黃　鸝，梁小勇，李　嫻

(河北科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

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區(qū)間暗挖隧道側(cè)穿既有橋樁施工擾動(dòng)分析

黃鸝，梁小勇，李嫻

(河北科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

摘要：將三維數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合，對(duì)區(qū)間暗挖隧道側(cè)穿既有橋樁施工擾動(dòng)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：隧道開(kāi)挖引起的既有樁體的位移響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)，沿樁長(zhǎng)的沉降差值主要是由樁基兩側(cè)的側(cè)壓力差異導(dǎo)致的。既有樁基沿X軸方向的位移呈“S”型，最大位移值位于樁頂；以隧道軸線為界，既有樁基X軸方向的位移模式不同。既有樁基Y軸方向的位移表現(xiàn)為拋物線型，最大值位于隧道軸線位置。彎矩沿樁長(zhǎng)變化曲線有2個(gè)反彎點(diǎn)，最大值位于隧道軸線位置，樁體兩側(cè)地層側(cè)壓力不均衡導(dǎo)致樁體產(chǎn)生彎矩。

關(guān)鍵詞：區(qū)間隧道；既有橋樁；施工擾動(dòng)；軸力；數(shù)值計(jì)算；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

0引言

軌道交通工程穿越城市核心區(qū)域，周邊建筑物林立，市政道路、既有橋梁密集分布。區(qū)間暗挖隧道可引發(fā)洞周一定范圍內(nèi)土體位移，對(duì)擾動(dòng)范圍內(nèi)的既有橋梁樁基產(chǎn)生附加應(yīng)力。當(dāng)隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的附加應(yīng)力大于既有橋梁樁基的容許應(yīng)力時(shí)，將影響既有結(jié)構(gòu)的正常使用，因此，保證既有結(jié)構(gòu)的正常使用成為區(qū)間隧道施工的關(guān)鍵控制因素[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)暗挖隧道穿越既有橋梁樁基進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)隧道開(kāi)挖引起的既有樁基變形進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]基于北京地鐵具體工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)值分析對(duì)暗挖隧道穿越既有橋梁樁基的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析，提出了主動(dòng)防護(hù)的理念。但是，上述研究均局限于單線隧道，而地鐵區(qū)間隧道以雙線隧道為主。雙線隧道開(kāi)挖引發(fā)洞周位移響應(yīng)與單線隧道區(qū)別較大，因此，對(duì)雙線暗挖隧道側(cè)穿既有橋樁的施工擾動(dòng)進(jìn)行研究尤為重要。

本文選取北京地鐵7號(hào)線某區(qū)間側(cè)穿既有橋梁樁基為工程背景，采用三維數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)區(qū)間隧道開(kāi)挖引發(fā)臨近既有樁基的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析。進(jìn)而研究了不同施工階段的樁基軸力變化，并將數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1隧道側(cè)穿既有橋樁力學(xué)機(jī)理

隧道開(kāi)挖產(chǎn)生臨空面，洞周地層產(chǎn)生向臨空面方向的位移。當(dāng)既有樁基處于隧道開(kāi)挖影響范圍內(nèi)，地層位移對(duì)鄰近樁基產(chǎn)生擾動(dòng)，如圖1所示。

隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的施工擾動(dòng)具體表現(xiàn)為兩個(gè)方面：(1)負(fù)摩阻力引發(fā)既有樁基沉降和承載力下降。以隧道水平軸線為界，既有樁基表現(xiàn)為兩種受力模式：隧道水平軸線以上，當(dāng)隧道開(kāi)挖引發(fā)的地層位移大于既有樁基豎向位移時(shí)，樁周地層產(chǎn)生負(fù)摩阻力，引發(fā)既有樁基沉降和承載力下降；隧道水平軸線以下，當(dāng)隧道開(kāi)挖引發(fā)的地層產(chǎn)生向上的豎向位移，樁軸地層產(chǎn)生正摩阻力，有利于既有樁基的穩(wěn)定。(2)側(cè)壓力差異降低既有樁基承載力。隧道開(kāi)挖引發(fā)洞周地層應(yīng)力釋放，導(dǎo)致既有樁基靠近隧道側(cè)地層側(cè)向壓力減??；樁體兩側(cè)地層側(cè)壓力不均衡，導(dǎo)致樁體產(chǎn)生彎矩，從而降低既有樁基承載力。

