楊 贏 郭樹海 曹 牧 何余良

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興312000;2.中設設計集團有限公司，江蘇 南京210001)

隨著城市建設的不斷發(fā)展，地鐵隧道與橋梁相交的問題日益突出.任何對土體的擾動均會改變其原有狀態(tài)，對鄰近的地下構筑物產生影響.由于地鐵隧道開挖對土層擾動較大，目前較多的研究是分析地鐵隧道開挖對鄰近結構的影響.而橋梁大直徑樁群的施工和后期荷載的施加，對改變局部的應力分布狀態(tài)，也有著不可忽視的影響.新建立交橋與既有地鐵相交的問題日益突出.

地鐵正常運行對變形有嚴格的要求，如隧道結構最終絕對位移不能超過20 mm，變形曲率半徑不小于1/15 000，相對彎曲不大于1/2 500[1].因此，大直徑橋梁樁基對地鐵區(qū)間隧道的影響也逐漸受到人們的重視.馮龍飛[2]考慮樁周土體軟化對應力傳遞的影響，通過有限元模型分析了鉆孔灌注樁對既有地鐵結構的影響.徐濤[3]通過數(shù)值模擬研究了橋臺樁基對采用礦山法施工的地鐵隧道初期支護結構可能產生的影響，并給出了相應的保護措施.劉力英等[4]分析對比了平面應變模型和三維實體模型在模擬樁基對既有地鐵隧道的影響時的不同結果，指出三維模型更為合理.徐云福[5]對試樁過程中對試樁周圍土體深層水平位移、隧道結構豎向位移和沉降進行了現(xiàn)場監(jiān)測.樓曉明等[6-7]分析了高層建筑鉆孔灌注樁對跨越地鐵隧道時的影響，并結合工程實測對結果進行了分析.Lee[8]基于模型試驗和數(shù)值模擬，對樁基影響范圍進行了二維模型計算.閆靜雅[9]通過有限元方法對軟黏土中樁基礎荷載對鄰近已有隧道的變形及受力進行了參數(shù)敏感性分析.Cheng[10]采用位移控制模型進行了隧-土-樁的相互作用分析.

本文以104國道浦泗立交跨南京地鐵S8號線項目為背景，采用ABAQUS建立平面和三維有限元模型，對橋梁鉆孔灌注樁施工的全過程進行數(shù)值模擬，分析各階段樁基施工對地鐵隧道的水平、豎向位移及地表沉降的影響，以期為城市橋梁樁基施工提供參考和積累經驗.

1 工程概況

在浦泗立交與地鐵S8號線的相交處，共有主線橋、B匝道橋和C匝道橋三座橋梁.其中，主線橋標準斷面寬32 m，跨度58 m.C匝道橋標準寬度10 m，主線橋和C匝道橋上部結構均采用預應力鋼筋混凝土箱梁.B匝道橋為標準寬度20 m的曲線型鋼箱梁橋.橋梁下部基礎均采用端承式鉆孔灌注樁，樁徑1.5 m.在交叉處，地鐵S8號線以隧道形式下穿立交橋，洞頂埋深為10 m，雙洞中心間距15 m，隧道直徑6.2 m.本次計算選取橋梁樁基較為集中，且樁頂荷載較大的區(qū)域進行分析，包含的橋墩有主線橋2#墩和C匝道橋1#墩.計算區(qū)域平面位置如圖1所示.

圖1 計算區(qū)域平面圖

根據(jù)地鐵保護要求，樁基礎與地鐵隧道間距不小于5 m.在計算區(qū)域內，最小樁-隧間凈距為5.2 m，樁長均為17.0 m.其中主線橋2#墩樁頂承臺高度3 m，應適當考慮大體積承臺的影響.對于計算斷面1處，橋梁樁基與地鐵隧道位置及地層分布情況如圖2所示.

圖2 工程剖面圖

2 有限元建模

2.1 模型概況

根據(jù)地鐵隧道和樁基的相對位置，建立計算斷面一處平面有限元模型.模型尺寸為水平×豎向=60 m×50 m.土體頂面為自由面，約束體側向水平位移，底部為水平和豎向約束.通過接觸關系來定義土體與結構的相互作用.其中承臺底面和樁底與土體之間采用法向硬接觸，樁和承臺側面除法向接觸外還定義切向有摩擦接觸，摩擦系數(shù)按經驗取為0.4.土體和結構物均采用平面應變單元CPE8R模擬，整個模型共包含節(jié)點34 060個，單元32 330個.本文模型僅考慮荷載的靜力效應，且只針對樁基施工和樁頂荷載施加的過程，不涉及長期的地基沉降行為.有限元模型和網格劃分如圖3所示.

圖3 有限元模型網格

2.2 材料與荷載參數(shù)

樁基和承臺采用C40混凝土，視為理想彈性體，其物理力學參數(shù)依據(jù)規(guī)范取值.土體采用Drucker Prager塑性本構模型.根據(jù)現(xiàn)場鉆探結果，各土層地質參數(shù)如表1所示.在模型中，根據(jù)實際土體分層情況，分別對相應地層賦予材料屬性.

表1 各土層物理力學指標

土層重度γ/kN·m-3壓縮模量/MPa泊松比內摩擦角φ/°黏聚力c/kPa填土18.0100.38108粉砂19.616.530.3426.26.0粉質黏土119.75.680.38.621.5粉土19.96.710.3624.712.0粉質黏土220.15.610.39.427.5強風化砂質泥巖22.6260.33060中風化砂質泥巖23.4————

注：填土的物理力學參數(shù)按經驗取值

根據(jù)橋梁上部結構MIDAS整體建模計算結果，主線橋2#墩和C匝道橋1#墩的樁頂荷載分別為7 980 kN和7 700 kN.

