跨线桥桩基施工对临近隧道影响的有限元分析

冯龙飞，杨小平，2，刘庭金，2

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640;2.亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640)

城市地下铁道高速发展的同时，带来了一系列桥隧相交的问题。桥梁桩基础的施工和荷载会造成周围土体的位移和应力变化，这将会影响临近的地铁隧道。近年来，在我国新建隧道对既有桩基的影响研究已经非常广泛，而桩基对隧道的影响研究则相对较少。

刘力英等［1］建立了平面应变模型和三维实体模型模拟桩基础对既有地铁隧道的影响，并就其原理和结果进行了对比，指出三维模型更为合理。闫静雅等［2-3］采用有限元方法模拟分析了桩基础荷载对邻近已有隧道的影响，并通过桩侧孔壁上的静水压力来模拟泥浆护壁和混凝土灌注过程，考虑钻孔灌注桩施工过程的影响。练健飞［4］模拟了桩基础施工过程对隧道的影响，指出桩基施工对地铁隧道的影响主要表现为两个方面:一是桩基施工振动对地铁隧道的影响，二是桩基成孔后浇筑混凝土前地基中成孔对已有地铁隧道的影响。楼晓明等［5-6］采用群桩基础共同作用的分析方法，对某高层建筑钻孔灌注桩基础跨越地铁隧道线可能带来的影响进行了计算分析，同时结合工程实测数据研究了高层建筑桩基础对邻近隧道的影响。王晓霞、闫静雅［7］总结了桩与隧道相互影响的研究进展，并指出研究中存在和需要解决的一些问题。

本文根据拟建跨线桥工程实例，基于Midas/GTS有限元程序构建三维数值模型，分析预测近距离钻孔灌注桩施工、跨线桥上部结构施工、跨线桥通车阶段对既有地铁结构的影响，同时模拟了钻孔灌注桩的施工流程，并探讨了桩周土体软化对应力传递的影响。通过分析结果提出相应的施工控制措施，以期为处理桥隧相交的地下铁道工程问题提供参考和积累经验。

1 工程概况

拟建广汕路立交桥横跨地铁六号线盾构区间和三号线天河客运站，全长494.32 m。其中高架段长408.45 m，采用预应力混凝土连续梁，现场浇注施工，支架采用贝雷架。下方地铁六号线车站为地下4层岛式站台车站，采用明挖顺作法施工，已施工完成。站位以东为正在运营的三号线天河客运站，通过换乘通道与六号线车站相连。

桥梁基础及施工贝雷架基础均采用钻孔灌注桩，高架段与地铁结构位置的立面关系如图1所示。桥梁桩基及贝雷架桩基距离地铁结构较近，最小水平净距约3.1 m。跨线桥施工阶段及使用阶段将会引起地铁结构的受力和变形产生一定变化。为此，须计算分析跨线桥对下方地铁车站、区间隧道及地铁通道结构造成的不利影响。

图1 跨线桥高架段与地铁结构立面(单位:m)

2 工程地质条件

场地地貌属山前冲洪积平原，地势平坦。地铁六号线盾构区间周边地层主要为硬塑～坚硬状花岗岩残积土和全风化花岗岩。场区地下水赋存类型包括上层滞水、孔隙潜水、孔隙承压水和基岩孔隙裂隙承压水，水位埋深为0～6.45 m。

3 三维动态施工模拟

3.1 三维整体模型概况

采用岩土隧道专用有限元软件Midas/GTS建立三维数值计算模型。为简化计算，在三维数值分析中做了如下假设:

1)三维有限元计算模型中的地层自上而下依次简化为等厚的成层土，土层厚度依据场地内各土层埋深的变异性及起伏性，经综合考虑确定。

2)由于距离地铁结构外边线较远处的桩基对地铁结构影响较小，故重点考虑距地铁结构外边线水平净距15 m范围内的桩基影响。

模型中采用板壳单元模拟车站基坑围护结构、地铁结构、隧道衬砌结构，采用梁单元模拟车站基坑支撑体系，桥梁桩基和土体均采用15节点三角形实体单元，桩土之间设置相应的摩擦接触单元。土体为弹塑性材料，服从莫尔—库伦屈服准则，桩基及隧道衬砌采用弹性材料，见图2。

图2 跨线桥桩基础与地铁结构的三维位置关系

为了较好地反映跨线桥施工前的场地初始应力状态，对六号线车站的施作过程进行详细模拟，主要流程为:依次施作基坑支护结构并开挖土体至基底;六号线盾构区间贯通;依次施作基坑地下室结构和拆除基坑混凝土支撑;施作地铁通道结构。

模型中荷载分为施工阶段荷载和建成通车后荷载，由设计单位给定。在施工阶段，桥梁桩基和贝雷架桩基共同承受上部荷载;建成通车阶段贝雷架撤除，荷载进行一定的重新调整，上部荷载全部由桥梁桩基承担。即贝雷架桩基卸载而桥梁桩基又增加额外荷载，荷载的变化可能会对地铁结构的受力和变形产生一定影响。

