(杭州市運(yùn)河綜合保護(hù)開發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市的高速發(fā)展，城市建設(shè)中高等級(jí)公路、地鐵隧道以及橋梁等工程規(guī)模得到空前擴(kuò)展，由于城市用地存在較大局限性，不可避免會(huì)出現(xiàn)橋隧相交問(wèn)題[1]。橋梁樁基礎(chǔ)施工過(guò)程會(huì)對(duì)既有隧道、建筑樁基以及施工區(qū)域周邊土體的變形產(chǎn)生影響，若施工前對(duì)樁基施工的影響研究不足，極易給橋梁與隧道工程留下安全隱患。因此深入研究樁基礎(chǔ)施工對(duì)橋隧相交工程的安全性具有重要意義[2-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于橋隧相交變形機(jī)理展開了大量研究[4]，如陳發(fā)東[5]討論了盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨近橋梁樁基及周圍土體的影響，分析盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有樁基變形及沉降的影響機(jī)理，并對(duì)盾構(gòu)引起周圍土體變形破壞(塑性)區(qū)演變特征進(jìn)行了研究。楊記芳[6]針對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道施工對(duì)高層建筑及樁基影響進(jìn)行數(shù)值分析，討論了盾構(gòu)側(cè)穿和下穿不同樁長(zhǎng)的樁基時(shí)建筑沉降及樁體變形差異。喬麗平[7]研究了地鐵安保區(qū)樁基施工對(duì)臨近地鐵隧道的影響，計(jì)算分析了管樁沉樁施工擠土效應(yīng)對(duì)地鐵隧道的變形影響。呂寶偉[8]通過(guò)數(shù)值與實(shí)測(cè)分析探討了超臨界橋樁基施工對(duì)既有隧道影響，得出管片位移、盾構(gòu)隧道拱頂最大沉降變形與徑向收斂變形均未超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)，模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符。

由于地域和施工條件不同，新建橋梁工程對(duì)既有隧道的影響存在差異性，已有研究成果對(duì)特定工程的指導(dǎo)價(jià)值具有局限性[9-10]。因此，針對(duì)某明挖隧道近距離樁基礎(chǔ)施工案例，基于有限元方法，模擬橋梁樁基礎(chǔ)施工過(guò)程對(duì)既有隧道拱底變形、襯砌位移、地表沉降及樁周土體位移的影響，研究為確保該隧道的運(yùn)營(yíng)安全提供理論數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概括

某城市主干道公路規(guī)劃設(shè)計(jì)為雙向四車道，行車荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，主要連接南北向交通。修建過(guò)程中需跨越既有地鐵隧道，該隧道施工方法為明挖法，隧道基礎(chǔ)采用片石混凝土基礎(chǔ)，并已進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段，整體沉降和受力已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)隧道施工記錄數(shù)據(jù)顯示，隧道拱頂距離地面僅4.5 m，若直接在隧道上方進(jìn)行道路施工，后期運(yùn)行時(shí)隧道結(jié)構(gòu)不僅需要承受路基結(jié)構(gòu)自重，還需要承受日益增大的行車荷載作用，在長(zhǎng)期作用下極易對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響，同時(shí)考慮公路使用年限要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隧道使用年限，為防止后期路基維護(hù)及加固施工給隧道帶來(lái)更大影響，擬采用跨隧架橋的方式。

橋梁設(shè)計(jì)全長(zhǎng)32.5 m，橋面寬度為27 m，單幅橋?qū)挾葹?2.5 m，包括2×3.75 m(行車道)+3.5 m(人行道)+1.5 m(綠化帶)，預(yù)制箱梁頂板寬度為2.2 m，高度為1.8 m，支撐處頂板厚度為0.2 m，底板和腹板厚度為0.3 m，跨中處頂板、底板和腹板均為0.2 m，采用濕接縫連接小箱梁，在支點(diǎn)和跨中位置設(shè)置橫梁。樁基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁，直徑為1.5 m，樁長(zhǎng)為18 m，開挖方式為每挖深1.5 m進(jìn)行一次支護(hù)，直到達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，兩側(cè)樁基礎(chǔ)距離隧道均為5.8 m，東西隧道寬度為6 m，間距為3.5 m，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 樁基礎(chǔ)與隧道結(jié)構(gòu)布置圖(單位：m)Figure 1 Pile foundation and tunnel structure layout(Unit:m)

2 有限元模型

為研究橋樁基礎(chǔ)施工對(duì)地鐵隧道的影響，通過(guò)運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立樁基礎(chǔ)與隧道數(shù)值模型，計(jì)算模型中X方向?yàn)楣沸旭偡较?，選取寬度為60 m，Y方向?yàn)樗淼佬旭偡较?，選取長(zhǎng)度為60 m，Z方向?yàn)闃痘A(chǔ)豎直方向，選取深度為30 m，模型共包含13 818個(gè)單元、3 984個(gè)節(jié)點(diǎn)，其有限元模型如圖2所示。

