桥梁桩基施工对邻近地铁隧道的影响分析

杨 赢 郭树海 曹 牧 何余良

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000;2.中设设计集团有限公司，江苏 南京210001)

随着城市建设的不断发展，地铁隧道与桥梁相交的问题日益突出.任何对土体的扰动均会改变其原有状态，对邻近的地下构筑物产生影响.由于地铁隧道开挖对土层扰动较大，目前较多的研究是分析地铁隧道开挖对邻近结构的影响.而桥梁大直径桩群的施工和后期荷载的施加，对改变局部的应力分布状态，也有着不可忽视的影响.新建立交桥与既有地铁相交的问题日益突出.

地铁正常运行对变形有严格的要求，如隧道结构最终绝对位移不能超过20 mm，变形曲率半径不小于1/15 000，相对弯曲不大于1/2 500[1].因此，大直径桥梁桩基对地铁区间隧道的影响也逐渐受到人们的重视.冯龙飞[2]考虑桩周土体软化对应力传递的影响，通过有限元模型分析了钻孔灌注桩对既有地铁结构的影响.徐涛[3]通过数值模拟研究了桥台桩基对采用矿山法施工的地铁隧道初期支护结构可能产生的影响，并给出了相应的保护措施.刘力英等[4]分析对比了平面应变模型和三维实体模型在模拟桩基对既有地铁隧道的影响时的不同结果，指出三维模型更为合理.徐云福[5]对试桩过程中对试桩周围土体深层水平位移、隧道结构竖向位移和沉降进行了现场监测.楼晓明等[6-7]分析了高层建筑钻孔灌注桩对跨越地铁隧道时的影响，并结合工程实测对结果进行了分析.Lee[8]基于模型试验和数值模拟，对桩基影响范围进行了二维模型计算.闫静雅[9]通过有限元方法对软黏土中桩基础荷载对邻近已有隧道的变形及受力进行了参数敏感性分析.Cheng[10]采用位移控制模型进行了隧-土-桩的相互作用分析.

本文以104国道浦泗立交跨南京地铁S8号线项目为背景，采用ABAQUS建立平面和三维有限元模型，对桥梁钻孔灌注桩施工的全过程进行数值模拟，分析各阶段桩基施工对地铁隧道的水平、竖向位移及地表沉降的影响，以期为城市桥梁桩基施工提供参考和积累经验.

1 工程概况

在浦泗立交与地铁S8号线的相交处，共有主线桥、B匝道桥和C匝道桥三座桥梁.其中，主线桥标准断面宽32 m，跨度58 m.C匝道桥标准宽度10 m，主线桥和C匝道桥上部结构均采用预应力钢筋混凝土箱梁.B匝道桥为标准宽度20 m的曲线型钢箱梁桥.桥梁下部基础均采用端承式钻孔灌注桩，桩径1.5 m.在交叉处，地铁S8号线以隧道形式下穿立交桥，洞顶埋深为10 m，双洞中心间距15 m，隧道直径6.2 m.本次计算选取桥梁桩基较为集中，且桩顶荷载较大的区域进行分析，包含的桥墩有主线桥2#墩和C匝道桥1#墩.计算区域平面位置如图1所示.

图1 计算区域平面图

根据地铁保护要求，桩基础与地铁隧道间距不小于5 m.在计算区域内，最小桩-隧间净距为5.2 m，桩长均为17.0 m.其中主线桥2#墩桩顶承台高度3 m，应适当考虑大体积承台的影响.对于计算断面1处，桥梁桩基与地铁隧道位置及地层分布情况如图2所示.

图2 工程剖面图

2 有限元建模

2.1 模型概况

根据地铁隧道和桩基的相对位置，建立计算断面一处平面有限元模型.模型尺寸为水平×竖向=60 m×50 m.土体顶面为自由面，约束体侧向水平位移，底部为水平和竖向约束.通过接触关系来定义土体与结构的相互作用.其中承台底面和桩底与土体之间采用法向硬接触，桩和承台侧面除法向接触外还定义切向有摩擦接触，摩擦系数按经验取为0.4.土体和结构物均采用平面应变单元CPE8R模拟，整个模型共包含节点34 060个，单元32 330个.本文模型仅考虑荷载的静力效应，且只针对桩基施工和桩顶荷载施加的过程，不涉及长期的地基沉降行为.有限元模型和网格划分如图3所示.

图3 有限元模型网格

2.2 材料与荷载参数

桩基和承台采用C40混凝土，视为理想弹性体，其物理力学参数依据规范取值.土体采用Drucker Prager塑性本构模型.根据现场钻探结果，各土层地质参数如表1所示.在模型中，根据实际土体分层情况，分别对相应地层赋予材料属性.

表1 各土层物理力学指标

土层重度γ/kN·m-3压缩模量/MPa泊松比内摩擦角φ/°黏聚力c/kPa填土18.0100.38108粉砂19.616.530.3426.26.0粉质黏土119.75.680.38.621.5粉土19.96.710.3624.712.0粉质黏土220.15.610.39.427.5强风化砂质泥岩22.6260.33060中风化砂质泥岩23.4————

注：填土的物理力学参数按经验取值

根据桥梁上部结构MIDAS整体建模计算结果，主线桥2#墩和C匝道桥1#墩的桩顶荷载分别为7 980 kN和7 700 kN.

