（1招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2國(guó)家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶 400067；3公路隧道建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067；4西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川成都 610031）

0 引言

當(dāng)隧道近鄰橋梁時(shí)，開(kāi)挖隧道會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定進(jìn)而影響橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。而盾構(gòu)隧道穿越鄰近橋梁時(shí)首先影響橋梁的樁基礎(chǔ)：隨著隧道的開(kāi)挖，巖體原有的地應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，盾構(gòu)開(kāi)挖面造成地層損失及應(yīng)力擾動(dòng)，引起圍巖變形，并作用于橋梁樁基上，使得樁基產(chǎn)生了不利變形和內(nèi)力，降低了其安全穩(wěn)定性。

目前對(duì)隧道穿鄰近橋梁樁基的研究方法主要有三種：模型試驗(yàn)法、解析法及數(shù)值方法等[1-4]，其中數(shù)值方法大多采用有限元法。通過(guò)有限元數(shù)值分析，Mroueh[5]發(fā)現(xiàn)隧道施工對(duì)樁基礎(chǔ)的影響與兩者的位置關(guān)系、兩者間距離等因素直接相關(guān)。柳厚祥[6]采用ANSYS軟件研究了不同條件下隧道開(kāi)挖對(duì)樁基的影響，如樁長(zhǎng)、樁的類別及鄰近隧道的距離，認(rèn)為隧道施工主要使樁基發(fā)生傾斜，且主要受隧道與樁基間距離及樁基持力層土強(qiáng)度的影響。王占生[7]對(duì)隧道盾構(gòu)施工對(duì)相鄰樁基的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，研究了鄰近樁基與地層土體之間的相互作用，并給出了減小樁基變形，保證樁基安全穩(wěn)定的措施。楊曉杰[8]基于廣州地鐵二號(hào)線工程，研究了隧道開(kāi)挖與鄰近樁基承載力之間的關(guān)系，認(rèn)為隧道開(kāi)挖下樁側(cè)摩阻力及樁端反力直接導(dǎo)致了樁基承載能力的改變。Maosong Huang[9]采用兩階段法（位移控制法），研究了在不同地層損失比下，隧道施工開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基礎(chǔ)（單樁及群樁）的影響。劉楓[10]采用ABAQUS軟件對(duì)隧道穿越樁基礎(chǔ)的具體工程實(shí)例進(jìn)行分析，研究了單樁及群樁下隧道開(kāi)挖影響的差異性，一定程度上指導(dǎo)了隧道工程施工?；谡w分析法，王麗[11]等對(duì)隧道盾構(gòu)施工進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，認(rèn)為盾構(gòu)開(kāi)挖影響范圍為三倍隧道直徑。朱逢斌[12]等通過(guò)建立三維模型，分別研究隧道在均質(zhì)土及分均質(zhì)土中的盾構(gòu)施工過(guò)程，分析了其對(duì)周圍樁基的影響規(guī)律。高偉[13]等采用FLAC3D軟件對(duì)廣州地鐵穿越立交橋工程進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，分析了橋梁承臺(tái)及樁基的變形規(guī)律，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。李寧[14]等研究了地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)不同區(qū)域樁基的影響，分析了圍巖變形規(guī)律及樁變形的影響因素。芮勇勤[15]等采用FLAC程序進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物樁基力學(xué)特性的影響。

綜合來(lái)看，目前大多數(shù)研究是針對(duì)平面范圍，且多半研究將數(shù)值模型進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，與實(shí)際差距較大。實(shí)際上盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基的影響因素眾多，是復(fù)雜的三維問(wèn)題。

本文以烏魯木齊地鐵一號(hào)線下穿烏準(zhǔn)鐵路橋工程為背景，建立三維數(shù)值模型，研究隧道盾構(gòu)施工對(duì)領(lǐng)近橋梁樁基的影響規(guī)律。并對(duì)比注漿加固前后橋梁樁基的沉降規(guī)律，進(jìn)而對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)：經(jīng)數(shù)值計(jì)算分析，認(rèn)為采取注漿加固措施能夠有效控制因盾構(gòu)施工引起的橋梁樁基沉降。

