基于ABAQUS的某大橋樁基施工對(duì)鄰近地鐵隧道的影響研究

賈立夫

（東北林業(yè)大學(xué) 工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

為了緩解近些年城市交通壓力越來越大的情況，各大城市均大力發(fā)展城市高架橋和地鐵工程［1-4］。而城市高架橋與地鐵隧道工程在施工過程中難免產(chǎn)生交叉，從而造成兩者的相互影響［5-6］。尤其是城市高架橋在樁基施工時(shí)，其對(duì)周圍的地鐵隧道影響較大，對(duì)相關(guān)工程實(shí)例和研究總結(jié)可知［7-10］，由于高架橋樁基施工引起的地鐵隧道變形較多，甚至?xí)茐牡罔F隧道結(jié)構(gòu)，對(duì)公共財(cái)產(chǎn)和人員安全形成了巨大隱患［11-13］。因此，研究高架橋樁基施工對(duì)既有地鐵隧道的影響具有重要意義。本文基于工程實(shí)例，基于有限元仿真計(jì)算的方式，深入研究了高架橋樁基施工對(duì)既有地鐵隧道變形的影響，并得到有益結(jié)論。

1 工程概況

某城市高架橋全長(zhǎng)6 980 m，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度為23.5 m，雙向6車道。該橋梁上跨城市2個(gè)地鐵站、2條河和6條街。該高架橋上部結(jié)構(gòu)共采用以下3種結(jié)構(gòu)形式：連續(xù)鋼箱梁、管制鋼混組合梁和簡(jiǎn)支鋼箱梁。該橋梁K2＋340～K5＋702段與該城市在建某地鐵站平行且距離非常近。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，共有近10處高架橋橋梁樁基與地鐵隧道距離較近，其中106＃橋墩距離地鐵隧道最近，其墩臺(tái)的長(zhǎng)和寬均為6.5 m，矩形承臺(tái)的厚度為2.5 m，樁間距3 m，共計(jì)4個(gè)樁，樁徑均為1.5 m，其中兩個(gè)樁長(zhǎng)為45 m，另外兩個(gè)為55 m，在承臺(tái)的角部對(duì)稱分布，其與地鐵隧道最小的距離為2.46 m。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的地形質(zhì)地資料，106＃橋墩所處的地形較為平坦，其地下地層種類繁多且各部分厚度較為均勻，其中地下水基本上為孔隙潛水。本高架橋樁基施工時(shí)，為了盡可能地減小對(duì)既有地鐵隧道的影響，擬采用的施工方法為通過旋挖鉆機(jī)全套管的工法［14］，具體為對(duì)孔壁利用套管進(jìn)行支撐，同時(shí)為了出現(xiàn)縮徑和塌孔等現(xiàn)象，取土在套管內(nèi)完成。橋梁樁基施工的具體順序?yàn)椋簻y(cè)量放線→鉆機(jī)等設(shè)備就位→埋設(shè)套管→搓入套管→旋轉(zhuǎn)掏土→吊放鋼筋籠→灌注混凝土。

2 有限元模型的建立

本文基于大型有限元軟件ABAQUS建立三維有限元仿真模型研究高架橋樁基施工對(duì)既有地鐵隧道穩(wěn)定性和安全性的影響。本文選用摩爾-庫倫模型［15］和線彈性模型［16］作為本構(gòu)模型。橋梁樁基的樁徑為1.5 m，樁長(zhǎng)為45 m和55 m，采用C30鋼混凝土。承臺(tái)采用C40混凝土，護(hù)筒的鋼材為Q345C。根據(jù)地勘資料，106＃橋墩地下各個(gè)土層的土體參數(shù)如表1所示。

