許桂生

(青海省公路科研勘測設(shè)計院， 青海 西寧 810000)

1 引言

為了改善城市擁堵的交通狀況，城市公路隧道作為新型的城市交通方式已出現(xiàn)在中國很多的大中型城市當(dāng)中。城市地下公路隧道修建環(huán)境相對復(fù)雜，隧道施工往往會遇到近接橋梁樁基的情況，特別是軟弱地層下大跨淺埋暗挖隧道施工，會引起較大地層擾動，導(dǎo)致樁基發(fā)生較大沉降變形，若橋梁基礎(chǔ)的沉降超過容許值，將使橋梁出現(xiàn)損傷或使已存在的損傷加劇，影響橋梁的安全。因此分析隧道近接施工對橋梁樁基變形的影響，并采取有效的防護(hù)措施保障橋梁承載狀態(tài)的正常安全，對保護(hù)既有結(jié)構(gòu)安全具有十分重要的意義。

目前關(guān)于隧道近接既有橋梁結(jié)構(gòu)施工的相關(guān)研究相對較多，徐長節(jié)等 、周正宇等、吳賢國等、周濟民等、劉可玉、劉衛(wèi)等、蔣華春等基于數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測，研究了地鐵盾構(gòu)隧道近接橋梁基礎(chǔ)施工對橋梁基礎(chǔ)變形的影響，并提出了相應(yīng)的變形控制措施；蘇潔 、高偉等研究了城市淺埋暗挖隧道施工對橋梁基礎(chǔ)的影響，基于影響規(guī)律提出了對橋梁基礎(chǔ)的保護(hù)措施；鄧稀肥等研究富水流砂地層隧道CRD法施工對橋梁及燃?xì)夤芫€變形的影響，并提出了相應(yīng)的變形控制技術(shù)；凌同華等采用有限差分軟件FLAC3D分析了下穿隧道不同施工方法的施工過程對橋墩樁基變形的影響，表明下穿隧道采用頂弧側(cè)壁法能夠有效地控制橋樁位移。已有研究大多集中于地鐵暗挖隧道施工對橋梁基礎(chǔ)變形的影響，而對于軟弱地層下大跨淺埋暗挖雙線公路隧道近接橋梁樁基的工程案例研究較少，且目前對于隧道近接橋梁施工影響控制措施偏向于定性研究，而對于隧道近接橋樁施工安全控制措施量化的研究成果甚少，有必要對其開展相關(guān)研究。

該文依托某實際工程，基于Abaqus軟件建立橋-隧三維流固耦合數(shù)值模型，對隧道近接橋梁樁基段施工進(jìn)行模擬，得到大跨淺埋暗挖公路隧道施工對地層、橋梁樁基的影響，并研究高壓旋噴樁加固措施對橋梁樁基變形的影響。

2 工程概況

某隧道為雙線分離式淺埋暗挖隧道，隧道性質(zhì)為城市公路隧道，隧道單洞開挖高度10.48 m、開挖寬度13.53 m，隧道采用CRD工法，東西線同時側(cè)穿橋梁樁基，隧道拱頂最小覆土厚度8.3 m，橋梁采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基長度26 m，間距2 m×2 m，西線隧道距離最近樁基僅5.8 m，東線隧道距離最近樁基僅5.85 m。橋梁樁基段地層構(gòu)造由上至下依次為粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土混碎石、強風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖，含水量較高，圍巖等級為Ⅴ級，地下水位距地表以下7 m。隧道與橋梁樁基位置圖見圖1。

圖1 隧道與橋梁樁基位置圖(單位：m)

3 隧道近接橋樁施工模擬

3.1 計算模型建立

該隧道模型橫截面方向橫向為150 m，豎向上部取至地表面，豎向總高度50 m，沿隧道縱向深度為60 m。土體選用彈塑性本構(gòu)模型，初期支護(hù)、樁基計算中設(shè)置為彈性材料。土體、初襯均采用實體單元模擬，錨桿采用桿單元模擬，模型共劃分105 300個單元。模型兩側(cè)及底部為不透水邊界，計算時地下水位取自地表以下7 m，初期支護(hù)的滲透系數(shù)較小，可近似于不排水界面；隧道正常掘進(jìn)狀態(tài)下，開挖面設(shè)為透水邊界。各巖土層及襯砌材料物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

3.2 計算結(jié)果分析

重點分析隧道掘進(jìn)通過橋梁段的最終累積變形，此處只對最后的計算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的研究分析。提取開挖后圍巖體豎向位移，隧道掌子面的縱向擠出位移與橋梁樁基位移結(jié)果如圖2～4所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖2 圍巖豎向位移分布(單位：m)