1 數(shù)值模型

1.1 隧道與橋梁位置關(guān)系

研究區(qū)域位于宣仁墩-大地窩站區(qū)間，該區(qū)間盾構(gòu)隧道主要穿越地層（自上而下）為：雜填土、粉土、卵石。根據(jù)詳勘報(bào)告，勘察期間勘探深度40m內(nèi)未見(jiàn)地下水，可不考慮地下水影響。其中隧道側(cè)穿烏準(zhǔn)鐵路橋時(shí)，盾構(gòu)穿越地層為卵石地層。

本次模擬的施工區(qū)域位于烏魯木齊市新市區(qū)，施工點(diǎn)位于安寧渠路與城北主干道交界西側(cè)300m左右的城北主干道上。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)將側(cè)穿烏準(zhǔn)鐵路橋樁。烏準(zhǔn)鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家I級(jí)，為雙線橋，隧道下穿范圍橋梁結(jié)構(gòu)型式為5墩4跨連續(xù)箱梁，梁支座為鋼支座。橋梁設(shè)計(jì)荷載P=9930kN，橋梁墩臺(tái)下設(shè)尺寸為11m×11.6m×3m的矩形承臺(tái)，承臺(tái)下有8～9根直徑1.5m的樁基，樁長(zhǎng)為30m，承臺(tái)距隧道頂部約5.5m。盾構(gòu)隧道穿越烏準(zhǔn)鐵路橋時(shí)加強(qiáng)對(duì)橋墩的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)預(yù)警值為±10mm。

隧道頂部埋深約9～22m，隧道內(nèi)徑Φ5500mm，外徑Φ6200mm，管片厚度為350mm。襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，錯(cuò)縫拼裝。隧道距離樁基最小水平距離為4.6m。橋樁與區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 橋樁與區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系圖

1.2 模型參數(shù)

本次數(shù)值計(jì)算采取三維模型進(jìn)行分析，根據(jù)詳勘資料，地層分為三層，表層為雜填土，表層以下為粉土及卵石土，因重點(diǎn)關(guān)注盾構(gòu)隧道對(duì)鄰近橋梁樁基沉降位移的影響，土體本構(gòu)模型采取莫爾庫(kù)倫模型，各層土體及相關(guān)材料參數(shù)見(jiàn)表1、表2所示。

表1 模型土體參數(shù)

表2 相關(guān)材料參數(shù)

模型的建立參照設(shè)計(jì)圖紙，采用通用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算。模型長(zhǎng)180m，寬114m，高45m，包含18萬(wàn)節(jié)點(diǎn)和58萬(wàn)單元。地層由實(shí)體單元模擬，分上、中、下三層，分別為雜填土、粉土和卵石，整體模型如圖2所示。承臺(tái)由實(shí)體單元模擬，樁由樁單元模擬；加固區(qū)和襯砌由殼單元模擬，隧道與樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖3所示。

圖2 整體模型圖

圖3 隧道與樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

2 計(jì)算工況

工程現(xiàn)場(chǎng)屬于地表淺層區(qū)域，上部為雜填土，下部為粉土、卵石土地層，由于模型應(yīng)力場(chǎng)較為復(fù)雜，在初始應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算中需要考慮橋樁及承臺(tái)的自重。在計(jì)算模型地應(yīng)力時(shí)首先施加重力及橋樁承臺(tái)上的壓力，求出模型的應(yīng)力，然后進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算，從而得到滿足平衡條件的模型初始應(yīng)力場(chǎng)。

隧道的開(kāi)挖根據(jù)工程實(shí)際，首先完成右線開(kāi)挖，等模型隧道右線全面貫通后，再開(kāi)挖隧道左線，掘進(jìn)進(jìn)尺為1.5m，開(kāi)挖采取循環(huán)步驟。

為了評(píng)估橋樁加固對(duì)隧道周邊圍巖及樁基變形的影響，分兩種工況進(jìn)行分析：（1）未對(duì)橋樁進(jìn)行注漿加固；（2）對(duì)橋樁進(jìn)行加固。

