橋梁樁基礎(chǔ)施工對既有明挖隧道變形影響研究

(杭州市運河綜合保護開發(fā)建設(shè)集團有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

近年來，隨著城市的高速發(fā)展，城市建設(shè)中高等級公路、地鐵隧道以及橋梁等工程規(guī)模得到空前擴展，由于城市用地存在較大局限性，不可避免會出現(xiàn)橋隧相交問題[1]。橋梁樁基礎(chǔ)施工過程會對既有隧道、建筑樁基以及施工區(qū)域周邊土體的變形產(chǎn)生影響，若施工前對樁基施工的影響研究不足，極易給橋梁與隧道工程留下安全隱患。因此深入研究樁基礎(chǔ)施工對橋隧相交工程的安全性具有重要意義[2-3]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于橋隧相交變形機理展開了大量研究[4]，如陳發(fā)東[5]討論了盾構(gòu)隧道施工對臨近橋梁樁基及周圍土體的影響，分析盾構(gòu)掘進對既有樁基變形及沉降的影響機理，并對盾構(gòu)引起周圍土體變形破壞(塑性)區(qū)演變特征進行了研究。楊記芳[6]針對大直徑盾構(gòu)隧道施工對高層建筑及樁基影響進行數(shù)值分析，討論了盾構(gòu)側(cè)穿和下穿不同樁長的樁基時建筑沉降及樁體變形差異。喬麗平[7]研究了地鐵安保區(qū)樁基施工對臨近地鐵隧道的影響，計算分析了管樁沉樁施工擠土效應(yīng)對地鐵隧道的變形影響。呂寶偉[8]通過數(shù)值與實測分析探討了超臨界橋樁基施工對既有隧道影響，得出管片位移、盾構(gòu)隧道拱頂最大沉降變形與徑向收斂變形均未超過控制標(biāo)準(zhǔn)，模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本相符。

由于地域和施工條件不同，新建橋梁工程對既有隧道的影響存在差異性，已有研究成果對特定工程的指導(dǎo)價值具有局限性[9-10]。因此，針對某明挖隧道近距離樁基礎(chǔ)施工案例，基于有限元方法，模擬橋梁樁基礎(chǔ)施工過程對既有隧道拱底變形、襯砌位移、地表沉降及樁周土體位移的影響，研究為確保該隧道的運營安全提供理論數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概括

某城市主干道公路規(guī)劃設(shè)計為雙向四車道，行車荷載等級為公路Ⅰ級，主要連接南北向交通。修建過程中需跨越既有地鐵隧道，該隧道施工方法為明挖法，隧道基礎(chǔ)采用片石混凝土基礎(chǔ)，并已進入運營階段，整體沉降和受力已達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)隧道施工記錄數(shù)據(jù)顯示，隧道拱頂距離地面僅4.5 m，若直接在隧道上方進行道路施工，后期運行時隧道結(jié)構(gòu)不僅需要承受路基結(jié)構(gòu)自重，還需要承受日益增大的行車荷載作用，在長期作用下極易對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響，同時考慮公路使用年限要遠遠小于隧道使用年限，為防止后期路基維護及加固施工給隧道帶來更大影響，擬采用跨隧架橋的方式。

橋梁設(shè)計全長32.5 m，橋面寬度為27 m，單幅橋?qū)挾葹?2.5 m，包括2×3.75 m(行車道)+3.5 m(人行道)+1.5 m(綠化帶)，預(yù)制箱梁頂板寬度為2.2 m，高度為1.8 m，支撐處頂板厚度為0.2 m，底板和腹板厚度為0.3 m，跨中處頂板、底板和腹板均為0.2 m，采用濕接縫連接小箱梁，在支點和跨中位置設(shè)置橫梁。樁基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁，直徑為1.5 m，樁長為18 m，開挖方式為每挖深1.5 m進行一次支護，直到達到設(shè)計長度，兩側(cè)樁基礎(chǔ)距離隧道均為5.8 m，東西隧道寬度為6 m，間距為3.5 m，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 樁基礎(chǔ)與隧道結(jié)構(gòu)布置圖(單位：m)Figure 1 Pile foundation and tunnel structure layout(Unit:m)

2 有限元模型

為研究橋樁基礎(chǔ)施工對地鐵隧道的影響，通過運用有限元軟件ANSYS建立樁基礎(chǔ)與隧道數(shù)值模型，計算模型中X方向為公路行駛方向，選取寬度為60 m，Y方向為隧道行駛方向，選取長度為60 m，Z方向為樁基礎(chǔ)豎直方向，選取深度為30 m，模型共包含13 818個單元、3 984個節(jié)點，其有限元模型如圖2所示。

