作者簡(jiǎn)介：王 鑫（1985—），工程師，主要從事建筑與土木工程項(xiàng)目建設(shè)管理工作。

摘 要：為研究高架橋梁樁基施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響，文章以某實(shí)際工程案例為基礎(chǔ)，采用Midas GTS NX三維有限元軟件數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的分析方法，研究不同施工工序下的隧道結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律，分析考慮最危險(xiǎn)截面下的隧道徑向收斂情況。結(jié)果表明：鉆孔灌注樁施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響最小，而基坑開挖卸荷為最不利工況，對(duì)應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)變形量最大。

關(guān)鍵詞：樁基；近接施工；地鐵隧道；高鐵隧道；結(jié)構(gòu)變形

中圖分類號(hào)：U456.3

0 引言

隨著立體綜合交通的快速發(fā)展，橋隧交叉建設(shè)情況越來(lái)越普遍，橋梁樁基近接施工必然會(huì)對(duì)周邊產(chǎn)生一定程度的擾動(dòng)影響。為此，許多學(xué)者圍繞樁基施工對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)擾動(dòng)問(wèn)題開展了大量研究。徐長(zhǎng)節(jié)等^[1]在既有隧道上方開展基坑土方開挖及建筑結(jié)構(gòu)施工研究時(shí)，采用Abaqus有限元數(shù)值模型分析上部施工對(duì)下部隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，指出科學(xué)部署施工方案能夠確保既有結(jié)構(gòu)不受較大擾動(dòng)影響。劉謹(jǐn)豪等^[2]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)相互驗(yàn)證的方法，開展地面堆載施工作業(yè)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)位移的影響，指出隧道正上方堆土加載同步疊加側(cè)方基坑開挖卸荷會(huì)明顯導(dǎo)致既有隧道豎向位移增大。鄭宏利等^[3]在綜合交通樞紐施工對(duì)既有隧道的擾動(dòng)分析中采用數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，獲得了既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移以及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律。張?jiān)?sup>[4]在橋梁工程施工對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響分析中表明，隨著樁基與隧道結(jié)構(gòu)距離的增加，隧道水平位移逐漸減小。陳軍等^[5]采用有限差分法分析靜壓樁施工過(guò)程中擠土效應(yīng)引起既有隧道產(chǎn)生位移和附加內(nèi)力時(shí)指出，隧道結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力大小隨著隧道與樁基距離的增加而呈指數(shù)衰減，并提出在擠土樁與隧道結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔墻可減少對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響。路平等^[6]在立交橋上跨既有淺埋隧道的樁基施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響研究中表明，樁側(cè)摩阻力向周圍土體傳遞，引起隧道在靠近樁側(cè)的拱肩位置土壓力增大，截面產(chǎn)生了沿該方向被“壓扁”的收斂變形，以及與其垂直方向被“拉長(zhǎng)”的收斂變形。鄒春蓉等^[7]在新建高速公路橋梁對(duì)既有隧道安全影響分析中指出，上跨橋梁樁基施工會(huì)引起既有隧道結(jié)構(gòu)下沉，當(dāng)不均勻沉降過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂。劉海彎^[8]在既有區(qū)間隧道上方開展基坑開挖和樁基托換施工對(duì)既有隧道的影響研究中表明，基坑開挖卸荷會(huì)引起既有隧道拱頂位移增大。

上述文獻(xiàn)未從樁基施工全過(guò)程去分析對(duì)既有隧道的擾動(dòng)影響，故本文針對(duì)新建高架橋樁基施工引起既有隧道結(jié)構(gòu)變形的響應(yīng)關(guān)系，建立基于荷載-結(jié)構(gòu)的有限元模型，分析既有高鐵和地鐵隧道結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律，為施工過(guò)程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 基本概況

高架橋工程設(shè)計(jì)有5個(gè)橋墩樁基（D1～D5），共22根樁基，樁徑1.5 m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為21～46 m，采用泥漿護(hù)壁+鉆孔灌注樁施工工藝。

既有隧道包括高鐵明挖隧道和地鐵盾構(gòu)隧道，埋深5～10 m，其中高鐵隧道為支護(hù)樁+內(nèi)支撐的明挖襯砌隧道，地鐵隧道為外徑6.7 m的左右雙線盾構(gòu)隧道。

樁基與既有隧道呈夾角交錯(cuò)布置關(guān)系，相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示，其中D2橋梁承臺(tái)至高鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線最小距離為3.07 m，D3位于高鐵隧道和地鐵盾構(gòu)隧道之間。

1.2 工程地質(zhì)條件

樁基施工場(chǎng)地地形地勢(shì)平坦，地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為地表水。不良工程地質(zhì)為巖溶，表現(xiàn)為隱伏溶洞。樁基施工位置地層自上而下主要為素填土、黏土、中風(fēng)化灰?guī)r，具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 有限元數(shù)值模型分析

2.1 模型的建立

以受高架橋樁基施工影響的既有隧道結(jié)構(gòu)為中心向四周拓展，建立尺寸為180 m（沿隧道結(jié)構(gòu)縱向）×200 m（橫向）×60 m（豎向）的三維有限元模型，如圖2所示，共劃分263 751個(gè)單元和156 607個(gè)節(jié)點(diǎn)，初始條件為隧道與周圍地層已達(dá)到平衡狀態(tài)。模型邊界條件為隧道水平方向位移約束，而豎直方向位移自由，其中隧道底部為完全固定邊界，頂部為自由邊界。