2.1 工況一：未對(duì)橋樁進(jìn)行注漿加固

計(jì)算過(guò)程采用分步模擬，隧道左右線均采取盾構(gòu)法進(jìn)行開(kāi)挖，具體如下：

（1）將開(kāi)挖圍巖材料改為null實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖；

（2）對(duì)掌子面施加土倉(cāng)壓力100kPa；

（3）施加盾構(gòu)機(jī)重量壓力180kPa；

（4）運(yùn)算20步模擬隧道瞬時(shí)沉降；

（5）施加殼單元模擬盾構(gòu)管片的安裝；

（6）繼續(xù)運(yùn)行程序模擬隧道開(kāi)挖引起的后續(xù)變形過(guò)程。

圖4右線隧道開(kāi)挖后不同時(shí)步下橋梁樁基的沉降云圖

圖4 為右線隧道開(kāi)挖后不同時(shí)步下橋梁樁基的沉降云圖，從圖中可以看出，由于右線隧道開(kāi)挖引起的卸載作用導(dǎo)致靠近隧道的樁基發(fā)生沉降位移，且隨著開(kāi)挖時(shí)步的逐漸增加，沉降值逐漸增大，最大位移值為1.66mm，遠(yuǎn)離隧道一側(cè)的樁基發(fā)生向上位移，最大值為1.05mm。這是由于隧道埋深較淺，隧道開(kāi)挖時(shí)土體的卸荷效應(yīng)相對(duì)明顯，隧道上方土體發(fā)生沉降，隧道下方土體產(chǎn)生隆起，近隧道一側(cè)樁基隨土體變形發(fā)生沉降，遠(yuǎn)離隧道一側(cè)由于受下方土體隆起影響較大，產(chǎn)生一定隆起，此現(xiàn)象說(shuō)明隧道開(kāi)挖引起領(lǐng)近樁基傾斜，給隧道工程安全帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。

計(jì)算結(jié)果顯示樁基礎(chǔ)最大沉降值為1.66mm，發(fā)生在右線掘進(jìn)通過(guò)后承臺(tái)靠近右線隧道測(cè)，最大隆起量為1.05mm。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)墩柱沉降量如表3所示，對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)兩者分布范圍相同，且樁基沉降最大值和隆起量差距很小，說(shuō)明數(shù)值模擬很好地模擬了實(shí)際地層變形過(guò)程，具有工程指導(dǎo)意義。

表3 墩柱沉降監(jiān)測(cè)值

圖5左線隧道開(kāi)挖后不同時(shí)步下橋梁樁基的沉降云圖

圖5 為左線隧道開(kāi)挖后樁基的沉降云圖，從圖中可以看出，左線隧道開(kāi)挖后，領(lǐng)近樁基沉降規(guī)律同右線隧道開(kāi)挖相似：臨近樁基發(fā)生沉降位移，且沉降值隨開(kāi)挖時(shí)步的增加逐漸增大，最大值為1.66mm；遠(yuǎn)離隧道一側(cè)樁基向上位移最大為1.03mm。

在隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中，由于樁基、承臺(tái)、土的相互作用，會(huì)引起臨近樁基內(nèi)力發(fā)生變化，產(chǎn)生附加彎矩進(jìn)而影響樁基穩(wěn)定。

為研究盾構(gòu)施工對(duì)臨近橋梁樁基的影響，分析了隧道開(kāi)挖引起的臨近樁基附加彎矩隨樁基深度的變化規(guī)律。為使結(jié)果具有代表性，本次分析共選取4根樁：3#承臺(tái)下離左線隧道最近的樁（編號(hào)1）、5#承臺(tái)下離右線隧道最近的樁（編號(hào)4）、4#承臺(tái)下離左、右線隧道最近的樁（編號(hào)2、3）。模型承臺(tái)底部高度為-7m，樁底部高度為-35m，隧道中軸線高度為-15m；沿樁身深度方向共取8個(gè)點(diǎn)，分別標(biāo)高-35m，-31m，-27m，-23m，-19m，-15m，-11m，-7m。