圖2 橋樁基礎(chǔ)施工有限元示意圖Figure 2 Finite element diagram of pile foundation construction of bridge

由于巖土體為非連續(xù)介質(zhì)，其本構(gòu)關(guān)系和邊界條件均比較復(fù)雜，在進(jìn)行豎直模擬是需對(duì)模型進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：建模時(shí)不考慮隧道開挖的影響，采用等效作用力代替土方開挖的作用；計(jì)算時(shí)不考慮地下水的作用。模型中采用摩爾-庫(kù)侖模型模擬地層，各向同性彈性模型模擬隧道襯砌，樁基礎(chǔ)開挖采用空模型模擬。建模時(shí)根據(jù)地質(zhì)分布情況進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由上而下依次劃分為5 m粉質(zhì)粘土層、3.5 m碎石土層、6.5 m粉土層以及15 m泥質(zhì)粉砂巖層，土體材料參數(shù)如表1所示。

表1 土體材料參數(shù)表Table1 Soilmaterialparametertable土層重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)彈性模量/kPa泊松比粉質(zhì)粘土193016280.27碎石土201930210.2粉土193318230.3泥質(zhì)粉砂巖252245650.22

3 樁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道的影響

通過(guò)運(yùn)用有限元軟件建立樁基礎(chǔ)開挖深度分別為0、6、12、18 m的數(shù)值模型，并針對(duì)不同樁基礎(chǔ)開挖深度的隧道拱底、隧道襯砌、地表以及樁周土體的變形規(guī)律展開對(duì)比分析，具體分析過(guò)程如下。

3.1 隧道拱底變形分析

為研究樁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道拱底變形的影響，分別針對(duì)不同施工階段東西雙向隧道拱底位移變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，得到隧道拱底位移變化曲線如圖3所示。

圖3 隧道拱底豎向位移變化曲線Figure 3 Variation curve of vertical displacement of tunnel arch bottom

根據(jù)圖3可知，樁基礎(chǔ)未進(jìn)行開挖時(shí)，隧道拱底出現(xiàn)較小的豎向位移變化，最大值約為0.4 mm，這是由于上部土方開挖引起的。東向隧道隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增大，隧道拱底的豎向位移呈先增后減趨勢(shì)變化，其中越靠近樁基礎(chǔ)施工區(qū)域，隧道拱底隆起變形越大。樁基礎(chǔ)開挖至6 m時(shí)，隧道拱底豎向位移變化趨勢(shì)出現(xiàn)一定程度增大，最大值約為0.7 mm，相對(duì)于未開挖時(shí)隧道拱底豎向位移增大了約0.3 mm，樁基礎(chǔ)開挖至12 m時(shí)，隧道拱底豎向位移增大趨勢(shì)較為明顯，最大值達(dá)到1.2 mm，相對(duì)于開挖至6 m時(shí)增大了約0.5 mm，分析原因是樁基礎(chǔ)施工至12 m左右深度范圍時(shí)，右邊距離隧道較近，因此在該區(qū)域開挖對(duì)隧道拱底豎向位移影響最大，樁基礎(chǔ)開挖至18 m時(shí)，隧道拱底豎向位移變化趨勢(shì)有所降低，最大值約為0.95 mm，相對(duì)于施工至12 m時(shí)減小了約0.25 mm，說(shuō)明在靠近隧道區(qū)域進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工時(shí)隧道拱底變形較大。西向隧道不同樁基礎(chǔ)開挖過(guò)程中隧道拱底豎向位移變化規(guī)律與東向隧道呈對(duì)稱分布，隧道拱底變形趨勢(shì)大致相似。

3.2 隧道襯砌位移的影響

以兩幅橋梁中心線為基準(zhǔn)，隧道左右延伸距離為±30 m，分別針對(duì)不同施工階段東西雙向隧道襯砌位移變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，得到東西隧道左右拱腰位移變化曲線如圖4所示。

圖4 隧道左右拱腰位移變化曲線Figure 4 Displacement curve of left and right arch waist of tunnel