2數(shù)值模型計(jì)算分析

2.1數(shù)值模型的建立

根據(jù)區(qū)間雙線隧道施工的工程實(shí)例，通過(guò)有限元差分程序Flac3D對(duì)既有樁基的施工擾動(dòng)進(jìn)行了模擬。鑒于圣維南原理，區(qū)間隧道開(kāi)挖影響洞周一定范圍的地層。選取隧道水平軸線為X軸，長(zhǎng)度為120 m；選取隧道線路方向?yàn)閅軸，長(zhǎng)度為40 m；選取重力方向?yàn)閆軸，長(zhǎng)度為60 m，區(qū)間隧道周邊及既有樁基兩側(cè)網(wǎng)格局部加密[6-9]。

既有橋梁為10跨鋼筋混凝土連續(xù)梁立交橋，區(qū)間隧道從4#和5#橋墩中間側(cè)穿，4#和5#橋墩位于隧道開(kāi)挖影響范圍內(nèi)，其他橋樁相對(duì)較遠(yuǎn)。數(shù)值計(jì)算模型按照區(qū)間雙線隧道施工步序、支護(hù)參數(shù)以及與既有橋樁相對(duì)位置關(guān)系的實(shí)際工況進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖1 隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的擾動(dòng) 圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

數(shù)值計(jì)算模型的基本假定：

(1)數(shù)值計(jì)算模型的地層單元遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[10-12]。

(2)既有樁基承臺(tái)采用實(shí)體單元，橋樁采用樁單元，樁單元與地層的相互作用通過(guò)設(shè)置接觸單元實(shí)現(xiàn)。

(3)區(qū)間隧道采用臺(tái)階法施工，上、下臺(tái)階錯(cuò)距為3～5 m。待左線隧道初支與二襯施作完成后，再開(kāi)挖右側(cè)隧道，左右線的錯(cuò)距不小于15 m。區(qū)間隧道位于城市主干道的下方，沿南北向鋪設(shè)，區(qū)間隧道的開(kāi)挖方向?yàn)樽员毕蚰稀?/p>

(4)初期支護(hù)和二襯采用線彈性單元模擬。按照抗壓剛度等效原則，將格柵拱架折算至噴射混凝土中，即

其中：Ec為折算后初期支護(hù)彈性模量；E0為噴射混凝土彈性模量；As為格柵拱架截面積；Es為格柵受力鋼筋彈性模量；Ac為噴射混凝土截面積。

(5)計(jì)算模型采用邊界位移條件，上部為自由邊界，底面約束Z方向的位移，其他部分約束X、Y方向的位移。

數(shù)值計(jì)算模型的計(jì)算參數(shù)根據(jù)區(qū)間地勘報(bào)告(詳堪)進(jìn)行取值，如表1所示。

表1　地層計(jì)算參數(shù)取值

2.2既有樁基位移響應(yīng)分析

區(qū)間隧道待左線隧道初支與二襯施作完成后，再開(kāi)挖右側(cè)隧道，左右線的錯(cuò)距不小于15 m。區(qū)間隧道開(kāi)挖影響范圍內(nèi)既有結(jié)構(gòu)為4#、5#承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)下方為2根橋樁，承臺(tái)北側(cè)橋?yàn)?a樁基和5a樁基，南側(cè)為4b樁基和5b樁基。

圖3　雙線隧道開(kāi)挖豎向位移云圖(單位：m)

圖3為雙線隧道開(kāi)挖豎向位移云圖。右線隧道開(kāi)挖引發(fā)的洞周地層位移與左線產(chǎn)生疊加效應(yīng)，兩隧道中部豎向位移表現(xiàn)為雙峰狀。豎向位移最大值為7.551 mm，位于隧道洞周拱頂部位。

隧道開(kāi)挖引起的既有樁體的位移響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)，即既有樁基不僅在重力方向(Z軸)產(chǎn)生沉降，在X軸和Y軸方向均產(chǎn)生一定的位移。提取既有樁基位移計(jì)算結(jié)果，繪制位移曲線，如圖4所示。

