某橋梁樁基礎(chǔ)施工對(duì)既有隧道的影響

李文靜

（濟(jì)寧市鴻翔公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市快速路、立交橋規(guī)模得到了空前的發(fā)展，實(shí)際工程中不可避免地發(fā)生橋梁與隧道相交的現(xiàn)象。當(dāng)橋梁施工對(duì)現(xiàn)有隧道產(chǎn)生影響，可能會(huì)造成工程問(wèn)題，因此有必要進(jìn)行相關(guān)研究，以降低和避免橋梁施工過(guò)程中對(duì)既有隧道的不良影響。邢凱等人[1]依托衡深圳地鐵某停車(chē)廠工程，采用FLAC3D 三維數(shù)值有限元手段研究了基礎(chǔ)施工、荷載施加和停車(chē)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段對(duì)下部既有隧道的影響。結(jié)果表明，樁基礎(chǔ)施工會(huì)給既有隧道帶來(lái)豎向下沉和整體扭曲問(wèn)題。楊敏和靳軍偉[2]綜述了樁基礎(chǔ)與既有地鐵隧道相互影響、樁基礎(chǔ)在荷載作用下對(duì)既有隧道承載力的影響等方面，提出了目前研究的不足和亟待解決的評(píng)估方法問(wèn)題。路平和鄭剛[3]基于天津地鐵2 號(hào)線淺埋隧道與距隧道最小距離6.5m 的立交橋工程問(wèn)題進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，樁基礎(chǔ)的成孔施工、運(yùn)營(yíng)期均會(huì)在土中產(chǎn)生應(yīng)力擴(kuò)散，繼而對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。該文基于某橋梁工程跨越既有隧道工程案例，采用數(shù)值模擬研究了橋梁樁基礎(chǔ)施工過(guò)程對(duì)既有隧道的影響，為工程施工及設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

研究公路為雙向四車(chē)道，公路等級(jí)為I 級(jí)。公路修建過(guò)程中需要跨越某地鐵隧道。其中隧道拱頂距離地面最小距離僅為4.5m，如果直接在隧道上方修建公路，可能會(huì)造成較大的工程問(wèn)題。同時(shí)考慮公路使用年限小于隧道，為防止后期公路維護(hù)對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響，綜合采用跨隧架橋進(jìn)行公路施工。

橋梁設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為32.5m，采用雙向四車(chē)道，橋面寬度28m，單幅寬度為12.5m。采用預(yù)制箱梁拼裝。預(yù)制箱梁寬度和高度分別為2.1m 和1.8m。箱梁頂板位置處厚度約為0.2m，底板厚度為0.3m，腹板厚度為0.3m。跨中位置處頂板厚度為0.2m，底板和腹板厚度同為0.2m。箱梁的連接方式為濕接縫形式，為了保證轉(zhuǎn)整體穩(wěn)定性，分別在支點(diǎn)和跨中位置處布設(shè)橫梁。橋梁樁基礎(chǔ)施工采用人工挖孔灌注樁，樁徑和樁長(zhǎng)分別為1.5m 和18m。支護(hù)方式為每挖深1.5m 進(jìn)行一次支護(hù)。樁基礎(chǔ)兩側(cè)距離隧道距離均為5.8m，具體結(jié)構(gòu)和相互位置如圖1 所示。

圖1 樁基礎(chǔ)與隧道相對(duì)位置關(guān)系

2 數(shù)值模型

為了研究橋梁樁基礎(chǔ)施工對(duì)既有地鐵隧道的變形及周?chē)馏w沉降變形的影響，該文采用ANSYS 數(shù)值有限元建立模型進(jìn)行計(jì)算和分析。模型寬度和長(zhǎng)度均為60m，深度為30m。其中模型中的X方向?yàn)楣烽L(zhǎng)度延伸的方向，Y方向?yàn)樗淼篱L(zhǎng)度延伸的方向，Z方向?yàn)闃痘A(chǔ)開(kāi)挖的方向。模型劃分的網(wǎng)格共13820 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3900 個(gè)。具體的網(wǎng)格模型如圖2 所示。根據(jù)鉆孔資料揭示研究區(qū)土體由上到下分別為粉質(zhì)黏土，厚度約為5m；碎石土，厚度約為3.5m；粉土層，厚度約為5m；泥炭質(zhì)砂巖，厚度為15m。

