大断面地铁隧道施工对邻近高架桥桩基的影响分析

□文/徐佳萌 陈长江 郭幪

大断面地铁隧道施工对邻近高架桥桩基的影响分析

□文/徐佳萌 陈长江 郭幪

以某地铁区间隧道侧穿高架桥桩基为研究背景，运用有限差分软件FLAC-3D，结合工程地质条件，模拟大断面浅埋暗挖隧道侧穿高架桥桩基的施工过程，分析开挖进尺、开挖顺序及隧道埋深对桩基的内力及位移产生的影响并得出结论。

暗挖；隧道；桩基；FLAC-3D；大断面；地铁；高架桥

随着城市地下轨道交通的日益发展，地铁隧道将不可避免地穿越建构筑物桩基，对桩基及其上建构筑物的安全和稳定影响不容忽视，大断面暗挖隧道侧穿邻近桩基更是如此。因此，如何确保隧道周边桩基的变形及内力变化在允许范围以内，保障桩基上部建构筑物安全的同时，顺利掘进隧洞，对工程设计和施工具有重要意义[1～2]。

目前，国内外学者对隧道开挖引起临近桩基的影响已做了相关的研究。刘枫等[1]对隧道开挖引起的邻近桩基反应进行了二维弹塑性数值分析，对比了开挖条件下单桩与群桩反应的差异，得出了一些对工程建设有意义的结论；张云军等[2]基于隧道开挖的工程实例，采用有限元方法，对开挖引起的地面、建筑物角点的沉降规律做了分析与探讨，同时也分析了桩和底板的弯矩、轴力、剪力等变化规律。N.Loganathan等[3]通过离心模型试验得出了隧道开挖引起的地层移动和对于邻近桩基的影响；Lee等[4]应用三维弹塑性有限元技术，探讨了隧道-桩的相互作用及隧道开挖对邻近桩基的影响。Chen等[5]假设土体为理想弹性介质，分析了隧道开挖引起的桩体反应，得到了对实际工程有指导意义的实用简化图表。在已有研究工作的基础上，本文对某区间大断面暗挖隧道侧穿高架桥桩基进行了三维数值分析，在考虑开挖进尺、开挖顺序及超前加固方式等因素基础上，研究了隧道开挖对桩基位移及内力产生的影响并将计算结果与监测结果进行对比。

1　工程概况

1.1隧道与桥梁桩基相对位置关系

新建大断面暗挖隧道全长184.6 m，掘进约129 m后下穿高架桥，隧道与高架桥桩基平面位置最近为1.29 m，见图1。

图1　隧道与高架桥桩基关系

1.2工程地质

区间地貌单元属岗地及岗间洼地，地形起伏较大。区间隧道主要穿越拟建场地自上而下地层主要为杂填土、素填土、粉质粘土（可塑-硬塑）、全风化钙、泥质砂岩、强风化钙、泥质砂岩、中风化钙、泥质砂岩[6]。

2　施工数值模拟

2.1数值模型及参数

在MIDAS中建立实体模型，然后导入有限差分软件FLAC-3D进行隧道开挖计算，其中土体屈服采用Mohr-Coulomb准则，结构采用弹性本构模型。土体采用六面体及四面体实体单元，超前大管棚、超前小导管支护及二衬采用壳单元模拟，桩基采用pile单元模拟，其桩基参数值参考文献[7～8]确定。初支及桩基承台采用实体单元，承台土体之间设置接触面。为确保计算精度，在隧道周围采用较细密网格单元，距离开挖范围越远，单元尺寸越大。选择距离隧道最近一侧的4根桩作为研究对象，桩基距离隧道最近为1.30 m，桩基直径为1.8m，桩长为24m，桩承台施加均布荷载577kN/m2。相应的数值模型见图2-图3。

图2　划分后的网格模型

图3　桩基与隧道的位置关系

计算范围横向取至距隧道中线两侧各4倍盾构隧道直径，模型底部边界至隧道底部距离为3倍洞径，整体模型长×宽×高为106 m×60 m×49 m。模型边界条件对于左右侧给定X方向位移约束，前后侧给定Y方向位移约束，底部给定Z方向约束。各材料参数见表1。