2.2 模型參數(shù)的選取

地層采用修正的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，壓縮屈服面為橢圓形的帽子屈服面。結(jié)構(gòu)和構(gòu)件單元采用線彈性模型，計(jì)算參數(shù)如表2所示，其中承臺(tái)、橋墩結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，樁基、圍護(hù)樁及冠梁采用梁?jiǎn)卧?，盾?gòu)管片采用板單元，結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

2.3 施工工況

樁基施工工序模擬如表3所示。

3 樁基近接施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響研究

3.1 樁基施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響

當(dāng)高架橋D1～D5所有樁基一次性同步施工完成時(shí)（即施工步序C3），地層變形計(jì)算結(jié)果如圖4所示，地層應(yīng)力引起的既有隧道結(jié)構(gòu)變形分別如圖5和圖6所示。由此可知，高鐵隧道最大水平位移為0.004 mm，最大豎向位移為-0.012 mm，最大總變形為0.013 mm；地鐵隧道最大水平位移為0.005 mm，最大豎向位移為-0.013 mm，最大總變形為0.013 mm。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，說(shuō)明樁基施工引起的既有隧道結(jié)構(gòu)變形較小，主要是由于樁體重度略高于原狀土重度。

3.2 承臺(tái)基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響

假設(shè)高架橋D1～D5承臺(tái)基坑開挖一次性同步完成（即施工步序C4），地層變形計(jì)算結(jié)果如圖7所示，地層應(yīng)力引起的高鐵、地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形分別如圖8、圖9所示。此時(shí)，高鐵隧道最大水平位移為0.020 mm，最大豎向位移為0.091 mm，最大總變形為0.148 mm；地鐵隧道最大水平位移為0.186 mm，最大豎向位移為0.150 mm，最大總變形為0.24 mm。對(duì)比樁基施工數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響稍大，主要是由于土方開挖卸荷引起既有隧道結(jié)構(gòu)上浮。

3.3 橋梁承臺(tái)及橋墩施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響

當(dāng)D1～D5承臺(tái)和橋墩結(jié)構(gòu)同步施工并完成回填（即施工步序C5），地層變形數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖10所示，高鐵隧道結(jié)構(gòu)變形如圖11所示，地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形如圖12所示。此時(shí)，高鐵隧道最大水平位移為0.075 mm，最大豎向位移為-0.060 mm，最大總變形為0.076 mm；地鐵隧道最大水平位移為0.104 mm，最大豎向位移為-0.048 mm，最大總變形為0.105 mm。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果基本一致，既有隧道結(jié)構(gòu)變形較小，結(jié)構(gòu)位移的產(chǎn)生主要由地層再加荷引起。

3.4 徑向收斂分析

結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，最不利工況為承臺(tái)基坑開挖過(guò)程（C4），選取最不利斷面進(jìn)行插值換算分析，得到高鐵隧道水平最大徑向收斂為0.089 mm，豎向最大徑向收斂為0.064 mm，如圖13所示；地鐵隧道的水平最大徑向收斂約為0.035 mm，豎向最大徑向收斂為0.042 mm，如后頁(yè)圖14所示。上述計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，且都滿足規(guī)范中的控制指標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)具體工程案例有限元數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，主要獲得以下結(jié)論：

（1）建立荷載-結(jié)構(gòu)有限元模型能夠較準(zhǔn)確地模擬橋梁樁基施工過(guò)程對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。

（2）基坑開挖卸荷是最不利工況，同時(shí)考慮最危險(xiǎn)截面下的隧道結(jié)構(gòu)變形量仍能滿足規(guī)范相關(guān)指標(biāo)要求。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可進(jìn)一步優(yōu)化施工方案，確保高架橋樁基施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響降至最低。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐長(zhǎng)節(jié)，王伊麗，徐芫蕾，等.新建工程基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工對(duì)既建下臥隧道的影響研究[J].巖土力學(xué)，2015，36（11）：3 201-3 209.

[2]劉謹(jǐn)豪，嚴(yán)遠(yuǎn)忠，張 琪，等.地面堆載對(duì)既有隧道影響離心試驗(yàn)和數(shù)值分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，56（7）：886-896.

[3]鄭宏利，牛豪爽.綜合交通樞紐施工對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響機(jī)制研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2020，18（5）：103-108.

[4]張 源.橋梁工程施工對(duì)既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)的影響[J].山西建筑，2023，49（19）：169-171，174.

[5]陳 軍，杜守繼，沈水龍，等.靜壓樁擠土對(duì)既有隧道的影響及施工措施研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（S2）：81-84.

[6]路 平，鄭 剛.立交橋樁基礎(chǔ)施工及運(yùn)營(yíng)期對(duì)既有隧道影響的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35（S2）：923-927.

[7]鄒春蓉，康圣雨，任東華.新建高速公路橋梁對(duì)既有隧道安全影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（S1）：132-137.

[8]劉海彎.盾構(gòu)隧道樁基托換施工對(duì)既有隧道的影響[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（S1）：518-523.