圖2 橋樁基礎(chǔ)施工有限元示意圖Figure 2 Finite element diagram of pile foundation construction of bridge

由于巖土體為非連續(xù)介質(zhì)，其本構(gòu)關(guān)系和邊界條件均比較復(fù)雜，在進行豎直模擬是需對模型進行以下簡化：建模時不考慮隧道開挖的影響，采用等效作用力代替土方開挖的作用；計算時不考慮地下水的作用。模型中采用摩爾-庫侖模型模擬地層，各向同性彈性模型模擬隧道襯砌，樁基礎(chǔ)開挖采用空模型模擬。建模時根據(jù)地質(zhì)分布情況進行網(wǎng)格劃分，由上而下依次劃分為5 m粉質(zhì)粘土層、3.5 m碎石土層、6.5 m粉土層以及15 m泥質(zhì)粉砂巖層，土體材料參數(shù)如表1所示。

表1 土體材料參數(shù)表Table1 Soilmaterialparametertable土層重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)彈性模量/kPa泊松比粉質(zhì)粘土193016280.27碎石土201930210.2粉土193318230.3泥質(zhì)粉砂巖252245650.22

3 樁基礎(chǔ)施工對隧道的影響

通過運用有限元軟件建立樁基礎(chǔ)開挖深度分別為0、6、12、18 m的數(shù)值模型，并針對不同樁基礎(chǔ)開挖深度的隧道拱底、隧道襯砌、地表以及樁周土體的變形規(guī)律展開對比分析，具體分析過程如下。

3.1 隧道拱底變形分析

為研究樁基礎(chǔ)施工對隧道拱底變形的影響，分別針對不同施工階段東西雙向隧道拱底位移變化情況進行對比分析，得到隧道拱底位移變化曲線如圖3所示。

圖3 隧道拱底豎向位移變化曲線Figure 3 Variation curve of vertical displacement of tunnel arch bottom

根據(jù)圖3可知，樁基礎(chǔ)未進行開挖時，隧道拱底出現(xiàn)較小的豎向位移變化，最大值約為0.4 mm，這是由于上部土方開挖引起的。東向隧道隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增大，隧道拱底的豎向位移呈先增后減趨勢變化，其中越靠近樁基礎(chǔ)施工區(qū)域，隧道拱底隆起變形越大。樁基礎(chǔ)開挖至6 m時，隧道拱底豎向位移變化趨勢出現(xiàn)一定程度增大，最大值約為0.7 mm，相對于未開挖時隧道拱底豎向位移增大了約0.3 mm，樁基礎(chǔ)開挖至12 m時，隧道拱底豎向位移增大趨勢較為明顯，最大值達到1.2 mm，相對于開挖至6 m時增大了約0.5 mm，分析原因是樁基礎(chǔ)施工至12 m左右深度范圍時，右邊距離隧道較近，因此在該區(qū)域開挖對隧道拱底豎向位移影響最大，樁基礎(chǔ)開挖至18 m時，隧道拱底豎向位移變化趨勢有所降低，最大值約為0.95 mm，相對于施工至12 m時減小了約0.25 mm，說明在靠近隧道區(qū)域進行樁基礎(chǔ)施工時隧道拱底變形較大。西向隧道不同樁基礎(chǔ)開挖過程中隧道拱底豎向位移變化規(guī)律與東向隧道呈對稱分布，隧道拱底變形趨勢大致相似。

3.2 隧道襯砌位移的影響

以兩幅橋梁中心線為基準(zhǔn)，隧道左右延伸距離為±30 m，分別針對不同施工階段東西雙向隧道襯砌位移變化情況進行對比分析，得到東西隧道左右拱腰位移變化曲線如圖4所示。

圖4 隧道左右拱腰位移變化曲線Figure 4 Displacement curve of left and right arch waist of tunnel