2.3 模拟工况

桩基础的施工是一个连续变化的过程，主要可以分为以下几个工况：

1)初始地应力平衡，位移清零；

2)承台及内侧桩基开挖施工，钻孔并泥浆护壁；

3)灌注内侧桩基混凝土

4)外侧桩基开挖施工，钻孔并泥浆护壁；

5)灌注外侧桩基及承台混凝土

6)添加上部桥梁荷载.

在ABAQUS中采用MODEL CHANGE功能对各施工阶段相应的结构部件、边界条件、荷载和接触关系进行激活或抑制.全过程考虑重力影响，钻孔过程中泥浆的护壁作用通过施加静水压力的形式模拟.

3 计算结果

3.1 土体变形

图4给出了在上部桩基荷载施加后土体的累计变形情况.由图可知，土体竖向位移随着深度的增加而减小，最大沉降出现在承台顶面，为3.32 mm.主线桥2#墩桩基由于荷载量值大，其影响范围明显大于C匝道桥2号墩.由桩基引起的土体水平位移较小，主要发生在承台附近，基本呈现对称分布，最大水平位移1.07 mm.

(1)竖向位移

(2)水平位移图4 土体最终累计位移云图

3.2 隧道变形

图5 给出了各施工阶段地铁区间隧道的最大水平和竖向位移的变化曲线.

图5 不同施工阶段隧道最大位移发展曲线

由此可知，随着桩基施工，地铁隧道的水平和竖向位移逐渐增大.隧道位移的发展主要分为两个阶段：(1)初始状态到桩基混凝土灌注.一旦桩基开挖，隧道变形就产生了.在混凝土灌注和后续桩基施工过程中，由于泥浆护壁和混凝土灌注的填充作用，隧道水平和竖向位移基本维持在0.2～0.4 mm之间，增长较缓.(2)桩顶荷载施加.在这一阶段，由于桥梁上部结构巨大的荷载作用，土体发生进一步沉降.其中竖向位移迅速增长，最大竖向附加沉降量为1.230 mm，为桩基施工完成时的2.76倍.最大水平附加位移量为0.691 mm，为桩基施工完成时的1.25倍，.由此可知，地铁隧道的变形主要是由于桥梁上部结构荷载引起.

由于现场地质条件良好，计算所得的地铁隧道变形量均小于安全限值10 mm.按此桩基布置，可以保证地铁的安全运营.

4 三维有限元分析计算

已有研究结果表明，与平面有限元模型相比三维有限元能够得到更为精确的计算结果[4].故本文在平面模型的基础上，进一步采用三维有限元模型对桥梁桩基施工对邻近地铁隧道及其周围土体的变形影响进行分析.三维模型计算范围取桩基40 m范围内的土体.桥梁桩基与地铁隧道的模型如图6所示.

图6 结构模型

图7给出了三维模型计算所得的土体最终累计变形情况.

(1)水平位移

(2)竖向位移图7 三维模型土体最终累计变形

就地面变形而言，三维模型所得的水平和竖向位移分别为1.056 mm和3.155 mm，略小于二维模型计算结果，但相差较小.两者变形规律一致.

表2给出了不同工况下二维和三维有限元模型计算所得隧道变形结果对比.

表2 二维和三维模型位移结果对比

工况三维模型二维模型水平/mm竖向/mm水平/mm竖向/mm30.303-0.2090.419-0.24640.316-0.2380.425-0.35650.321-0.2610.518-0.37360.357-0.2960.552-0.44570.512-1.0260.691-1.230计算耗时/s1 206.227.3

计算结果表明，三维模型的计算所得的地铁隧道变形与平面模型的变化趋势一致，但数值偏小，最大水平和竖向位移减小幅度分别为25.9%和16.6%.尽管三维模型计算的精度高于二维模型，但其计算效率均明显低于平面模型，耗时为二维模型的44.1倍.因此，在工程应用中可优先采用偏于安全的平面模型进行分析，当现场结构复杂或计算结果接近安全限值时，可采用三维模型进行校验，以达到较好的经济效果.

5 结论

本文基于ABAQUS软件的MODEL CHANGE功能，模拟了立交桥梁大直径钻孔灌注桩施工全过程对邻近地铁隧道的影响.可以得出以下结论：

(1)上跨地铁S8号线的浦泗立交桥梁桩基施工引起的地铁隧道沉降和水平位移均在10 mm以内，按当前桩基布置形式能满足地铁保护要求.

(3)在施工过程中，桩基开挖和混凝土灌注对地铁的影响较小.后期桥梁荷载引起的地基沉降是引起地铁隧道变形的主要因素.应加强施工过程和后期运营阶段对地铁隧道变形的监控.

(2)三维有限元模型计算所得结果要小于二维有限元结果.实际应用中必要时可采用三维有限元模型进行校验.