表1　材料参数

2.2施工方案模拟

暗挖隧道断面宽12.40 m、高9.25 m，拱部150°布设φ108 mm×6 mm超前管棚及φ42 mm×3.25 mm超前小导管注浆支护，初支采用C25混凝土，厚0.3 m；二衬采用C35、P10混凝土，厚0.5 m。依据已有经验，采用CRD法开挖。开挖顺序考虑两种，分别为先开挖左侧土与先开挖右侧土，其施工步序见图4和图5。

图4　开挖方案一

图5　开挖方案二

根据实际施工情况，模拟过程如下：

1）建立三维模型，赋予各土层参数，计算初始应力至平衡；

2）超前小导管及超前管棚注浆，加固地层；

3）开挖第1部分土体，每次开挖进尺为3 m，开挖第1环后，施做第1环的初支及临时支撑，开挖第1部分的第2环，同时开挖第2部分第1环并施做第2部分的初支及临时支撑，以此类推，待第6部分第1环开挖完成后，拆除第1环临时支撑，施做二衬；

4）记录相应各点的位移及结构内力，重复第3步，直至开挖完成。

3　计算结果与分析

分别选取开挖进尺、开挖顺序以及隧道埋深进行分析及比选。

3.1不同的开挖进尺

设定前排桩基距离隧道1.3 m，后排桩基距离隧道净距3.0 m，其余参数保持不变，分别按开挖进尺为2、4、8 m进行模拟计算，研究前后排桩身的弯矩、侧向位移及轴力的变化。计算结果见图6-图11。

图6　不同开挖进尺时前排桩基弯矩变化

图7　不同开挖进尺时后排桩基弯矩变化

图8　不同开挖进尺时前排桩基侧向位移

图9　不同开挖进尺时后排桩基侧向位移

图10　不同开挖进尺时前排桩基轴力变化

图11　不同开挖进尺时后排桩基轴力变化

由图6和图7可知，隧道开挖引起的弯矩变化呈双曲率曲线变化，其最大值出现在开挖隧道中心位置。桩基弯矩变化值随着开挖进尺的增大逐渐加大，当开挖进尺为8 m时，前排桩基最大值约320 kN·m，后排桩基最大值约230 kN·m，而当开挖进尺为2 m时，前排桩基弯矩变化最大值约200 kN·m，后排桩基弯矩变化最大值约150 kN·m。

由图8和图9可知，由不同开挖进尺引起的桩基侧向变形影响较小，前后排桩基侧向位移最大值出现在桩基顶部，开挖进尺8 m时所引起的桩基侧向变形较开挖进尺2 m时引起的桩基侧向变形前后排桩相差约为5 mm。

由图10和图11可知，隧道开挖引起的轴力变化随着桩长在隧道开挖范围内有逐渐增大的趋势，隧道开挖面以下轴力变化逐渐减小且随着开挖进尺的加大，轴力变化值也呈逐渐加大的趋势。

综上，随着开挖进尺的增大，隧道开挖引起桩基的弯矩、轴力及侧向变形均不同程度的加大。其中，弯矩和轴力增加较为明显。

3.2不同开挖顺序

根据隧道断面特点，断面开挖顺序按图4和图5顺序考虑。其余参数保持不变，结果见图12-图17。

图12　不同开挖顺序前排桩基弯矩变化

图13　不同开挖顺序后排桩基弯矩变化

图14　不同开挖顺序前排桩基侧向位移

图15　不同开挖顺序后排桩基侧向位移

图16　不同开挖顺序前排桩基轴力变化

图17　不同开挖顺序后排桩基轴力变化

由图12-图17可知，改变隧道的开挖方式对桩基的弯矩、轴力变化及侧向位移的影响较小，但开挖顺序1相比开挖顺序2对临近桩基的影响更小，这主要是因为开挖顺序2开挖对邻近桩基会造成二次影响，形成桩基侧土体的两次应力释放，故在施工时应优先考虑按照开挖顺序1进行开挖。

3.3不同覆土厚度

选取覆土厚度为8、12、16 m三种工况进行计算分析，计算结果见图18-图23。

桩长一定的情况下，随着覆土深度的增加，最大弯矩点向下移动且当覆土达到16 m时，弯矩变化最大值较覆土为8、12 m时减小了约2/3，这主要是由于覆土16 m时，隧道断面大部分进入岩层中，地质情况较好，故隧道开挖对邻近桩基影响也较小。侧向位移曲线及轴力曲线有相同趋势，但侧向位移变化相对较小。