圖2 模型有限元網(wǎng)格劃分圖

機(jī)油研究表明，巖土體屬于典型的非連續(xù)介質(zhì)且具有流固兩相性的復(fù)雜材料，該文為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在數(shù)值模擬中做了以下假定和簡(jiǎn)化：1）忽略地下水的作用且在建模過(guò)程中采用等效應(yīng)力代替土方開(kāi)挖。2）巖土體采用理想彈塑性本構(gòu)模型（摩爾-庫(kù)倫模型）進(jìn)行計(jì)算和分析，襯砌結(jié)構(gòu)采用各向同性的線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。3）樁基礎(chǔ)開(kāi)挖采用空模型進(jìn)行計(jì)算。模型中巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 拱底位移分析

該文分別計(jì)算了基礎(chǔ)開(kāi)挖深度為6m、12m 和18m 時(shí)，隧道、襯砌以及地表的變形分布規(guī)律。匯總得到的施工階段隧道拱底變形分布規(guī)律如圖3 所示。結(jié)果表明，當(dāng)樁基礎(chǔ)未進(jìn)行施工時(shí)，隧道拱底變形趨勢(shì)較小，最大值僅為0.42mm。在其他條件不變的情況下，東向隧道（圖3（a））隨著拱底寬度的增大，豎向位移逐漸減少，隨著基礎(chǔ)開(kāi)挖深度的增大，隧道拱底位移先增大、后減少。當(dāng)基礎(chǔ)開(kāi)挖深度為6m 時(shí)，拱底位移最大值為0.7m，比未開(kāi)挖時(shí)拱底位移增大了0.3mm。當(dāng)基礎(chǔ)開(kāi)挖深度為12m 時(shí)，拱底最大位移達(dá)到1.2mm。當(dāng)基礎(chǔ)開(kāi)挖深度為18m 時(shí)，拱底位移最大值為1mm。總體來(lái)看拱底位移相對(duì)較小，滿足規(guī)范要求的安全性，處于可控范圍之內(nèi)。

以上關(guān)于隧道拱底變形規(guī)律的結(jié)果表明，樁基礎(chǔ)施工對(duì)靠近隧道區(qū)域的拱底變形影響較大。西向隧道（圖3（b））在不同基礎(chǔ)開(kāi)挖深度過(guò)程中，拱底位移表現(xiàn)出與東向隧道對(duì)稱的規(guī)律，此處不再贅述。

圖3 隧道拱底變形分布規(guī)律

3.2 襯砌位移影響分析

匯總得到的東西隧道左右拱腰位置處的變形分布規(guī)律如圖4 所示。圖4 表明，東向隧道和西向隧道變形呈對(duì)稱分布。其中圖4（a）表明，隧道拱腰變形以距橋橫向中心線距離20m 位置為對(duì)稱軸線，兩側(cè)變形趨勢(shì)基本相同。當(dāng)基礎(chǔ)未進(jìn)行開(kāi)挖施工時(shí)，拱腰的水平位移最大值為1.2mm。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是上部土石方的開(kāi)挖。當(dāng)基礎(chǔ)開(kāi)挖至6m時(shí)，水平變形最大值為2.0mm。基礎(chǔ)深度開(kāi)挖至12m 時(shí)，拱腰水平位移最大值為3.8mm。基礎(chǔ)深度開(kāi)挖至18m 時(shí)，水平位移最大值為3.0mm。圖4（b）為西向隧道拱腰變形趨勢(shì)，總體來(lái)看，西向隧道拱腰變形趨勢(shì)與東向隧道拱腰變形趨勢(shì)一致。距離隧道較遠(yuǎn)處的樁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道襯砌的變形影響程度比靠近隧道區(qū)域進(jìn)行的樁基礎(chǔ)施工的影響更小。