根據(jù)圖4可知，東、西隧道中的左、右拱腰位移變化均呈對(duì)稱分布，隧道拱腰變形趨勢(shì)大致相似。東向隧道隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增大，隧道右拱腰的水平位移呈先增后減趨勢(shì)變化，其中越靠近樁基礎(chǔ)施工區(qū)域，隧道拱腰水平變形越大。樁基礎(chǔ)未進(jìn)行開挖時(shí)，隧道右拱腰出現(xiàn)較小的水平位移變化，最大值約為1.2 mm，這是由于上部土方開挖引起的，樁基礎(chǔ)開挖至6 m時(shí)，隧道右拱腰水平位移變化趨勢(shì)出現(xiàn)一定程度增大，最大值約為2.2 mm，相對(duì)于未開挖時(shí)隧道右拱腰水平位移增大了約1 mm，樁基礎(chǔ)開挖至12 m時(shí)，隧道右拱腰水平位移增大趨勢(shì)較為明顯，最大值達(dá)到3.7 mm，相對(duì)于開挖至6 m時(shí)增大了約1.5 mm，分析原因是樁基礎(chǔ)施工至12 m左右深度范圍時(shí)，右邊距離隧道較近，因此在該區(qū)域開挖對(duì)隧道右拱腰水平位移較大，樁基礎(chǔ)開挖至18 m時(shí)，隧道右拱腰水平位移變化趨勢(shì)有所降低，最大值約為3 mm，相對(duì)于施工至12 m時(shí)減小了約0.6 mm，說(shuō)明在離隧道較遠(yuǎn)區(qū)域進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工時(shí)對(duì)隧道襯砌變形影響較小，而在靠近隧道區(qū)域進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工時(shí)隧道襯砌變形較大。

3.3 地表沉降的影響

以東西隧道中心線為基準(zhǔn)，樁基礎(chǔ)施工范圍為40 m，分別針對(duì)不同施工階段地表沉降變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，得到地表沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 不同開挖深度-地表沉降變化曲線Figure 5 Variation curve of ground subsidence with different excavation depth

根據(jù)圖5可知，隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增大，地表施工區(qū)域沉降值呈不斷增大趨勢(shì)變化，其中靠近樁基礎(chǔ)施工區(qū)域地表沉降值較大。當(dāng)樁基礎(chǔ)開挖至6 m時(shí)，施工區(qū)域地表沉降出現(xiàn)較大幅度的增大，最大達(dá)到-7.5 mm，相對(duì)于未開挖時(shí)增大了約-6.6 mm，樁基礎(chǔ)開挖至12 m時(shí)，地表沉降值再次出現(xiàn)增長(zhǎng)，最大值為-9.8 mm，相對(duì)于開挖至6 m時(shí)增長(zhǎng)了約-2.3 mm，當(dāng)樁基礎(chǔ)開挖深度超過(guò)12 m后，地表沉降值不再隨開挖深度而變化，說(shuō)明樁基礎(chǔ)開挖對(duì)施工區(qū)域地表沉降具有一定影響，但樁基礎(chǔ)開挖達(dá)到一定深度后，地表沉降將不再受開挖深度的影響。

3.4 樁周土體位移的影響

以隧道左右兩邊樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為基準(zhǔn)，針對(duì)不同開挖深度樁基礎(chǔ)周邊土體的水平位移進(jìn)行對(duì)比分析，得到樁周土體水平位移變化曲線如圖6所示。

圖6 樁基礎(chǔ)周邊土體位移變化曲線 Figure6 Displacementcurveofsoilaroundpilefoundation

根據(jù)圖6可知，隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增加，左、右樁基礎(chǔ)周邊土體水平位移呈對(duì)稱分布。當(dāng)樁基礎(chǔ)開挖深度小于11 m時(shí)，樁周土體水平位移均隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的加深而增大，開挖深度為6、12、18 m時(shí)，樁周土體最大水平位移均出現(xiàn)在地表位置，最大值分別為4、4.5、4.9 mm，說(shuō)明樁基礎(chǔ)開挖對(duì)靠近地表的樁周土體水平位移影響較大。樁基礎(chǔ)開挖深度超過(guò)12 m時(shí)，左、右樁基礎(chǔ)周邊土體水平位移均不再受開挖深度的影響，說(shuō)明樁基礎(chǔ)開挖進(jìn)行至隧道下方后，樁基礎(chǔ)施工對(duì)樁周土體水平位移不再有影響。

4 結(jié)論

以某橋梁跨越地鐵隧道工程為研究背景，通過(guò)運(yùn)用有限元軟件模擬橋樁基礎(chǔ)開挖過(guò)程，并針對(duì)樁基礎(chǔ)不同開挖深度對(duì)隧道拱底、隧道襯砌、施工區(qū)域地表以及樁周土體變形展開對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

a.在橋梁樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中，東西雙向隧道拱底、隧道左、右拱腰以及樁基礎(chǔ)周邊土體變形規(guī)律均呈對(duì)稱分布；隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增大，隧道拱底豎向位移和隧道拱腰水平位移均呈先增后減趨勢(shì)變化，在靠近隧道附近開挖時(shí)對(duì)隧道拱底和拱腰的變形影響最大；樁基礎(chǔ)開挖深度小于12 m時(shí)，地表沉降隨著開挖深度的增大而變大，開挖深度超過(guò)12 m后，地表沉降受開挖深度的影響較小。

b.樁基礎(chǔ)開挖深度小于12 m時(shí)，樁周土體水平位移均隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的加深而增大，開挖深度超過(guò)12 m時(shí)，左、右樁基礎(chǔ)周邊土體水平位移均受開挖深度的影響較小。該研究成果可為類似橋梁跨越隧道工程提供參考與借鑒。