由圖2～4可知：

(1) 隧道開挖后拱部上方一定區(qū)域內(nèi)圍巖產(chǎn)生向下的位移，最大沉降值發(fā)生在拱頂處，約為-61.1 mm，遠(yuǎn)超過設(shè)計要求的30 mm。由于穿越橋梁段地層含水率高，隧道開挖施工對地層擾動大，引起較大地層變形，在施工過程中需采取合適的工程措施來控制層變形的發(fā)展，避免地層變形造成過大的樁基差異沉降，影響橋梁的安全使用。

圖3 隧道掌子面擠出位移分布(單位：m)

圖4 橋梁樁基沉降變形(單位：m)

地

(2) 在隧道掘進(jìn)施工過程中，東西線隧道掌子面圍巖均產(chǎn)生較大擠出位移，最大擠出位移出現(xiàn)在掌子面核心部位，約為13.5 mm，擠出位移值較大。因此，在施工過程中，應(yīng)注意控制掌子面的變形，維持掌子面的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)坍塌的情況。

(3) 樁基沉降變形在靠近隧道兩側(cè)達(dá)到最大，向內(nèi)側(cè)逐漸減小，兩側(cè)樁基沉降明顯大于中部樁基，最大沉降為-10.9 mm，樁間最大差異沉降為7.8 mm，大于4 mm，不滿足規(guī)范要求，橋梁樁基間差異沉降較大，有可能使橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，給上部結(jié)構(gòu)的安全使用帶來風(fēng)險。

綜上所述，隧道近接橋梁施工過程中應(yīng)采取適宜的變形控制方案，減小隧道施工地層變形對橋梁樁基的影響，保證橋梁的正常使用，降低施工風(fēng)險。

4 隧道近接橋樁施工影響控制措施

基于上文數(shù)值計算圍巖及橋梁樁基變形規(guī)律，結(jié)合工程地質(zhì)特點，從隧道地層變形控制及樁基變形控制角度出發(fā)，現(xiàn)場擬采用如下施工技術(shù)措施：

(1) 為保證橋梁安全，在橋樁與隧道之間布置2排直徑φ1 000 mm高壓旋噴樁，加固深度30 m，加固寬度3 m，以隔離阻斷隧道施工引起的地層變形向橋樁傳播，保證橋樁的摩擦力不受損失，確保橋梁安全。

(2) 在洞內(nèi)采用超前小導(dǎo)管(φ42 mm)及超前中管棚(φ89 mm)對軟弱圍巖進(jìn)行加固處理，隧道洞周加固圈厚度為2 m，以改善圍巖質(zhì)量在隧道拱部形成大剛度的承載拱，從源頭上抑制地層變形的發(fā)展。

為了討論現(xiàn)有加固設(shè)計方案在設(shè)計上是否存在優(yōu)化的可行性，進(jìn)一步研究高壓旋噴樁加固對橋梁樁基穩(wěn)定性的影響規(guī)律，優(yōu)化加固參數(shù)，以上述仿真模型為基礎(chǔ)，在原加固方案基礎(chǔ)上(加固寬度3 m，加固深度30 m)，首先在原方案加固深度不變的情況下，研究加固寬度分別取1、1.5、2、2.5、3 m時對樁基變形穩(wěn)定性的影響(圖5)，結(jié)合安全性對注漿加固寬度進(jìn)行優(yōu)化，得到合理的加固寬度值，然后控制優(yōu)化后的加固寬度不變，進(jìn)一步研究加固深度分別取5、10、15、25、30 m時對橋梁樁基變形的影響規(guī)律(圖6)，從經(jīng)濟上和安全性考慮對加固深度進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 加固寬度對樁基位移影響

由圖5、6可知：

(1) 樁基最大沉降差和水平位移隨著加固寬度增加而減小，樁基水平位移普遍小于橋梁樁基水平位移允許值(10 mm)，因此分析橋梁安全性時主要以樁基沉降差值為依據(jù)，樁基水平位移值為輔助依據(jù)。隧道開挖完成后，加固寬度為1、1.5、2、2.5、3 m下的樁基最大沉降差為6.5 mm，超過橋梁樁基沉降差允許值4 mm，加固寬度為2～2.5 m時，樁基最大沉降差和水平位移下降最為明顯，且在加固寬度為2 m時，樁基最大沉降差為4.5 mm，超過橋梁樁基沉降差允許值4 mm。隨著加固寬度繼續(xù)增加，樁基最大沉降差和水平位移減小幅度逐漸變小，由2.5 m增加到3 m變化幅度微小?？紤]加固寬度對樁基最大沉降差和水平位移的影響，2.5 m的加固寬度為加固“極限值”。

