大跨度隧道施工对临近高架桥桩基影响

(中南林业科技大学，土木与建筑工程学院 湖南 长沙 410004)

引言

隧道的开挖改变了围岩体原有的应力平衡，导致应力重新分布，会引起隧道周边一定范围内的围岩体产生位移变形，将对临近的桥梁桩基等建筑物结构产生一定的影响。目前的研究多针对于地铁区间隧道开挖及市政隧道开挖对既有建筑物桩基的影响，而针对山岭隧道矿山法施工对高架桥桩基的影响研究较少，本文依托于重遵复线松坎隧道施工临近兰海高速韩家店I号特大桥的实际工程，对不同隧道与桥梁桩基距离、不同偏压条件、不同施工工法及施工顺序下大跨度隧道开挖对桥基影响规律进行了研究和分析，可为类似工程提供参考[1～6]。

一、工程概况

松坎隧道位于贵州省黔东南地区，隧道进出口洞门仰坡地形陡，为逆向坡，强风化岩体破碎，中风化岩体较破碎～较完整且隧道右侧存在堆积体，边仰坡开挖易诱发堆积体失稳。该隧道进口段下穿韩家店I号特大桥(主跨210m)且右幅隧道YK4+950附近设计高程与桥梁主墩桩基高程基本一致，最近水平距离仅有29.7m。该隧道设计时速100km/h，行车道宽3×3.75m，净高5m，属于大跨度隧道。该隧道左幅3115m，右幅3105m，为特长隧道。隧道与钢构桥梁距离较近，隧道施工时不可避免要扰动周边围岩体，若引起大桥基础沉降超过桥梁允许变形范围将对桥梁结构安全造成重大影响。

二、数值模型建立

(一)模型建立

根据实际工程情况建立数值模型，该模型采用摩尔-库伦屈服准则，模型下边界取50m，左右边界也为50m，模型上边界为地面线，模型左右边界约束水平位移，底部边界约束竖向位移，上部地表为自由面。该隧道拟采用双侧壁导坑台阶法施工，先开挖左线隧道，再开挖右线隧道。

本模型采用壳结构单元模拟工字钢和喷射混凝土的初期支护，并附到围岩网格上，计算隧道初期支护和围岩的共同受力和变形。

图1 隧道与高速路特大桥主墩有限元模型

(二)计算参数取值

根据详勘报告，隧道上方地质分别为黏土层，强风化泥质灰岩，中风化泥质灰岩，具体围岩参数如表1。此外，本次计算中，隧道二衬、桥梁承台及桩基均采用C30混凝土，初期支护采用C25喷射混凝土。初期支护中型钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将型钢拱架的弹性模量折算给喷射混凝土，按式1计算，二衬中钢筋的作用也采用上述方法进行等效计算，支护参数见表2。

(1)

式中，E为折算后弹性模量；E0、Sc分别为喷射混凝土的弹性模量和面积；Eg、Sg分别为钢拱架的弹性模量和面积。

表1 岩土主要物理力学参数表

表2 衬砌主要物理力学参数表

三、计算结果分析

(一)隧道施工对桥梁桩基的影响分析

隧道开挖围岩塑性区分布图以及桥梁桩基位移情况如下图：

图2 隧道开挖后围岩塑性区分布图

图3 隧道开挖后桥梁桩基位移图

隧道周边及靠近隧道一侧桩基的围岩在隧道开挖后产生了较大的扰动，形成了一定的塑性区；隧道拱顶最大沉降为10.7mm，桥台的最大位移为1.74mm，最大差异沉降为2.1mm，隧道开挖对桥梁桩基稳定性的影响较大。

(二)不同隧道与桩基承台距离下隧道开挖对桥基的影响分析

由于松坎隧道距离韩家店I号特大桥桩基较近，为比选隧道与桩基承台距离对桥梁变形位移的影响分析，分别建立了4个对比方案，第一个方案将隧道向远离桥基一侧平移10m，第二个方案将隧道向远离桥基一侧平移20m，第三个方案将隧道向远离桥基一侧平移30m，第四个方案将隧道向靠近桥基一侧平移10m。

