王 磊，駱建軍，高立平，李飛龍，姜 偉

(1. 北京交通大學(xué) a. 地下工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室, b. 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044；2. 中國水利水電第七工程局有限公司 南方分公司, 廣東 深圳 518131)

地鐵在城市建設(shè)發(fā)展中占有舉足輕重的地位.在地鐵建設(shè)過程中，隧道穿越既有橋梁的情況不可避免，施工擾動會引起樁基沉降、承載力降低[1]等可能影響橋梁正常使用問題.

當(dāng)前，隧道穿越施工對既有橋梁的影響受到廣泛重視.在橋樁穩(wěn)定性研究方面，文獻(xiàn)[2]研究了軟土地層中隧道穿越施工對臨近樁基的影響.文獻(xiàn)[3-7]研究了隧道與橋梁在正交情況下，隧道施工方法對橋樁穩(wěn)定性的影響.文獻(xiàn)[8-9]研究了隧道近距離施工對橋樁承載力的影響.文獻(xiàn)[10]研究了樁基沉降量與承載力之間的關(guān)系.在橋梁變形方面，文獻(xiàn)[11-12]分析了隧道下穿對橋梁樁基的影響規(guī)律.文獻(xiàn)[13]探究了地層變形對不同位置樁基的影響.文獻(xiàn)[14]研究了不同隧道埋深下穿越施工對橋梁結(jié)構(gòu)、線路等影響，研究結(jié)果表明，樁基沉降變形隨隧道埋深增大而增大.文獻(xiàn)[15]研究了近距施工對地表變形和樁基的影響.文獻(xiàn)[16]通過數(shù)值方法對地鐵隧道斜穿施工對城市立交橋梁上部結(jié)構(gòu)沉降變形規(guī)律進(jìn)行了研究，并制定出適用于工程的變形控制標(biāo)準(zhǔn).此外，文獻(xiàn)[13,17-20]對隧道穿越既有橋梁過程中的防護(hù)措施進(jìn)行了研究.

目前，相關(guān)研究主要針對橋-隧道正交或平行的情形，對斜穿施工的研究較少.受橋梁地上、地下結(jié)構(gòu)共同作用，樁基變形及內(nèi)力分布更加復(fù)雜，因此有必要研究斜穿施工對既有橋樁的影響.本文作者以深圳地鐵某礦山法隧道斜穿興海大道立交橋工程為依托，采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬方法，對不同埋深樁身位移方向、彎矩及軸力變化規(guī)律進(jìn)行定量研究，同時(shí)還分析了不同因素對降低橋梁沉降變形的影響程度.研究成果可以為今后類似工程提供參考.

1 工程概況

深圳地鐵環(huán)中線南延段赤灣站—大南山站區(qū)間隧道全長1.3 km，斜穿興海大道立交.興海大道立交為分離式3跨簡支梁橋，鉆孔灌注樁樁基，直徑d=1.0 m，橋樁長度相差較大.橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，其中地梁厚度為1.5 m.隧道走向與橋梁中線的夾角為62°，區(qū)間隧道與橋梁位置關(guān)系示意見圖1.

表1 橋梁結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

為便于后文分析，樁按自左向右順序依次編號，樁基與隧道位置關(guān)系示意見圖2.1#樁距左線3.1 m，2#、7#樁距右線隧道分別為2.5、2.1 m，拱頂?shù)綐抖俗钚【嚯x僅0.2 m.1#橋墩1#～7#樁基平面布置見圖3，右幅與左幅相同，這里不再贅述.由于文章篇幅原因，本文僅針對1#墩樁進(jìn)行分析.

區(qū)間隧道采用礦山法施工，隧道斷面為馬蹄形斷面，凈高6.47 m，凈跨6.2 m，拱頂埋深為12.2 m.地層依次為人工填土層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層和微風(fēng)化花崗巖地層，隧道位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層中.隧道施工采用全斷面法，開挖進(jìn)尺為5 m，先進(jìn)行左線施工、后右線施工，兩掌子面間距約10 m.

在隧道施工階段，使用?42 mm、壁厚3.5 mm的無縫鋼管進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿；對隧道開挖輪廓線外3.0 m范圍內(nèi)的地層進(jìn)行注漿加固.初期支護(hù)采用C25噴射混凝土+格柵鋼架，厚度為0.2 m；二襯采用厚度為0.3 m、C35模筑鋼筋混凝土.

2 模型建立

本文采用ABAQUS建立三維有限元模型，模型尺寸為110 m×81 m×40 m，有限元模型及橋隧位置平面圖見圖4.由于在施工期間實(shí)施交通管制，不考慮車輛等移動荷載，僅考慮橋梁、地層自重作用.為降低計(jì)算成本，對橋梁進(jìn)行簡化，將簡支梁自重等效為作用在蓋梁頂部的均布面力，取200 kPa.