圖6 加固深度對樁基位移影響

(2) 樁基最大沉降差和水平位移隨著加固深度增加而減小。隧道開挖完成后，加固深度為5、10、15、25、30 m下的樁基最大沉降差為7.6 mm，最大水平位移為-10.8 mm。加固深度為20～25 m變化時，樁基最大沉降差和水平位移下降最為明顯，且在加固深度為20 m時，樁基最大沉降差為5.2 mm，超過橋梁樁基沉降差允許值4 mm。隨著加固深度的繼續(xù)增加，樁基最大沉降差和水平位移減小幅度逐漸變小，由25 m增加到30 m變化幅度微小?？紤]加固深度對樁基最大沉降差和水平位移的影響，25 m的加固深度為加固“極限值”。加固寬度的合理取值為2.5 m左右，加固深度合理取值為25 m左右。

5 基于現(xiàn)場實測的施工安全控制效果分析

采用優(yōu)化后的加固參數(shù)應(yīng)用于實際工程加固，現(xiàn)場對隧道洞周進(jìn)行加固，隧道洞周加固圈厚度為2 m，隧道與橋梁樁基之間采用高壓旋噴樁加固(加固寬度為2.5 m，加固深度為25 m)。

為方便分析隧道施工對橋梁樁基的影響，對橋梁樁基進(jìn)行編號(圖7)，對于橋梁的南北橋墩4排樁基，編號自北向南依次為1～4；對于每排12根樁基，編號自東向西依次為1～12。提取隧道開挖完成時橋樁樁頂沉降和樁基水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為研究方便，對南北橋墩東西最外側(cè)樁基進(jìn)行編號，南北橋墩東側(cè)最外側(cè)樁基編號由北向南依次為①～④，西側(cè)最外側(cè)樁基編號由北向南依次為⑤～⑧，提取各樁的監(jiān)測結(jié)果如圖8～10所示。

圖7 樁基編號

圖8 樁基沉降

由圖8～10可知：靠近隧道兩側(cè)樁基(1、12號樁基)的沉降值要明顯大于內(nèi)側(cè)樁基的沉降值，樁基最大沉降僅為-8.9 mm，且發(fā)生在北側(cè)橋墩的西側(cè)12號樁基。各墩樁間差異沉降由兩側(cè)向中間遞減，墩樁間最大差異沉降約為2.2 mm，小于4 mm，滿足規(guī)范要求。在隧道施工影響區(qū)域內(nèi)，樁基下部(7 m至樁底位置)朝向隧道側(cè)水平位移較大，樁基上部幾乎無水平向變形，1號樁19.5 m處樁基出現(xiàn)最大水平位移僅為4.6 mm，小于橋梁樁基水平位移限值10 mm，滿足規(guī)范要求。

圖9 樁間差異沉降

綜上所述，在整個隧道段施工過程中，現(xiàn)場采用的加固措施達(dá)到了預(yù)期的工程加固效果，有效地控制了樁基變形，橋樁變形在安全范圍以內(nèi)。

圖10 橋樁基水平位移

提取隧道穿越橋梁段施工完成時的樁基變形實測值(樁基沉降和水平位移)與數(shù)值計算值對比如圖11、12所示。

圖11 樁基沉降對比

圖12 樁基水平位移對比

從圖11、12可得：有限元模擬計算樁基沉降值和水平位移值與監(jiān)測結(jié)果比較吻合，且計算結(jié)果大于監(jiān)測結(jié)果，說明計算結(jié)果較安全且合理，滿足工程需要。

6 結(jié)論

基于Abaqus軟件建立橋-隧三維數(shù)值計算模型，對城市公路隧道近接橋梁樁基段施工進(jìn)行模擬，得到大跨淺埋暗挖公路隧道施工對地層、橋梁樁基變形的影響規(guī)律，并研究了高壓旋噴樁加固措施對橋梁樁基變形的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 軟弱地層隧道施工對橋梁樁基變形影響較大，靠近隧道兩側(cè)樁基變形明顯大于中部樁基，且最大樁基差異沉降值遠(yuǎn)超規(guī)范允許值，需采取有效變形控制措施。

(2) 增大高壓旋噴樁加固參數(shù)(加固深度和寬度)對減小橋梁樁基位移效果較為明顯，但加固寬度和深度都存在“極限值”，考慮安全與經(jīng)濟，得到工程合理的加固寬度為2.5 m，合理加固深度為25 m。

(3) 結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，隧道施工完成后，橋梁墩樁間最大差異沉降約為2.2 mm，樁基最大水平位移僅為4.6 mm，橋樁變形在安全范圍以內(nèi)。