区间暗挖隧道侧穿既有桥桩施工扰动分析

黄　鹂，梁小勇，李　娴

(河北科技大学 建筑工程学院，河北 石家庄 050018)



区间暗挖隧道侧穿既有桥桩施工扰动分析

黄鹂，梁小勇，李娴

(河北科技大学 建筑工程学院，河北 石家庄 050018)

摘要：将三维数值计算和现场实测相结合，对区间暗挖隧道侧穿既有桥桩施工扰动进行了分析。分析结果表明：隧道开挖引起的既有桩体的位移响应表现出明显的空间效应，沿桩长的沉降差值主要是由桩基两侧的侧压力差异导致的。既有桩基沿X轴方向的位移呈“S”型，最大位移值位于桩顶；以隧道轴线为界，既有桩基X轴方向的位移模式不同。既有桩基Y轴方向的位移表现为抛物线型，最大值位于隧道轴线位置。弯矩沿桩长变化曲线有2个反弯点，最大值位于隧道轴线位置，桩体两侧地层侧压力不均衡导致桩体产生弯矩。

关键词：区间隧道；既有桥桩；施工扰动；轴力；数值计算；现场实测

0引言

轨道交通工程穿越城市核心区域，周边建筑物林立，市政道路、既有桥梁密集分布。区间暗挖隧道可引发洞周一定范围内土体位移，对扰动范围内的既有桥梁桩基产生附加应力。当隧道开挖产生的附加应力大于既有桥梁桩基的容许应力时，将影响既有结构的正常使用，因此，保证既有结构的正常使用成为区间隧道施工的关键控制因素[1-3]。

国内外学者针对暗挖隧道穿越既有桥梁桩基进行了相关研究。文献[4]采用室内模型试验对隧道开挖引起的既有桩基变形进行了分析。文献[5]基于北京地铁具体工程实测数据，并结合数值分析对暗挖隧道穿越既有桥梁桩基的力学响应进行了分析，提出了主动防护的理念。但是，上述研究均局限于单线隧道，而地铁区间隧道以双线隧道为主。双线隧道开挖引发洞周位移响应与单线隧道区别较大，因此，对双线暗挖隧道侧穿既有桥桩的施工扰动进行研究尤为重要。

本文选取北京地铁7号线某区间侧穿既有桥梁桩基为工程背景，采用三维数值计算和现场实测相结合的方法，对区间隧道开挖引发临近既有桩基的位移场和应力场进行了分析。进而研究了不同施工阶段的桩基轴力变化，并将数值计算与现场实测结果进行了对比分析。

1隧道侧穿既有桥桩力学机理

隧道开挖产生临空面，洞周地层产生向临空面方向的位移。当既有桩基处于隧道开挖影响范围内，地层位移对邻近桩基产生扰动，如图1所示。

隧道开挖对邻近桩基的施工扰动具体表现为两个方面：(1)负摩阻力引发既有桩基沉降和承载力下降。以隧道水平轴线为界，既有桩基表现为两种受力模式：隧道水平轴线以上，当隧道开挖引发的地层位移大于既有桩基竖向位移时，桩周地层产生负摩阻力，引发既有桩基沉降和承载力下降；隧道水平轴线以下，当隧道开挖引发的地层产生向上的竖向位移，桩轴地层产生正摩阻力，有利于既有桩基的稳定。(2)侧压力差异降低既有桩基承载力。隧道开挖引发洞周地层应力释放，导致既有桩基靠近隧道侧地层侧向压力减小；桩体两侧地层侧压力不均衡，导致桩体产生弯矩，从而降低既有桩基承载力。

2数值模型计算分析

2.1数值模型的建立

根据区间双线隧道施工的工程实例，通过有限元差分程序Flac3D对既有桩基的施工扰动进行了模拟。鉴于圣维南原理，区间隧道开挖影响洞周一定范围的地层。选取隧道水平轴线为X轴，长度为120 m；选取隧道线路方向为Y轴，长度为40 m；选取重力方向为Z轴，长度为60 m，区间隧道周边及既有桩基两侧网格局部加密[6-9]。

既有桥梁为10跨钢筋混凝土连续梁立交桥，区间隧道从4#和5#桥墩中间侧穿，4#和5#桥墩位于隧道开挖影响范围内，其他桥桩相对较远。数值计算模型按照区间双线隧道施工步序、支护参数以及与既有桥桩相对位置关系的实际工况进行建模，如图2所示。