根據(jù)圖4可知，東、西隧道中的左、右拱腰位移變化均呈對稱分布，隧道拱腰變形趨勢大致相似。東向隧道隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增大，隧道右拱腰的水平位移呈先增后減趨勢變化，其中越靠近樁基礎(chǔ)施工區(qū)域，隧道拱腰水平變形越大。樁基礎(chǔ)未進行開挖時，隧道右拱腰出現(xiàn)較小的水平位移變化，最大值約為1.2 mm，這是由于上部土方開挖引起的，樁基礎(chǔ)開挖至6 m時，隧道右拱腰水平位移變化趨勢出現(xiàn)一定程度增大，最大值約為2.2 mm，相對于未開挖時隧道右拱腰水平位移增大了約1 mm，樁基礎(chǔ)開挖至12 m時，隧道右拱腰水平位移增大趨勢較為明顯，最大值達到3.7 mm，相對于開挖至6 m時增大了約1.5 mm，分析原因是樁基礎(chǔ)施工至12 m左右深度范圍時，右邊距離隧道較近，因此在該區(qū)域開挖對隧道右拱腰水平位移較大，樁基礎(chǔ)開挖至18 m時，隧道右拱腰水平位移變化趨勢有所降低，最大值約為3 mm，相對于施工至12 m時減小了約0.6 mm，說明在離隧道較遠區(qū)域進行樁基礎(chǔ)施工時對隧道襯砌變形影響較小，而在靠近隧道區(qū)域進行樁基礎(chǔ)施工時隧道襯砌變形較大。

3.3 地表沉降的影響

以東西隧道中心線為基準(zhǔn)，樁基礎(chǔ)施工范圍為40 m，分別針對不同施工階段地表沉降變化情況進行對比分析，得到地表沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 不同開挖深度-地表沉降變化曲線Figure 5 Variation curve of ground subsidence with different excavation depth

根據(jù)圖5可知，隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增大，地表施工區(qū)域沉降值呈不斷增大趨勢變化，其中靠近樁基礎(chǔ)施工區(qū)域地表沉降值較大。當(dāng)樁基礎(chǔ)開挖至6 m時，施工區(qū)域地表沉降出現(xiàn)較大幅度的增大，最大達到-7.5 mm，相對于未開挖時增大了約-6.6 mm，樁基礎(chǔ)開挖至12 m時，地表沉降值再次出現(xiàn)增長，最大值為-9.8 mm，相對于開挖至6 m時增長了約-2.3 mm，當(dāng)樁基礎(chǔ)開挖深度超過12 m后，地表沉降值不再隨開挖深度而變化，說明樁基礎(chǔ)開挖對施工區(qū)域地表沉降具有一定影響，但樁基礎(chǔ)開挖達到一定深度后，地表沉降將不再受開挖深度的影響。

3.4 樁周土體位移的影響

以隧道左右兩邊樁基礎(chǔ)設(shè)計長度為基準(zhǔn)，針對不同開挖深度樁基礎(chǔ)周邊土體的水平位移進行對比分析，得到樁周土體水平位移變化曲線如圖6所示。

圖6 樁基礎(chǔ)周邊土體位移變化曲線 Figure6 Displacementcurveofsoilaroundpilefoundation

根據(jù)圖6可知，隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增加，左、右樁基礎(chǔ)周邊土體水平位移呈對稱分布。當(dāng)樁基礎(chǔ)開挖深度小于11 m時，樁周土體水平位移均隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的加深而增大，開挖深度為6、12、18 m時，樁周土體最大水平位移均出現(xiàn)在地表位置，最大值分別為4、4.5、4.9 mm，說明樁基礎(chǔ)開挖對靠近地表的樁周土體水平位移影響較大。樁基礎(chǔ)開挖深度超過12 m時，左、右樁基礎(chǔ)周邊土體水平位移均不再受開挖深度的影響，說明樁基礎(chǔ)開挖進行至隧道下方后，樁基礎(chǔ)施工對樁周土體水平位移不再有影響。

4 結(jié)論

以某橋梁跨越地鐵隧道工程為研究背景，通過運用有限元軟件模擬橋樁基礎(chǔ)開挖過程，并針對樁基礎(chǔ)不同開挖深度對隧道拱底、隧道襯砌、施工區(qū)域地表以及樁周土體變形展開對比分析，得到以下結(jié)論：

a.在橋梁樁基礎(chǔ)施工過程中，東西雙向隧道拱底、隧道左、右拱腰以及樁基礎(chǔ)周邊土體變形規(guī)律均呈對稱分布；隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增大，隧道拱底豎向位移和隧道拱腰水平位移均呈先增后減趨勢變化，在靠近隧道附近開挖時對隧道拱底和拱腰的變形影響最大；樁基礎(chǔ)開挖深度小于12 m時，地表沉降隨著開挖深度的增大而變大，開挖深度超過12 m后，地表沉降受開挖深度的影響較小。

b.樁基礎(chǔ)開挖深度小于12 m時，樁周土體水平位移均隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的加深而增大，開挖深度超過12 m時，左、右樁基礎(chǔ)周邊土體水平位移均受開挖深度的影響較小。該研究成果可為類似橋梁跨越隧道工程提供參考與借鑒。