如图4所示，为不同隧道与桩基承台距离下隧道开挖引起的最大隧道沉降、桥基沉降及桥基差异沉降值，从图中可以看出：隧道拱顶沉降受隧道与桩基之间距离影响较小，且当距离超过30m时，隧道拱顶沉降基本不受影响；当隧道与桩基距离大于40m时，桩基沉降及差异沉降均较小，说明此时隧道开挖对桩基影响很小；当距离小于20m时，桩基最大沉降2.6mm，差异沉降最大3.8mm，桩基沉降及差异沉降均较大，隧道开挖将对桩基造成较大的影响；图中桥基差异沉降值较大，说明桥基向隧道开挖一侧倾斜，桥基整体发生了一定旋转，导致桥基左右两侧差异沉降较大。

图4 不同隧道与桩基承台距离下各观测点最大沉降图

(三)不同偏压条件下隧道开挖对桥基的影响分析

为了探讨不同偏压条件下隧道开挖对桥基的影响，选取地表偏压角度分别为0°、10°、20°、30°及40°下5中工况进行分析，且设定隧道侧高，桥基侧低，山体由隧道一侧向桥基一侧偏压。

图5 不同偏压角度下各观测点最大沉降图

如图5所示，为不同偏压角度下隧道开挖引起的最大隧道沉降、桥基沉降及桥基差异沉降值，从图中可以看出：偏压角度对于隧道拱顶沉降的影响较大，当偏压角度逐渐增大时，隧道由浅埋状态逐渐转变为深埋状态，隧道拱顶最大沉降先增大，后减小，最大沉降为13mm；当偏压角度大于10°时，桥基最大差异沉降随偏压角度的增大有一定减小，这是因为在偏压条件下，土体整体向桥基一侧挤压，桥基由于隧道开挖土体损失向隧道一侧的水平位移减小，桥基偏转角度较小，使得差异沉降较小；桥基最大沉降及差异沉降变化量均较小，最大沉降约2.2mm，最大差异沉降约2.3mm，说明不同偏压条件下隧道开挖对桥基的影响较小。

(四)不同施工工法及施工顺序对桥基的影响分析

原施工方案先开挖左线，后开挖右线，施工工法采用双侧壁导坑台阶法，为了更近一步了解不同施工工法及施工顺序对桥基的影响，建立先右线开挖，后左线开挖工况，另外建立上下台阶法施工工法的工况进行分析。

表3 不同施工工法及施工顺序下各观测点最大沉降值

如表3所示为不同施工工法及施工顺序下隧道开挖引起的最大隧道沉降、桥基沉降及桥基差异沉降值。从表中可以看出：采用上下台阶法施工，会对桥基造成较大影响，隧道自身沉降也较大，在施工过程中需严格控制施工工法，防止隧道开挖对桥基造成较大影响；由于隧道左线距离桥基较远，先施工右线或者左线对桥基影响较小。

四、结论

(1)隧道开挖对桥梁桩基稳定性的影响较大，隧道拱顶最大沉降为10.7mm，桥台的最大位移为1.74mm，最大差异沉降为2.1mm，施工过程中，要加强监测，建立应急方案，一旦隧道及桩基变形超过警戒值时，立即采取相应加固措施。

(2)隧道拱顶沉降受隧道与桩基之间距离影响较小，当距离超过30m时，隧道拱顶沉降基本不受影响，而当距离小于20m时，桩基最大沉降2.6mm，差异沉降最大3.8mm，桥基沉降及差异沉降受隧道与桩基之间距离影响较大。

(3)不同偏压条件下隧道开挖对桥基的影响较小，对于隧道拱顶沉降的影响较大。若采用上下台阶法施工，会对桥基造成较大影响，隧道自身沉降也较大，要严格控制施工工法。