地層物理力學(xué)參數(shù)可由勘察報(bào)告獲得，見表2.地層采用摩爾-庫倫關(guān)系模擬，橋梁、隧道結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)關(guān)系模擬[21]，圍巖注漿加固和超前小導(dǎo)管加固區(qū)采用提高圍巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的方法來實(shí)現(xiàn)[22]，橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表3.模型上表面為自由邊界，其余邊界面限制法向位移.為保證計(jì)算精度，在隧道及橋梁結(jié)構(gòu)周邊進(jìn)行網(wǎng)格加密處理.隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C3D8單元離散，地層及橋梁結(jié)構(gòu)采用C3D6單元離散，共生成109.6萬個單元，49.4萬個節(jié)點(diǎn).

表3 橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

表2 地層材料的物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)構(gòu)-土體相互作用直接影響結(jié)構(gòu)受力性能，本文采用庫倫摩擦模型考慮結(jié)構(gòu)-土體相互作用，法向采用“硬”接觸，切向采用“有限滑移”模式.常用摩擦系數(shù)δ表征接觸面間的摩擦作用[23]，計(jì)算式為[24]

δ=sinφ×[cosφ/(1+sin2φ)]

(1)

式中：φ為土體內(nèi)摩擦角.

模擬隧道施工前，需對整個模型(不包含隧道)進(jìn)行地應(yīng)力平衡，地層沉降最大數(shù)量級為10-6m，能夠很好地模擬隧道開挖前地層情況.采用單元生死方法模擬隧道施工，首先殺死進(jìn)尺范圍內(nèi)土體單元，將單元剛度矩陣乘以一個非常小的因子，從而單元的質(zhì)量、能量將不參與模型求解運(yùn)算.待土體開挖分析步計(jì)算完成后，再激活隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)以模擬實(shí)際隧道支護(hù)，這樣就完成一個進(jìn)尺施工循環(huán).

3 數(shù)值驗(yàn)證

以地表沉降為對比目標(biāo)，將沉降實(shí)測值與計(jì)算值進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模型參數(shù)的合理性.地表沉降測點(diǎn)的平面布置見圖5.

DBc1-5、DBc1-7、DBc1-9測點(diǎn)的現(xiàn)場結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比見圖6，測點(diǎn)地表沉降對比分析見表4.由表4可知，計(jì)算值與實(shí)測值相差最大為4.8%，表明模型參數(shù)選取較為合理，計(jì)算結(jié)果能滿足精度要求.

表4 測點(diǎn)的地表沉降對比分析

4 結(jié)果分析

4.1 豎向變形

隧道施工導(dǎo)致圍巖初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，地層沉降變形由地層深部向地表傳遞，對地表建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不利影響.1#墩左、右幅蓋梁和地梁豎向變形曲線見圖7.分析可知，同側(cè)地梁、蓋梁的沉降變形規(guī)律相似.隧道拱頂上方地層受施工影響較大，沉降變形嚴(yán)重，左幅呈現(xiàn)中部下凹的變形規(guī)律，地梁、蓋梁豎向變形最大值分別為12、12.3 mm，位于5#樁正上方.與左幅橋梁豎向變形規(guī)律不同，右幅豎向變形規(guī)律近似線性，且地梁、蓋梁豎向變形最大值出現(xiàn)在靠近隧道一端，且沉降量遠(yuǎn)小于左幅橋梁.右幅橋梁沉降量隨著到隧道距離增加而逐漸減小，這是由于右幅距隧道較遠(yuǎn)，受施工擾動影響較小.

假設(shè)橋梁路面沉降與蓋梁豎向變形同步.沿蓋梁長度方向設(shè)置多個沉降觀測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為1 m.沉降實(shí)測結(jié)果與數(shù)值計(jì)算對比見圖8.

由圖8可知，數(shù)值計(jì)算與實(shí)測曲線變化規(guī)律相同，豎向變形實(shí)測值與數(shù)值解最大相差2%，在工程誤差允許范圍之內(nèi)，再次驗(yàn)證本數(shù)值計(jì)算是合理的.