表1 具體各土層土體參數(shù)Table 1 Soil parameters of specific soil layers

根據(jù)橋梁樁基施工的總體方案和進(jìn)度來看，為了準(zhǔn)確研究樁基施工對(duì)既有地鐵隧道的影響，本文選取了3個(gè)關(guān)鍵的施工節(jié)點(diǎn)，分別將其定義為工況1、工況2、工況3：

a.工況1：樁基B施工成孔。在樁基施工時(shí)首先進(jìn)行施工測(cè)量，確定樁基的位置，然后將護(hù)筒打入地層中，再利用鉆機(jī)施打樁基B。

b.工況2：承臺(tái)開挖。當(dāng)完成4根樁基后，下一步為承臺(tái)的開挖，在其施工過程中需去掉多余的樁基長(zhǎng)度。

c.工況3：施加上部荷載于樁基上。當(dāng)完成橋墩、承臺(tái)和上部結(jié)構(gòu)的施工后，基于設(shè)計(jì)院提供的圖紙和橋梁穩(wěn)定計(jì)算書，可計(jì)算得到樁基承受的應(yīng)力，即每個(gè)樁為3 556.23 kN／m2。

本文基于有限元軟件ABAQUS建立的有限元模型如圖1～圖4所示。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 路面點(diǎn)沉降位移分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，可得3種工況下不同路面點(diǎn)位置的位移變化值如圖5所示。

圖1 樁基礎(chǔ)及隧道有限元模型Figure 1 Finite element model of pile foundation and tunnel

圖2 承臺(tái)有限元模型Figure 2 FEM model of the cap

圖3 施加荷載有限元模型Figure 3 Loaded finite element model

由圖5可知，3種工況下路面沉降位移值的趨勢(shì)均為逐漸減小，即越遠(yuǎn)離樁基的正上方，其位移值越小，其中3種工況下的最大位移值均出現(xiàn)在樁基B的正上方，其位移值分別為-1.568、-6.076、-4.901 mm。橫向?qū)Ρ?種工況可知，工況2的位移值最大，其原因?yàn)橛捎陂_挖承臺(tái)，將原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，使得土體產(chǎn)生了向基坑方向的傾斜，其對(duì)路面沉降值的影響最大。

圖4 模型的網(wǎng)格劃分Figure 4 Meshing of the model

圖5 不同路面點(diǎn)位置的位移變化圖Figure 5 Displacement changes of different pavement points

圖6為工況2整體豎向的位移云圖。

圖6 豎向位移云圖Figure 6 Vertical displacement cloud diagram

由圖6可知，工況2的基坑側(cè)壁水平變形較大且坑底處出現(xiàn)了回彈的現(xiàn)象，上浮的最大值為1.79 mm，坑外側(cè)土體的最大變形值為10.98 mm，坑外側(cè)路面位移值分別為-6.076、-3.136、-1.764、-0.960、-0.990 mm。其變化趨勢(shì)為距離樁基越近豎向位移越大，距離樁基越遠(yuǎn)豎向位移越小。

3.2 隧道拱圈沉降位移分析

隧道拱圈在3種工況下的位移變化如圖7所示。

圖7 3種工況下的位移變化圖Figure 7 Displacement changes under three operating conditions

由圖7可知，3種工況下位移值均為負(fù)值，其表示位移方向豎直向下，其中工況3的位移值最大，工況2次之，工況1最小。其中3種工況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4均發(fā)生了位移值變大，其中工況1時(shí)，其位移值為0.240 mm；工況2時(shí)，位移變大值較小，僅0.010 mm；在工況3時(shí)，其位移值相對(duì)較大，為0.882 mm。為了對(duì)其進(jìn)一步研究，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、4的位移變化Figure 8 Displacement changes of monitoring points 1 and 4 under different working conditions