圖4既有樁基沉降曲線和位移曲線

圖4為既有樁基沿X軸、Y軸和Z軸方向的位移響應(yīng)，由圖4可知：

(1)隧道開(kāi)挖對(duì)影響范圍內(nèi)的樁基產(chǎn)生擾動(dòng)，既有樁基Z軸方向位移沿樁長(zhǎng)呈線彈性關(guān)系。樁頂與樁底的沉降值差別不大，沿樁長(zhǎng)的沉降值差值主要是由兩側(cè)的側(cè)壓力差異引發(fā)的樁體彎曲導(dǎo)致的。

(2)樁基4a和樁基4b豎向位移相對(duì)較大，最大值為5.4 mm，主要是由隧道施工步序引起的，待左側(cè)隧道初支與二襯施作完成后，再開(kāi)挖右側(cè)隧道。

(3)既有樁基沿X軸方向的位移呈“S”型，最大位移值位于樁頂。隧道開(kāi)挖產(chǎn)生臨空面，影響范圍內(nèi)地層產(chǎn)生向臨空面的位移，故上部樁基產(chǎn)生向臨空面方向的水平位移。在隧道拱部地層豎向應(yīng)力和側(cè)向剪切滑移的作用下，對(duì)隧道下部地層產(chǎn)生擠壓作用，故下部樁基產(chǎn)生遠(yuǎn)離臨空面的水平位移。

(4)隧道開(kāi)挖對(duì)影響范圍內(nèi)的樁基產(chǎn)生擾動(dòng)，表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)，Y軸方向的位移表現(xiàn)為拋物線，最大值位于隧道軸線位置。

2.3既有樁基力學(xué)響應(yīng)分析

樁基的負(fù)摩阻力和樁側(cè)向壓力差異顯著影響既有結(jié)構(gòu)的承載力，提取既有樁基位移計(jì)算結(jié)果繪制曲線，如圖5所示。

圖5為隧道開(kāi)挖引起的既有樁基軸力和彎矩響應(yīng)，由圖5可知：

(1)圖5a為隧道開(kāi)挖引起的既有樁基軸力變化曲線，軸力沿樁長(zhǎng)變化曲線為拋物線，先增大后減小，最大值位于隧道拱頂部位。左線隧道支護(hù)完成后開(kāi)挖右線隧道，對(duì)既有樁基力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生疊加。

(2)隧道軸線以上，開(kāi)挖引發(fā)的下沉量大于既有樁基豎向位移，樁周地層產(chǎn)生負(fù)摩阻力，樁基的軸力逐漸增大。隧道軸線以下，開(kāi)挖引發(fā)的下沉量小于既有樁基豎向位移，樁周地層產(chǎn)生正摩阻力，樁基的軸力逐漸減小直至近于歸零。

(3)樁基軸力變化為表征產(chǎn)生負(fù)摩阻力的重要指標(biāo)。

(4)圖5b為隧道開(kāi)挖引起的既有樁基彎矩變化曲線，彎矩沿樁長(zhǎng)變化曲線有2個(gè)反彎點(diǎn)，最大值位于隧道軸線位置。

(5)隧道開(kāi)挖引發(fā)洞周地層應(yīng)力釋放，導(dǎo)致既有樁基靠近隧道側(cè)地層側(cè)向壓力減小，樁體兩側(cè)地層側(cè)壓力不均衡導(dǎo)致樁體彎矩。

圖5既有樁基軸力和樁基彎矩曲線

圖6　不同施工階段樁基軸力變化曲線

2.4施工過(guò)程中既有樁基軸力變化分析

樁基軸力變化為表征產(chǎn)生負(fù)摩阻力的重要指標(biāo)。區(qū)間隧道采用臺(tái)階法施工，上、下臺(tái)階錯(cuò)距為3～5 m。待左線隧道初支與二襯施作完成后，再開(kāi)挖右側(cè)隧道，左右線的錯(cuò)距不小于15 m。