樁基附加彎矩隨樁基深度的變化規(guī)律如圖6所示。從圖6可以看出，隧道開(kāi)挖造成的樁基附加彎矩隨深度呈現(xiàn)出相似的規(guī)律：先隨著樁基深度的增加，附加彎矩逐漸增大，且均在隧道中軸線處達(dá)到最大值，其中1號(hào)和4號(hào)樁樁基附加彎矩達(dá)到120kN·m，2、3號(hào)樁樁基附加彎矩達(dá)到80kN·m。后當(dāng)樁基深度超過(guò)隧道中軸線時(shí)，樁基附加彎矩隨深度的增加逐漸減小，最小值達(dá)到6kN·m?？梢园l(fā)現(xiàn)3號(hào)樁呈現(xiàn)出與1號(hào)樁相同變化趨勢(shì)，右線隧道開(kāi)挖后引起圍巖應(yīng)力釋放，造成了臨近3號(hào)樁樁基應(yīng)力變化，左線隧道開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力調(diào)整程度小于先開(kāi)挖的右線隧道，因此樁基受右線隧道開(kāi)挖影響程度較大，使得3號(hào)樁附加彎矩與1號(hào)樁變化規(guī)律相同。

圖6 臨近樁基附加彎矩隨樁基深度的變化規(guī)律

從圖6樁基附加彎矩圖可知，隧道開(kāi)挖對(duì)臨近樁基產(chǎn)生了明顯的影響：在該工程里，樁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在盾構(gòu)施工過(guò)程中，樁基的上半部分受隧道開(kāi)挖擾動(dòng)影響大，而樁基下半部分受開(kāi)挖影響很小，并受到周圍土體的限制，因此整個(gè)樁基產(chǎn)生了彎曲變形。

2.2 工況二：對(duì)橋樁進(jìn)行注漿加固

盾構(gòu)從烏準(zhǔn)鐵路橋樁邊穿過(guò)，距離橋墩基礎(chǔ)很近，為確保橋樁穩(wěn)定，保證隧道施工的順利進(jìn)行，在相應(yīng)橋墩周圍施打復(fù)合錨桿樁對(duì)原有橋樁進(jìn)行加固注漿，維護(hù)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

復(fù)合錨桿樁加固范圍寬度為1m，距離隧道水平距離最小為1m，孔徑150mm，孔內(nèi)安裝錨桿（3根直徑20螺紋鋼），并采用注漿管進(jìn)行壓密注漿操作。

巖土加固范圍及位置同設(shè)計(jì)資料相同，模型各結(jié)構(gòu)尺寸均按設(shè)計(jì)參數(shù)選取，所建立的三維有限元模型如圖7所示。

為了研究注漿加固對(duì)樁基群的保護(hù)效果，給出了左、右線隧道開(kāi)挖后樁基群的沉降云圖，如圖8所示。從圖中可以看出，右線隧道開(kāi)挖引起的卸載作用導(dǎo)致臨近一側(cè)樁基發(fā)生沉降，遠(yuǎn)離隧道一側(cè)發(fā)生上浮，其中最大沉降值為1.31mm，沉降值較未對(duì)橋梁施加保護(hù)措施時(shí)有所減小，說(shuō)明采取的加固措施取得了較好的效果。

圖7 樁基加固數(shù)值模型

圖8 注漿加固后隧道開(kāi)挖引起的樁基沉降云圖

同樣，左線隧道開(kāi)挖后，臨近隧道一側(cè)樁基發(fā)生沉降，最大值為1.32mm，遠(yuǎn)離隧道一側(cè)樁基位移向上，最大值為0.9mm，說(shuō)明加固措施減小了樁基的撓曲變形，降低了隧道開(kāi)挖引起的橋梁傾斜安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。

圖9給出了左、右線隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降云圖。當(dāng)右線隧道開(kāi)挖完成時(shí)，如圖9（a）所示，隧道頂部土體由于開(kāi)挖卸載作用發(fā)生沉降，且影響范圍一直擴(kuò)散到地表，導(dǎo)致地表發(fā)生沉降，沉降最大值為0.76mm。