4.2 樁身位移

假設(shè)樁身某點(diǎn)矢量位移為U，將其分解為沿x、y、z軸的位移分量U1、U2、U3，位移分解及xy平面示意見圖9，約定樁基位移方向與坐標(biāo)軸同向?yàn)檎愊驗(yàn)樨?fù).樁位移分量與埋深關(guān)系曲線見圖10.由圖10可知：左幅橋樁以沉降變形U3為主，左幅4#樁沉降量最大值為15.6 mm，右幅橋樁最大沉降量僅為3.8 mm，前者是后者的4.1倍.隨著樁-隧水平距離增加，沉降變形對右幅樁基合位移的貢獻(xiàn)率逐漸降低，而橫向撓曲變形U2對合位移的影響逐漸顯現(xiàn).同側(cè)橋樁橫向撓曲變形U1、U2相差很小，表明地上結(jié)構(gòu)對橋樁橫向變形具有明顯抑制作用.

橋樁位移分量對合位移的貢獻(xiàn)率與樁隧相對位置有關(guān)，橋樁位移分量對合位移的貢獻(xiàn)率見表5.由表5可見，沉降變形U3對左幅橋樁合位移貢獻(xiàn)率最大，貢獻(xiàn)率最大為98.7%；橫向撓曲變形U2對右幅橋樁合位移的貢獻(xiàn)率隨樁-隧水平距離的增加而增大.

表5 橋樁位移分量對合位移的貢獻(xiàn)率

為分析樁身位移方向與埋深關(guān)系，定義偏角α為合位移U與x軸正向夾角，見圖9(b)，約定以x正向?yàn)檩S，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù).由三角關(guān)系得

α=arctan(U2/U1)

(2)

偏角α沿橋樁埋深變化示意見圖11，其中圖中第一行數(shù)字代表埋深，第二行數(shù)字代表偏角大小.由圖11可知，樁基位移空間效應(yīng)十分明顯，偏移角與埋深、樁-隧水平距離有關(guān).左幅樁基偏角變化比較復(fù)雜，1#樁偏角均為正值，位移方向與隧道前進(jìn)方向相反.隨著樁-右線隧道水平距離減小，拱頂埋深處(12 m)位移偏角由正值過渡為負(fù)值，位移指向隧道前進(jìn)方向.偏角變化與埋深有關(guān)，受地層變形和隧道結(jié)構(gòu)變形綜合影響，偏角隨埋深增加逐漸減小，位移方向逐漸垂直于隧道軸線，見圖11(g).右幅樁基偏角變化規(guī)律相同，除樁端外樁身位移均指向右線隧道，并且隨著水平距離增加，位移方向逐漸垂直于隧道軸線.

表6 偏角α沿樁基埋深變化

4.3 樁身彎矩

1#橋墩樁身不同埋深彎矩變化曲線見圖12.由于受地梁約束作用，大多數(shù)樁基樁頂彎矩值最大，并且左幅彎矩最大值遠(yuǎn)大于右幅橋樁.樁身彎矩受樁-隧水平距離影響非常顯著，樁基與水平距離變化規(guī)律不同：左幅橋樁彎矩的變化幅值隨樁-隧水平距離減小而降低，而右幅橋樁彎矩變化幅值隨樁-隧水平距離增大而減小.4#樁位于拱頂正上方，樁身彎矩最大值為115.1 kN·m，僅為1#樁彎矩最大值(512 kN·m)的1/4.值得注意的是4#樁彎矩隨埋深增大單調(diào)減小，且最大彎矩值最小.

4.4 樁身軸力

隧道開挖施工引起地層變形，導(dǎo)致樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力[25].本文約定樁基軸力受壓為負(fù)，受拉為正.樁軸力與埋深關(guān)系曲線見圖13.由圖13可知：3#～6#樁軸力為正值，軸向受拉，且最大值在樁頂處；其余樁軸力為負(fù)值，軸向壓力，軸力值隨埋深增大先增大后減小，最大值埋深隨水平距離增加而減小.由圖13還可知：右幅橋梁樁基以受壓為主，而左幅樁端在拱頂上方的樁基以受拉為主.值得注意的是：3#樁埋深小于6 m時(shí)軸向受拉，埋深大于6 m時(shí)軸向受壓，這是因?yàn)樯习氩繕痘灰谱冃问艿亓旱壬喜拷Y(jié)構(gòu)限制而產(chǎn)生巨大拉力.

以4#樁為研究對象，樁-土接觸面沉降變形曲線見圖14.由圖14可知，受地梁約束，樁頂與地層沉降量相差不大，但樁基與地層之間的沉降差隨埋深增加而越來越大：樁端處地層沉降比樁身沉降大1.4 mm.表明樁周地層產(chǎn)生相對于樁基向下的沉降，橋樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力，從而導(dǎo)致樁身受拉，進(jìn)而解釋了樁身軸向受拉的產(chǎn)生原因.