图1 隧道开挖对邻近桩基的扰动 图2 计算模型网格划分

数值计算模型的基本假定：

(1)数值计算模型的地层单元遵循Mohr-Coulomb屈服准则[10-12]。

(2)既有桩基承台采用实体单元，桥桩采用桩单元，桩单元与地层的相互作用通过设置接触单元实现。

(3)区间隧道采用台阶法施工，上、下台阶错距为3～5 m。待左线隧道初支与二衬施作完成后，再开挖右侧隧道，左右线的错距不小于15 m。区间隧道位于城市主干道的下方，沿南北向铺设，区间隧道的开挖方向为自北向南。

(4)初期支护和二衬采用线弹性单元模拟。按照抗压刚度等效原则，将格栅拱架折算至喷射混凝土中，即

其中：Ec为折算后初期支护弹性模量；E0为喷射混凝土弹性模量；As为格栅拱架截面积；Es为格栅受力钢筋弹性模量；Ac为喷射混凝土截面积。

(5)计算模型采用边界位移条件，上部为自由边界，底面约束Z方向的位移，其他部分约束X、Y方向的位移。

数值计算模型的计算参数根据区间地勘报告(详堪)进行取值，如表1所示。

表1　地层计算参数取值

2.2既有桩基位移响应分析

区间隧道待左线隧道初支与二衬施作完成后，再开挖右侧隧道，左右线的错距不小于15 m。区间隧道开挖影响范围内既有结构为4#、5#承台，每个承台下方为2根桥桩，承台北侧桥为4a桩基和5a桩基，南侧为4b桩基和5b桩基。

图3　双线隧道开挖竖向位移云图(单位：m)

图3为双线隧道开挖竖向位移云图。右线隧道开挖引发的洞周地层位移与左线产生叠加效应，两隧道中部竖向位移表现为双峰状。竖向位移最大值为7.551 mm，位于隧道洞周拱顶部位。

隧道开挖引起的既有桩体的位移响应表现出明显的空间效应，即既有桩基不仅在重力方向(Z轴)产生沉降，在X轴和Y轴方向均产生一定的位移。提取既有桩基位移计算结果，绘制位移曲线，如图4所示。

图4既有桩基沉降曲线和位移曲线

图4为既有桩基沿X轴、Y轴和Z轴方向的位移响应，由图4可知：

(1)隧道开挖对影响范围内的桩基产生扰动，既有桩基Z轴方向位移沿桩长呈线弹性关系。桩顶与桩底的沉降值差别不大，沿桩长的沉降值差值主要是由两侧的侧压力差异引发的桩体弯曲导致的。

(2)桩基4a和桩基4b竖向位移相对较大，最大值为5.4 mm，主要是由隧道施工步序引起的，待左侧隧道初支与二衬施作完成后，再开挖右侧隧道。

(3)既有桩基沿X轴方向的位移呈“S”型，最大位移值位于桩顶。隧道开挖产生临空面，影响范围内地层产生向临空面的位移，故上部桩基产生向临空面方向的水平位移。在隧道拱部地层竖向应力和侧向剪切滑移的作用下，对隧道下部地层产生挤压作用，故下部桩基产生远离临空面的水平位移。

(4)隧道开挖对影响范围内的桩基产生扰动，表现出明显的空间效应，Y轴方向的位移表现为抛物线，最大值位于隧道轴线位置。

2.3既有桩基力学响应分析

桩基的负摩阻力和桩侧向压力差异显著影响既有结构的承载力，提取既有桩基位移计算结果绘制曲线，如图5所示。

图5为隧道开挖引起的既有桩基轴力和弯矩响应，由图5可知：

(1)图5a为隧道开挖引起的既有桩基轴力变化曲线，轴力沿桩长变化曲线为抛物线，先增大后减小，最大值位于隧道拱顶部位。左线隧道支护完成后开挖右线隧道，对既有桩基力学响应产生叠加。

(2)隧道轴线以上，开挖引发的下沉量大于既有桩基竖向位移，桩周地层产生负摩阻力，桩基的轴力逐渐增大。隧道轴线以下，开挖引发的下沉量小于既有桩基竖向位移，桩周地层产生正摩阻力，桩基的轴力逐渐减小直至近于归零。

