位于隧道拱底，此時出現(xiàn)拱底位移回縮，而后隨著樁基進(jìn)一步開挖，樁底位于隧道拱底以下，拱底緩慢向上變形最后趨于穩(wěn)定。整個樁基施工過程對隧道拱底的變形影響都較小，隧道始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 DK24+764橫斷面處拱底隨樁基開挖時位移累計時程曲線

2.2 樁基礎(chǔ)施工對隧道襯砌的影響

由上一節(jié)的應(yīng)力云圖得知樁基開挖時，隧道拱腰處出現(xiàn)應(yīng)力集中。故沿隧道里程方向DK24+800～DK24+740范圍在隧道拱腰左右兩側(cè)共布置14個監(jiān)測點(diǎn)，每側(cè)7個點(diǎn)，間距10m。下圖為樁開挖至第30步（即樁雙側(cè)開挖至22.5m）時，沿隧道里程方向拱腰收斂曲線圖。由圖3.12可知：樁基開挖時，由于卸載作用，使樁周土、巖層的壓應(yīng)力減小，同時，隧道襯砌應(yīng)力也相應(yīng)減小，造成隧道左右兩側(cè)向外輕微變形。樁基施工時，沿隧道里程方向DK24+770處，隧道拱腰變形最大。取沿隧道里程方向DK24+770處橫斷面，研究樁基施工時對隧道橫斷面的變形影響。圖3.13表明圍巖變形沿拱頂呈對稱分布，在拱腰處變形最大，其值約為0.033mm。樁基開挖使得隧道襯砌向外變形，但變形非常小。

結(jié)語：

由于依托工程中樁基礎(chǔ)采用人工挖孔工藝，對土體擾動影響較小，數(shù)值分析中未考慮樁孔周邊土體軟化，樁孔與土體間滲透性的影響，對施工過程的有限元模擬還過于粗略，對于這些影響有待進(jìn)一步研究。