2.3 模擬工況

樁基礎的施工是一個連續(xù)變化的過程，主要可以分為以下幾個工況：

1)初始地應力平衡，位移清零；

2)承臺及內側樁基開挖施工，鉆孔并泥漿護壁；

3)灌注內側樁基混凝土

4)外側樁基開挖施工，鉆孔并泥漿護壁；

5)灌注外側樁基及承臺混凝土

6)添加上部橋梁荷載.

在ABAQUS中采用MODEL CHANGE功能對各施工階段相應的結構部件、邊界條件、荷載和接觸關系進行激活或抑制.全過程考慮重力影響，鉆孔過程中泥漿的護壁作用通過施加靜水壓力的形式模擬.

3 計算結果

3.1 土體變形

圖4給出了在上部樁基荷載施加后土體的累計變形情況.由圖可知，土體豎向位移隨著深度的增加而減小，最大沉降出現(xiàn)在承臺頂面，為3.32 mm.主線橋2#墩樁基由于荷載量值大，其影響范圍明顯大于C匝道橋2號墩.由樁基引起的土體水平位移較小，主要發(fā)生在承臺附近，基本呈現(xiàn)對稱分布，最大水平位移1.07 mm.

(1)豎向位移

(2)水平位移圖4 土體最終累計位移云圖

3.2 隧道變形

圖5 給出了各施工階段地鐵區(qū)間隧道的最大水平和豎向位移的變化曲線.

圖5 不同施工階段隧道最大位移發(fā)展曲線

由此可知，隨著樁基施工，地鐵隧道的水平和豎向位移逐漸增大.隧道位移的發(fā)展主要分為兩個階段：(1)初始狀態(tài)到樁基混凝土灌注.一旦樁基開挖，隧道變形就產生了.在混凝土灌注和后續(xù)樁基施工過程中，由于泥漿護壁和混凝土灌注的填充作用，隧道水平和豎向位移基本維持在0.2～0.4 mm之間，增長較緩.(2)樁頂荷載施加.在這一階段，由于橋梁上部結構巨大的荷載作用，土體發(fā)生進一步沉降.其中豎向位移迅速增長，最大豎向附加沉降量為1.230 mm，為樁基施工完成時的2.76倍.最大水平附加位移量為0.691 mm，為樁基施工完成時的1.25倍，.由此可知，地鐵隧道的變形主要是由于橋梁上部結構荷載引起.

由于現(xiàn)場地質條件良好，計算所得的地鐵隧道變形量均小于安全限值10 mm.按此樁基布置，可以保證地鐵的安全運營.

4 三維有限元分析計算

已有研究結果表明，與平面有限元模型相比三維有限元能夠得到更為精確的計算結果[4].故本文在平面模型的基礎上，進一步采用三維有限元模型對橋梁樁基施工對鄰近地鐵隧道及其周圍土體的變形影響進行分析.三維模型計算范圍取樁基40 m范圍內的土體.橋梁樁基與地鐵隧道的模型如圖6所示.

圖6 結構模型

圖7給出了三維模型計算所得的土體最終累計變形情況.

(1)水平位移

(2)豎向位移圖7 三維模型土體最終累計變形

就地面變形而言，三維模型所得的水平和豎向位移分別為1.056 mm和3.155 mm，略小于二維模型計算結果，但相差較小.兩者變形規(guī)律一致.

表2給出了不同工況下二維和三維有限元模型計算所得隧道變形結果對比.

表2 二維和三維模型位移結果對比

工況三維模型二維模型水平/mm豎向/mm水平/mm豎向/mm30.303-0.2090.419-0.24640.316-0.2380.425-0.35650.321-0.2610.518-0.37360.357-0.2960.552-0.44570.512-1.0260.691-1.230計算耗時/s1 206.227.3

計算結果表明，三維模型的計算所得的地鐵隧道變形與平面模型的變化趨勢一致，但數(shù)值偏小，最大水平和豎向位移減小幅度分別為25.9%和16.6%.盡管三維模型計算的精度高于二維模型，但其計算效率均明顯低于平面模型，耗時為二維模型的44.1倍.因此，在工程應用中可優(yōu)先采用偏于安全的平面模型進行分析，當現(xiàn)場結構復雜或計算結果接近安全限值時，可采用三維模型進行校驗，以達到較好的經濟效果.

5 結論

本文基于ABAQUS軟件的MODEL CHANGE功能，模擬了立交橋梁大直徑鉆孔灌注樁施工全過程對鄰近地鐵隧道的影響.可以得出以下結論：

(1)上跨地鐵S8號線的浦泗立交橋梁樁基施工引起的地鐵隧道沉降和水平位移均在10 mm以內，按當前樁基布置形式能滿足地鐵保護要求.

(3)在施工過程中，樁基開挖和混凝土灌注對地鐵的影響較小.后期橋梁荷載引起的地基沉降是引起地鐵隧道變形的主要因素.應加強施工過程和后期運營階段對地鐵隧道變形的監(jiān)控.

(2)三維有限元模型計算所得結果要小于二維有限元結果.實際應用中必要時可采用三維有限元模型進行校驗.