图18　不同覆土深度前排桩基弯矩变化

图19　不同覆土深度后排桩基弯矩变化

图20　不同覆土深度前排桩基侧向位移

图21　不同覆土深度后排桩基侧向位移

图22　不同覆土深度前排桩基轴力变化

图23　不同覆土深度后排桩基轴力变化

4　现场监测

监控量测是隧道设计的一部分，也是施工中重要的组成部分，其结果可以更好地预测隧道本身及周边建构筑物的变形及内力发展趋势，及时指导施工，必要时修改设计，确保工期和施工安全。针对本文重点研究的区域，其监测点布置见图24。

图24　监测点布置平面

隧道开挖通过后，分别对桥桩基位置处的地面沉降和桥墩沉降进行分析，通过对比模拟计算数据与实测数据，结果见图25和图26。

图25　地面计算沉降与实测沉降对比曲线

图26　桥墩计算沉降与实测沉降对比曲线

由图25和图26可知，实测值与计算值变化趋势能较好的吻合。实测地面沉降值最大为9.9 mm，计算最大值为10.78 mm且实测最大值位置偏离计算值最大值，这主要是由于实际地层与模拟地层的差异及数值模拟对现场施工步骤的简化所引起。由图26可知，大断面隧道开挖引起的临近桩基竖向沉降计算值最大为-1.42 mm，实测值最大为-2.0 mm，距离隧道较远的桥墩因隧道开挖引起的桥墩沉降较距离更近的桥墩的沉降值更小，计算值与实测值均在安全范围内。

5　结论与讨论

1）本次断面开挖引起的侧向位移变化规律为桩基顶部向洞内侧移动，而到隧道中部位置，桩基侧向位移向洞外侧移动，其变形特点主要是因为隧道断面形式所引起的。

2）不同的开挖进尺对临近隧道桩基有较大影响，开挖进尺越大，所引起的临近桩基的内力变化越大，而对桩基侧向变形的影响则主要集中在桩基顶部，到桩基中下部，位移的差异逐渐变小。

3）针对不同的开挖顺序，开挖顺序1较开挖顺序2对临近桩基的影响相对更小，但内力变化及位移的差别不大，根据现场施工状况优先选择开挖顺序1。

4）覆土深度的大小对临近桩基的内力影响较大，当隧道埋深越深时，开挖范围内土质条件越好，则临近隧道桩基的内力及位移变化越小且当桩基长度一定时，随着隧道埋深增加，则桩基内力变化的最大点与侧向位移的最大点也向下移。

[1]刘枫，年廷凯，杨庆，等.隧道开挖对邻近桩基工作性能的影响研究[J].岩土力学，2008，289（S1）:615-620．

[2]张云军，宰金珉，王旭东，等.隧道开挖对邻近桩基影响的二维数值分析[J].地下空间与工程学报，2005，1（6）:832-836.

[3]LOGANATHAN N，POULOS H G，Stewart D P.Centrifuge model testing of tunnelling-induced ground and pile deformations[J].Geotechnique，2000，50（3）：283-294.

[4]LEE T K，NG W W.Effects of advancing open face tunnelling on an existingloaded pile[J].Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2005，131（2）:193-201.

[5]CHENLT，POULOSH G，LOGANATHANN.Pile responses causcaused bytunneling[J].Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，1999，125（3）:207-215.

[6]中铁隧道勘测设计院有限公司.宁和城际一期工程设计文件[R].天津：中铁隧道勘测设计院有限公司，2014.

[7]肖昭然.单桩分析的双曲线模型及相应参数的确定[J].土工基础，2002，16(3):60-63.

[8]杜晓霞.上部结构—桩筏基础—地基共同作用的非线性数值模拟[D].南京:南京理工大学，2005.

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.016

□陈长江、郭幪/中铁隧道勘测设计院有限公司。

□TU473.1

□C

□1008-3197（2016）05-46-04

□2016-08-15

□徐佳萌/男，1984年出生，工程师，硕士，中铁隧道勘测设计院有限公司，从事地下结构工程方面的设计及研究。