監(jiān)測(cè)點(diǎn)4位于隧道的拱頂上，對(duì)其進(jìn)行分析可知隧道拱頂?shù)奈灰谱兓怠Ｓ蓤D8可知：①監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的位移值變化為先減小后增大，其最大值為0.882 mm。②在工況1時(shí)，隧道拱頂發(fā)生豎直向下的位移，而后其位移值逐漸減小，其原因?yàn)橛捎诔信_(tái)開挖，土體產(chǎn)生了卸荷的現(xiàn)象，失去了原有的土壓力平衡，釋放了隧道土壓力，使得隧道產(chǎn)生了上浮的現(xiàn)象。工況3時(shí)，由于進(jìn)行了加載，隧道拱頂又產(chǎn)生了下沉的現(xiàn)象，其原因?yàn)樯喜亢奢d通過樁體進(jìn)行了荷載傳遞，將荷載傳遞至周圍的土體，土體擠壓并將力傳輸至隧道上部，引起了變形。③隧道拱頂位移值變化較大出現(xiàn)在工況2和工況3，因此在施工時(shí)需特別注意。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位于隧道的側(cè)壁上，對(duì)其進(jìn)行分析可知隧道側(cè)壁的位移變化值。由圖8可知：①與拱頂變化趨勢(shì)相同，其位移變化值也為先變小后增大，其中最大值為0.931 mm。②工況2隧道側(cè)壁的上浮量稍小于拱頂?shù)纳细×?。工況3隧道側(cè)壁的上浮量稍大于拱頂?shù)纳细×?，其主要原因?yàn)闃蛄旱臉痘嚯x隧道側(cè)壁更近，施加荷載之后，通過樁基傳遞至樁基的周圍土壓力，由于更近，其擠壓力更大。③與拱頂位移變化相同，在施工時(shí)應(yīng)特別注意工況2和工況3。

工況2和工況3的隧道豎向位移云圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 工況2隧道豎向位移云圖Figure 9 Cloud diagram of vertical displacement of tunnel in case

圖10 工況3隧道豎向位移云圖Figure 10 Cloud diagram of vertical displacement of tunnel in case

3.3 隧道水平收斂分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，隧道在3種工況下的水平收斂值如圖11所示。

本文共選取了3個(gè)點(diǎn) （sp1～sp3）進(jìn)行隧道水平收斂研究，由圖11可知：①隨著施工的進(jìn)行3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移均逐漸減小，其表示隧道水平的凈空值隨著施工的不斷進(jìn)行先變大后逐漸恢復(fù)。其中sp1～sp3監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為0.421 mm變化為0.196 mm、0.451 mm變化為0.118 mm、0.421 mm變化為0.216 mm。②水平位移的最大值出現(xiàn)在工況1，其原因?yàn)闃痘_挖導(dǎo)致護(hù)筒擠壓周圍土體，相應(yīng)地，周圍土體也會(huì)產(chǎn)生擠壓護(hù)筒的壓力。從而出現(xiàn)了隧道一側(cè)土體產(chǎn)生了位移。工況2和工況3的水平位移變小，其原因?yàn)槭┘由喜亢奢d和完成了樁基混凝土的澆筑。水平收斂有限元云圖見圖12。

圖11 3種工況下的水平收斂值Figure 11 Horizontal convergence values under three operating conditions

圖12 地鐵隧道水平收斂有限元云圖Figure 12 Horizontal convergence finite element cloud map of the metro tunnel

4 結(jié)論

為了研究某城市高架橋樁基施工對(duì)既有臨近地鐵隧道的影響，本文采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算分析，研究3種工況下關(guān)鍵剖面路面沉降、隧道拱圈沉降和水平收斂的變化規(guī)律，具體結(jié)論如下：①距離樁基越近，路面沉降值越大，路面沉降值的變化幅度為-0.147～6.076 mm；路面沉降的最大值出現(xiàn)在工況2開挖承臺(tái)時(shí)，最大值為6.076 mm。②隧道拱頂和拱壁的沉降規(guī)律相同，均為先下沉、再上浮、最后由于上部荷載的施加再下沉。③地鐵隧道的水平收斂變化規(guī)律為先變大、再變小、最后趨于穩(wěn)定；水平位移的最大值出現(xiàn)在工況1，最大值為0.451 mm，最小值出現(xiàn)在工況3，最小值為0.18 mm。