3.3 地表沉降影響分析

該文以隧洞中心線為軸線，計(jì)算了樁基礎(chǔ)施工距離左右各20m 的地表沉降變形隨距隧道中心線距離的變化規(guī)律，如圖5 所示。結(jié)果表明，隨著開(kāi)挖深度的增大，施工區(qū)沉降不斷增大，越靠近施工區(qū)，沉降最大值越大。地表沉降變形以中軸線為對(duì)稱中線，左右兩側(cè)變形基本相同。當(dāng)開(kāi)挖深度為6m 時(shí)，沉降最大的位置發(fā)生在距隧道中心線距離±20m 位置處，沉降最大值為7.8mm。當(dāng)開(kāi)挖深度為12m，沉降最大值為9.8mm。但是當(dāng)開(kāi)挖深度為18m 時(shí)，地表沉降值與開(kāi)挖深度為12m 時(shí)相比變化并不明顯，即當(dāng)基礎(chǔ)開(kāi)挖深度達(dá)到一定深度時(shí)，施工對(duì)地面沉降變形的影響越來(lái)越小。

圖5 地表沉降隨開(kāi)挖深度變化規(guī)律

3.4 地樁周土體變形分析

以隧道左右兩側(cè)樁基礎(chǔ)縱向延伸長(zhǎng)度方向?yàn)榛鶞?zhǔn)線，分析不同開(kāi)挖深度對(duì)樁基礎(chǔ)周?chē)馏w沉降變形的影響程度。結(jié)果表明，樁基礎(chǔ)左側(cè)和右側(cè)土體變形分布規(guī)律呈對(duì)稱分布。當(dāng)開(kāi)挖深度小于12m 時(shí)，樁周土體位移隨開(kāi)挖深度增大而增大。開(kāi)挖深度為6m 時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁周土體最大水平位移在地表處產(chǎn)生最大值，為4.1mm。當(dāng)開(kāi)挖深度為12m時(shí)，樁周土體變形最大值為4.6mm。當(dāng)開(kāi)挖深度為18m 時(shí)，樁周土體變形最大值為5.0mm?？傮w來(lái)看，當(dāng)樁周土體變形隨靠近樁基礎(chǔ)施工距離的減少而增大。當(dāng)開(kāi)挖深度大于12m 時(shí)，樁周土體變形曲線受開(kāi)挖深度的影響非常小。因此在實(shí)際工程中，當(dāng)基礎(chǔ)開(kāi)挖至隧道下方后，基礎(chǔ)施工對(duì)樁周土體的變形影響基本可以忽略。

4 結(jié)論

該文以某橋梁穿越隧道為工程背景，采用數(shù)值模擬研究了樁基礎(chǔ)施工對(duì)既有隧道的變形影響，系統(tǒng)地分析了樁基礎(chǔ)開(kāi)挖深度對(duì)隧道拱底變形、隧道襯砌變形及地表沉降變形的影響，得出如下結(jié)論：1）隧道2 個(gè)方向的拱底、拱腰以及樁周土體變形基本呈對(duì)稱分布；隧道拱底豎向位移和拱腰變形隨樁基礎(chǔ)開(kāi)挖深度的增大而先增大、后減少。當(dāng)開(kāi)挖深度超過(guò)12m時(shí)，開(kāi)挖深度對(duì)地表變形的影響基本可以忽略。2）基礎(chǔ)未進(jìn)行開(kāi)挖施工時(shí)，拱腰的水平位移最大值為1.2mm。當(dāng)基礎(chǔ)開(kāi)挖至6m 時(shí)，水平變形最大值為2.0mm?；A(chǔ)深度開(kāi)挖至12m 時(shí)，拱腰水平位移最大值為3.8mm。樁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道襯砌變形的影響程度隨靠近施工距離的減少而增大。3）開(kāi)挖深度小于12m 時(shí)，樁周土體位移隨開(kāi)挖深度增大而增大，當(dāng)開(kāi)挖深度大于12m時(shí)，樁周土體變形曲線受開(kāi)挖深度的影響非常小。實(shí)際工程中，當(dāng)基礎(chǔ)開(kāi)挖至隧道下方后，基礎(chǔ)施工對(duì)樁周土體的變形影響基本可以忽略。