圖9 盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的地表沉降云圖

當(dāng)左線隧道開(kāi)挖完成時(shí)，如圖9（b）所示，隧道上方地表位移沉降進(jìn)一步擴(kuò)大，沉降位移達(dá)到0.79mm。說(shuō)明左、右線隧道開(kāi)挖均引起了地表發(fā)生沉降，但是最大值增長(zhǎng)較小，說(shuō)明右線隧道開(kāi)挖過(guò)程完成時(shí)地層應(yīng)力調(diào)整已經(jīng)基本完成，左線隧道繼續(xù)開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)力卸載作用較小，相應(yīng)引起的地表沉降增量較小。

樁基內(nèi)力在不同開(kāi)挖步會(huì)表現(xiàn)出不同特征，為了研究樁基時(shí)效內(nèi)力分布特性及加固措施對(duì)內(nèi)力分布特性的影響，給出了加固前后不同樁基樁身彎矩隨開(kāi)挖時(shí)步的變化規(guī)律，盾構(gòu)施工對(duì)近隧道軸線處樁基影響最大，同樣選取了3#承臺(tái)下離左線隧道最近的樁（編號(hào)1）、5#承臺(tái)下離右線隧道最近的樁（編號(hào)4）、4#承臺(tái)下離左、右線隧道最近的樁進(jìn)行分析（編號(hào)2、3），如圖10所示。從圖中可以看出，同一位置的樁基加固前后樁身彎矩變化規(guī)律類似，但加固后樁基受到隧道開(kāi)挖的影響有所減小，達(dá)到的最終彎矩值較加固前較?。簩?duì)1號(hào)樁基，由于180步之前隧道未開(kāi)挖至樁基處，因此對(duì)樁基影響很小，樁身彎矩基本未發(fā)生變化，從180步開(kāi)始，受盾構(gòu)施工影響，樁身彎矩迅速增大，且最終達(dá)到穩(wěn)定值；對(duì)4號(hào)樁基，規(guī)律同1號(hào)類似，但由于4號(hào)樁基受右線隧道開(kāi)挖影響，彎矩方向同1號(hào)恰好相反，且由于右線隧道先開(kāi)挖，打破最初的地應(yīng)力平衡狀態(tài)，對(duì)地層造成的擾動(dòng)最大，因此4號(hào)樁達(dá)到的彎矩值最大；對(duì)于2、3號(hào)樁基，可以看出受首先開(kāi)挖的右線隧道影響較大，樁身彎矩隨開(kāi)挖步變化規(guī)律與1號(hào)樁基類似，但由于2、3號(hào)樁基同時(shí)受左、右線隧道開(kāi)挖影響，當(dāng)左線隧道開(kāi)挖至近2、3號(hào)樁基時(shí)，受開(kāi)挖影響，樁身彎矩值有所減小并最終保持穩(wěn)定。

圖10 加固前后不同樁基樁身彎矩隨開(kāi)挖時(shí)步的變化規(guī)律

3 結(jié)論

采用有限元軟件較好地模擬了盾構(gòu)隧道對(duì)鄰近橋梁樁基群的影響，通過(guò)對(duì)比注漿加固前后樁基的沉降云圖，認(rèn)為采取注漿加固措施能夠有效地減小隧道施工對(duì)橋梁樁基群的影響。主要得到以下結(jié)論：

（1）基于設(shè)計(jì)勘察等資料，考慮盾構(gòu)施工對(duì)臨近橋梁樁基運(yùn)營(yíng)安全的影響，建立了完整的三維數(shù)值模型。

（2）盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，臨近隧道一側(cè)樁基發(fā)生沉降，遠(yuǎn)離隧道一側(cè)發(fā)生上浮，樁基受應(yīng)力卸載作用存在傾斜安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）隧道開(kāi)挖引起臨近樁基產(chǎn)生附加彎矩，且彎矩隨樁基深度的增加而增大，并在隧道中軸線處達(dá)到最大值。

（4）采取注漿加固措施后，樁基最大沉降值減小，說(shuō)明注漿加固措施能夠較好地維持樁基的穩(wěn)定，進(jìn)而保證近隧道開(kāi)挖的橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。

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