(3)桩基轴力变化为表征产生负摩阻力的重要指标。

(4)图5b为隧道开挖引起的既有桩基弯矩变化曲线，弯矩沿桩长变化曲线有2个反弯点，最大值位于隧道轴线位置。

(5)隧道开挖引发洞周地层应力释放，导致既有桩基靠近隧道侧地层侧向压力减小，桩体两侧地层侧压力不均衡导致桩体弯矩。

图5既有桩基轴力和桩基弯矩曲线

图6　不同施工阶段桩基轴力变化曲线

2.4施工过程中既有桩基轴力变化分析

桩基轴力变化为表征产生负摩阻力的重要指标。区间隧道采用台阶法施工，上、下台阶错距为3～5 m。待左线隧道初支与二衬施作完成后，再开挖右侧隧道，左右线的错距不小于15 m。

选取4#承台的4a桩基为研究对象，分析不同施工阶段既有桩基轴力变化曲线，如图6所示。

图6为不同施工步序既有桩基轴力的变化，由图6可知：

(1)随着施工步序的推进，既有桩基的轴力逐渐增大。隧道未开挖至承台位置到右线隧道上台阶开挖至承台位置，轴力增幅相对较大；右线隧道上台阶开挖至承台位置到隧道开挖完成，轴力增幅较小，逐渐趋于稳定。

(2)各施工步序桩基轴力沿桩长的变化趋势基本一致，轴力最大值均位于隧道拱部。

(3)既有桩基上部轴力增幅较大，表现为桩基两侧产生负摩阻力，桩基承载力衰减显著。既有桩基下部轴力逐渐减小，表现为桩基两侧产生正摩阻力，有利于桩基稳定性。

3现场实测沉降数据对比

选取北京地铁7号线某区间侧穿既有桥梁桩基为工程背景，选取的地铁区间沿朝阳区广渠门外大街设置，区间隧道采用马蹄形断面，开挖宽度6.48 m，开挖高度6.62 m，线间距为15.2 m。区间隧道侧穿既有桥桩如图7所示。

既有桥梁位于东三环交通主干路上，为10跨钢筋混凝土连续梁立交桥，区间隧道从4#与5#桥墩中间侧穿，区间隧道左右两侧距既有桥桩水平净距分别为5.432 m和4.248 m。既有结构采用柔性独立柱式桥墩设计，既有桥梁桩基采用1.5 m×0.8 m矩形钢筋混凝土桩，桩长约21 m，桩体采用C30混凝土。

图7　区间隧道与既有桥桩位置关系

选取4#和5#承台桩基布设地表沉降测点，将数据整理并与数值计算结果进行对比，如图8和表2所示。

图8　既有桥桩承台地表沉降测点布置

测点编号现场实测/mm数值计算/mm吻合度/%DB14.584.4196.3DB24.724.4995.1DB33.353.2296.2DB43.383.3097.6

注：测点编号见图8。

由现场实测与数值计算对比可以看出：

(1)承台地表沉降实测值与数值计算结果的吻合度为95.1%～97.6%，现场实测与数值计算的结果基本吻合，也验证了数值模型计算结果的合理性。

(2)既有市政桥梁产权单位给出的地表差异沉降值为10 mm，现场实测和数值计算的结果均满足既有桥桩安全性要求。

4结论

(1)右线隧道开挖引发的洞周地层位移与之前左线产生叠加效应，两隧道中部竖向位移表现为双峰状。

(2)隧道开挖引起的既有桩体的位移响应表现出明显的空间效应，沿桩长的沉降值差值主要是由两侧侧压力差异引发的桩体弯曲。

(3)既有桩基沿X轴方向的位移呈“S”型，最大位移值位于桩顶，以隧道轴线为界，既有桩基X轴方向的位移模式不同。

(4)既有桩基Y轴方向的位移表现为抛物线型，左线隧道支护完成后开挖右线隧道，对既有桩基力学响应产生叠加。

(5)隧道开挖引发洞周地层应力释放，导致既有桩基靠近隧道侧地层侧向压力减小，桩体两侧地层侧压力不均衡导致桩体产生弯矩。

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基金项目：国家杰出青年科学基金项目(51108020);河北省教育厅科技计划青年基金项目(QN2015062)

作者简介：黄鹂(1971-),女,湖北黄冈人,副教授,注册结构工程师，硕士,主要从事土木工程方面的教学和科研工作.

收稿日期：2015-09-17

文章编号：1672-6871(2016)04-0066-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.014

中图分类号：U45

文献标志码：A