5 討論

為了降低隧道施工對橋梁產(chǎn)生的不利影響，從襯砌厚度、襯砌后注漿和地表注漿加固三方面研究隧道施工對橋梁結(jié)構(gòu)的影響.由4.2節(jié)研究可知，1#橋墩左幅受施工影響十分顯著，因此選擇左幅地梁為研究對象進(jìn)行分析.

襯砌厚度分別為0.3、0.4、0.5、0.6 m時(shí)，左幅地梁的沉降變形曲線見圖15.分析可知，隨著襯砌厚度增加，地梁沉降變形最大值逐漸減?。寒?dāng)襯砌厚度為0.3 m時(shí)，地梁沉降最大值為12.3 mm；襯砌厚度為0.4 m時(shí)，最大沉降值為10.6 mm；當(dāng)襯砌厚度不小于0.5 m時(shí)，地梁沉降變形基本穩(wěn)定，最大值為8.9 mm.表明增加襯砌厚度可以有效降低隧道施工對橋梁的影響，但是當(dāng)襯砌達(dá)到一定厚度時(shí)，橋梁沉降變形基本趨于穩(wěn)定.

襯砌背后注漿加固范圍分別為1、2、3 m時(shí)，地梁沉降變形曲線圖16.由圖16可知，同隧道襯砌厚度對地梁沉降變形影響規(guī)律相似，隨著襯砌背后注漿范圍增加，地梁沉降變形逐漸減小：注漿厚度為1 m時(shí)，地梁最大沉降值為16.2 mm；注漿厚度為2、3 m時(shí)，地梁最大沉降值分別為12.6、12.2 mm，兩者相差很小.表明當(dāng)注漿達(dá)到一定厚度時(shí)，隧道施工對橋梁的不利影響逐漸保持不變.

地表加固采用水灰比為1∶1的P42.5水泥砂漿，注漿范圍為橋梁地梁輪廓線外擴(kuò)3 m.地表注漿加固深度分別為0、3、6、9 m時(shí)，地梁沉降曲線見圖17.由圖17可以看出，不進(jìn)行地表加固時(shí)，地梁沉降量最大；地表加固深度分別為3、6 m時(shí)，地梁沉降曲線非常接近，最大值沉降分別為10.6、10.2 mm，僅僅相差4%；當(dāng)?shù)乇砑庸躺疃葹? m時(shí)，地梁沉降變形迅速減小，最大沉降值為8.9 mm，比深度為6 m時(shí)減小13%.以上數(shù)據(jù)表明，地表加固深度對地梁沉降變形的影響規(guī)律與前兩個因素不同，地梁沉降變形隨地層加固深度增加經(jīng)歷“快速減小—緩慢減小—快速減小”三階段.只有地表加固到一定深度時(shí)，才能有效降低施工對橋梁產(chǎn)生的不利影響.

6 結(jié)論

為研究斜穿施工對既有橋梁樁基影響，本文利用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，分析了橋樁位移、內(nèi)力的變化規(guī)律，并討論了不同因素對橋梁變形的影響.可得到如下結(jié)論：

1)受隧道斜穿施工影響，樁身位移方向與隧道軸線呈一定夾角(非垂直狀態(tài))，樁基位移空間效應(yīng)十分顯著，與樁-隧水平距離有密切關(guān)系，到隧道距離越小，樁基位移空間效應(yīng)越顯著.

2)隧道正上方樁基受隧道施工影響最大，左幅樁基以沉降變形為主，沉降變形對合位移的貢獻(xiàn)率最大為98.7%，而右幅樁基以橫向撓曲變形為主，橫向撓曲變形對合位移的貢獻(xiàn)率隨水平距離增加而增大.

3)由于受地梁約束，橋樁頂處彎矩值較大.左幅樁基彎矩變化幅值隨樁-隧水平距離減小而降低，而右幅樁基隨樁-隧水平距離增大而減小.橋梁左幅且位于拱頂上方的樁基軸向以受拉為主，可能影響橋樁正常承載作用，而右幅橋梁及左幅橋梁樁端位于拱頂下方的橋樁軸向基本受壓.

4)襯砌厚度和襯砌后注漿對減小橋梁結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律相同，橋梁結(jié)構(gòu)沉降變形隨襯砌厚度和襯砌后注漿范圍增大而減小，當(dāng)兩者超過某臨界值時(shí)，它們對減小橋梁變形的效果趨于穩(wěn)定，而地表加固深度對橋梁沉降的影響規(guī)律較為復(fù)雜.

本文僅以橋樁為研究對象，分析了隧道斜穿施工對樁基的影響.由于橋梁-地層-隧道之間的相互作用較為復(fù)雜，且受文章篇幅限制，有待今后進(jìn)行更加深入的研究.