選取4#承臺(tái)的4a樁基為研究對(duì)象，分析不同施工階段既有樁基軸力變化曲線，如圖6所示。

圖6為不同施工步序既有樁基軸力的變化，由圖6可知：

(1)隨著施工步序的推進(jìn)，既有樁基的軸力逐漸增大。隧道未開(kāi)挖至承臺(tái)位置到右線隧道上臺(tái)階開(kāi)挖至承臺(tái)位置，軸力增幅相對(duì)較大；右線隧道上臺(tái)階開(kāi)挖至承臺(tái)位置到隧道開(kāi)挖完成，軸力增幅較小，逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)各施工步序樁基軸力沿樁長(zhǎng)的變化趨勢(shì)基本一致，軸力最大值均位于隧道拱部。

(3)既有樁基上部軸力增幅較大，表現(xiàn)為樁基兩側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，樁基承載力衰減顯著。既有樁基下部軸力逐漸減小，表現(xiàn)為樁基兩側(cè)產(chǎn)生正摩阻力，有利于樁基穩(wěn)定性。

3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)對(duì)比

選取北京地鐵7號(hào)線某區(qū)間側(cè)穿既有橋梁樁基為工程背景，選取的地鐵區(qū)間沿朝陽(yáng)區(qū)廣渠門(mén)外大街設(shè)置，區(qū)間隧道采用馬蹄形斷面，開(kāi)挖寬度6.48 m，開(kāi)挖高度6.62 m，線間距為15.2 m。區(qū)間隧道側(cè)穿既有橋樁如圖7所示。

既有橋梁位于東三環(huán)交通主干路上，為10跨鋼筋混凝土連續(xù)梁立交橋，區(qū)間隧道從4#與5#橋墩中間側(cè)穿，區(qū)間隧道左右兩側(cè)距既有橋樁水平凈距分別為5.432 m和4.248 m。既有結(jié)構(gòu)采用柔性獨(dú)立柱式橋墩設(shè)計(jì)，既有橋梁樁基采用1.5 m×0.8 m矩形鋼筋混凝土樁，樁長(zhǎng)約21 m，樁體采用C30混凝土。

圖7　區(qū)間隧道與既有橋樁位置關(guān)系

選取4#和5#承臺(tái)樁基布設(shè)地表沉降測(cè)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)整理并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8和表2所示。

圖8　既有橋樁承臺(tái)地表沉降測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)編號(hào)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)/mm數(shù)值計(jì)算/mm吻合度/%DB14.584.4196.3DB24.724.4995.1DB33.353.2296.2DB43.383.3097.6

注：測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖8。

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算對(duì)比可以看出：

(1)承臺(tái)地表沉降實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的吻合度為95.1%～97.6%，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果基本吻合，也驗(yàn)證了數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的合理性。

(2)既有市政橋梁產(chǎn)權(quán)單位給出的地表差異沉降值為10 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果均滿足既有橋樁安全性要求。

4結(jié)論

(1)右線隧道開(kāi)挖引發(fā)的洞周地層位移與之前左線產(chǎn)生疊加效應(yīng)，兩隧道中部豎向位移表現(xiàn)為雙峰狀。

(2)隧道開(kāi)挖引起的既有樁體的位移響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)，沿樁長(zhǎng)的沉降值差值主要是由兩側(cè)側(cè)壓力差異引發(fā)的樁體彎曲。

(3)既有樁基沿X軸方向的位移呈“S”型，最大位移值位于樁頂，以隧道軸線為界，既有樁基X軸方向的位移模式不同。

(4)既有樁基Y軸方向的位移表現(xiàn)為拋物線型，左線隧道支護(hù)完成后開(kāi)挖右線隧道，對(duì)既有樁基力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生疊加。

(5)隧道開(kāi)挖引發(fā)洞周地層應(yīng)力釋放，導(dǎo)致既有樁基靠近隧道側(cè)地層側(cè)向壓力減小，樁體兩側(cè)地層側(cè)壓力不均衡導(dǎo)致樁體產(chǎn)生彎矩。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51108020);河北省教育廳科技計(jì)劃青年基金項(xiàng)目(QN2015062)

作者簡(jiǎn)介：黃鸝(1971-),女,湖北黃岡人,副教授,注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，碩士,主要從事土木工程方面的教學(xué)和科研工作.

收稿日期：2015-09-17

文章編號(hào)：1672-6871(2016)04-0066-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.014

中圖分類(lèi)號(hào)：U45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A