3.2 钻孔灌注桩施工流程模拟

钻孔灌注桩在正常施工情况下对邻近隧道的影响较小，但在施工质量有问题时(塌孔、缩颈等)，对周围影响较大。

桩基施工，尤其是钻孔过程会引起周边土体的扰动，造成周围土体内超孔隙水压力或正或负的重分布。同时由于泥浆护壁作用，可能导致桩周土体软化。国外一些研究［8-9］表明桩土接触面的水平有效应力发展依赖于桩孔内新鲜混凝土的压力，因此，水下浇注混凝土初凝过程对孔壁的挤压作用也应适当考虑。

桩身材料采用C35混凝土，泥浆相对密度取1.2，泥浆护壁过程采用γ=12 kN/m3的自重应力产生的静水压力来实现［3］。通过桩周薄壁单元来模拟渗透条件的变化，通过修改单元属性来模拟混凝土硬化过程。

模型中分析了桩基钻孔过程及水下浇注混凝土过程，同时考虑了由于塌孔、泥浆护壁等作用可能造成的桩孔周边土体软化效应。软化效应通过不同的软化范围及相应的土体强度参数折减进行模拟。分别研究了不软化、软化30%D、软化60%D、软化90%D(D为桩径)等4种情况对地铁结构的影响。

4 模拟结果分析

4.1 内力分析

六号线区间隧道结构在钻孔桩施工阶段内力变化量如表1所示。

表1 六号线地铁区间隧道结构内力汇总

由表1可见，钻孔桩施工阶段引起地铁结构的内力变化同后续加载阶段的内力变化大小相当，近距离桩基的施工影响不容忽视。施工过程中要加强成桩质量控制，避免出现塌孔、缩颈等不利情况。

4.2 位移分析

由图3可见，在近距离钻孔桩施工阶段，地铁隧道的最大位移随桩基周围土体软化范围的增大而增大。原因是桩周土体软化后，隧道周边地层对隧道结构的约束降低，导致隧道变形出现增大趋势，即在近距离钻孔桩施工阶段对隧道变形的影响主要由地层控制。上部结构施工阶段及通车阶段地铁隧道的最大位移随桩基周围土体软化范围的增大而减小，原因是竖向荷载作用下桩基周边土体软化导致桩基侧摩阻力降低，即在桩土相互作用下，上部荷载的传递起主要作用，随着桩侧摩阻力的降低，荷载的横向传递大大减少，进而引起地铁隧道的位移出现下降趋势。

图3 各主要工况地铁区间隧道结构最大位移发展曲线

预测六号线车站的最大总位移为0.66 mm，三号线车站的最大总位移为2.22 mm，换乘通道结构的最大总位移为2.13 mm。

总体而言，近距离钻孔桩施工阶段对地铁隧道的变形影响较小，而跨线桥上部结构施工阶段对地铁隧道的变形影响最大，主要由桥梁桩基和近距离贝雷架桩基上部加载造成。而随着跨线桥的建成通车，贝雷架拆除，近距离贝雷架桩基卸载，整个荷载由桥梁桩基承担，荷载重新分配，从而引起地铁隧道的变形出现减小的趋势。

5 结论及建议

结合三维数值模拟分析结果可见，跨线桥桩基引起地铁结构的内力和位移变化均处于较低水平，不影响地铁结构的安全。主要建议如下:

1)施工前严格复核跨线桥近距离桩基与地铁结构的位置关系，确保桩位的准确性。

2)桩基础施工前进行相应的地质超前钻孔，以进一步探明相应的工程地质情况。

3)加强对近距离钻孔灌注桩的施工过程控制，加强桩基护壁泥浆的质量控制，以避免桩基成孔阶段发生塌孔事故。

4)跨线桥施工前应针对下方地铁结构特别是地铁区间盾构隧道的结构现状开展相关调查和分析，以掌握其结构现状。

5)跨线桥施工阶段及使用阶段应加强对下方地铁区间隧道位移的监控量测，以及时了解地铁结构的安全状态。

［1］刘力英，莫海鸿，周汉香，等.桩对隧道影响的分析模型比较［J］.广东土木与建筑，2004(2):18-20.

［2］闫静雅，张子新，黄宏伟，等.桩基础荷载对邻近已有隧道影响的有限元分析［J］.岩土力学，2008，29(9):2508-2514.

［3］闫静雅.桩基础全寿命期对邻近已有隧道的影响研究［D］.上海:同济大学，2000.

［4］练健飞.某地铁上盖建筑桩基础对地铁隧道影响分析［J］.科技创新导报，2008(21):102，104.

［5］楼晓明，金志靖.钻孔灌注桩基础对紧邻地铁隧道产生竖向附加应力和变形的计算分析［J］.岩土力学，1996，17(3):48-53.

［6］楼晓明，刘建航.高层建筑桩基础对邻近隧道影响的监测与分析［J］.同济大学学报，2003，31(9):1014-1018.

［7］王晓霞，闫静雅.桩与隧道相互影响研究进展［J］.西部探矿工程，2007(3):152-155.

［8］SCHROEDER F C.The influence of bored piles on existing tunnels:a case study［J］.Ground Engineering，2002，35(7):32-34.

［9］BURLAND J B.Shaft friction of piles in clay—a simple fundamental approach［J］.Ground Engineering，1973，6(3):30-42.