城市隧道出洞段施工对邻近桩基稳定性影响研究

王海龙

（中铁隧道集团一处有限公司，重庆400000）

目前，城市公路隧道穿梭于大城市的各个地段，近几年出现越来越多隧道在既有挡墙上进出洞，其施工安全性日益引起人们重视，国内外学者及相关工程技术人员针对隧道施工过程对周围环境的影响进行了大量研究，主要从隧道施工对周围地层和临近结构两个方面的影响进行具体研究。其中，吴超俊采用有限元分析了隧道开挖对桥墩的应力及位移影响，指出隧道开挖后桥梁桩身将受到围岩的负摩擦力作用，开挖荷载对桩基应力影响不仅与桥墩到开挖隧道之间的距离有关，还与桥梁桩基高度有关。肖望东用FLAC3D 分析了隧道开挖对经过桩基中心处的地表沉降变化以及开挖后桩基的水平位移和竖向沉降进行了研究，认为隧道开挖对离地表下方4 m 处的桩水平位移影响最大；隧道开挖对地表以下3 m 内桩沉降影响最大；对比桩的竖向沉降和水平位移可以发现，无论桩的水平位移还是竖向沉降，在-8 m 以下部分桩的位移变化幅度均较小。皮小强等人通过ansys 有限元软件对城市隧道出洞口开挖顺序及其加固挡墙的优化进行了研究，得出双连拱隧道出洞时采用逆向开挖出洞最安全，先顺进后逆出洞的开挖方式最经济的结论；同时对洞口加固挡墙的结构进行了优化。

综上，当前大多数隧道施工对邻近桩基影响的研究，其桩基都是在隧道附近，而对位于隧道进出洞段隧道开挖对桩基的影响的研究较少。鉴于此，本文基于重庆市雷家坡立交隧道工程，对城市隧道出洞段施工对邻近桩基稳定性进行研究。

1 工程概况

雷家坡立交工程位于重庆市渝中区南纪门，地处渝中区南区路与中兴路交汇点，南临长江，北依雷家坡，东西向为南干道。立交主体包含桥梁总长约714.6 m，隧道总长为404.4 m。进出洞口均需要破除南区路约10.5～12 m 高的桩板挡墙，墙后素填土厚度为7.9～13.4 m，隧道开挖前实景如图1 所示。

图1 隧道开挖前实景图

隧道主体分为A、B 匝道进出口，按两车道布置，桩板挡墙的抗滑桩尺寸为2 m×3.5 m、2 m×4 m，隧道结构如图2 所示。

图2 隧道结构平面图

出洞口B 匝道ⅥC 型衬砌隧道断面如图3 所示。

进出洞口采用重力式挡墙+预应力锚索+横梁进行加固，重力式挡墙基础采用桩基+承台进行传力，隧道结构如图4所示。

图3 出洞口B 匝道ⅥC 型衬砌隧道断面图

图4 隧道结构平面图

出口段隧道原设计施工顺序如下：①对南区路路基填土进行注浆加固；②对原有抗滑桩横梁打设锚索加固；③洞口处回填土石，回填至承台顶标高，形成工作平台；④施做桩基及承台，桩基顶部局部采用空钻；⑤施做重力式挡墙，施做过程中预留管棚施做空间；⑥施做管棚及套拱；⑦打穿既有桩板挡墙；⑧用CRD 法进行隧道施工。

2 地层结构法模型建立

2.1 选取计算参数

本次计算中，岩土材料采用M-C 模型。岩石、土体、桥墩、桥桩、隧道二衬均采用三维实体单元模拟。隧道喷射混凝土初支、临时支护、桩板挡墙、公路均采用二维壳体单元计算。本项目选取的计算参数如表1 所示。

2.2 计算模型

使用MIDAS/GTS 建立有限元模型，共划分为462 382个单元，如图5 所示。

三维模型的计算荷载如下：①结构自重；②隧道开挖产生的围岩释放荷载；③公路汽车荷载14.7 kPa；④桥梁垫块荷载取值经过midas/civil 计算转换为等效荷载施加。

三维模型的计算边界条件：计算模型的底面约束竖直方向z 方向的自由度，侧面约束侧向x、y 方向的自由度，地表为自由面。

2.3 模型计算步骤

模型按以下几个阶段进行：①模拟在自重应力场中围岩的应力状态；②模拟挡墙外填土开挖施工过程；③模拟承台及桩基、管棚、注浆区施工和进出洞段重力式挡墙施工；④按3 m 掘进进尺模拟雷家坡隧道CRD 法开挖和衬砌支护过程；⑤模拟二衬施工过程。

表1 计算参数

图5 模型网格图1

3 桥梁桩基距隧道出洞口挡墙相对距离的影响分析

3.1 计算工况

分别选取距洞口桩板挡墙纵向（y 方向）距离为7 m、5 m、3 m、1 m、-1 m、-3 m、-5 m、-7 m 处建立桥梁桩基模型，共8 个模型；每个模型桥梁桩基入岩深度都取6 m（3 倍桩直径）；模型沿横向（x 方向）对称建立3 根桥梁桩基，研究桥梁桩基在距隧道开挖洞口不同距离处位移及受力情况。

3.2 桥梁桩基水平位移影响分析

3.2.1 水平y 方向位移分析

通过计算，除距离隧道开挖洞口-1 m 处桥桩y 方向，位移最大处位于中间桥桩中部（即往挡墙外侧位移），其余每排3 根桩的y 方向位移最大处都处在中间桩位置，并且位于桥梁桩基的顶端（往挡墙内位移），水平y 方向位移如图6所示。

图6 水平y 方向位移图

整理8 个桥梁桩基模型最大y 方向位移，得到位移曲线图，如图7 所示。

图7 桥梁桩基最大y 方向位移曲线图

由图6、图7 可得，桥梁桩基离挡墙距离越近，开挖对桥梁桩基y 方向的位移影响越大，并且在1 m 处达到峰值27.984 mm。随着桥梁桩基础与洞口挡墙距离的增加，桥梁桩基在y 方向的位移也同时减小，+y 方向的位移减小速率十分显著，1～7 m 处减小变化量为14.455 mm。而位于-y 方向的位移变化量不明显，在背离隧道开挖-y 方向的桥梁桩基y 方向位移量和位移变化，相对+y 方向的桥梁桩基y 方向位移变化量非常小，其最大+y 方向位移量仅为+y 方向桥梁桩基的3.6%，-y 方向位移量仅为+y 方向桥梁桩基的12.25%，表明隧道的开挖对背对开挖方向的桥梁桩基扰动显著小于对隧道开挖同侧的桥梁桩基。

按距桥梁桩基距离提取节点y 方向位移，整理归纳。桥梁桩基y 方向节点位移如图8 所示。

隧道开挖对桥梁桩基的影响主要表现在中部位置和顶部位置，中部桥梁桩基向开挖隧道洞口方向偏离。距离开挖洞口1 m 处的桩基y 方向位移最为明显，达到-y 方向位移最大量20.35 mm，随着埋深逐渐减小并在距桩底24 m 处变为正值，即位移方向变为向隧道开挖掘进方向偏移，此规律一直延伸到桩顶部位置，并在顶部达到+y 方向最大位移17.62 mm。3 m、5 m、7 m 处桥梁桩基均遵守此规律。随着离开挖洞口距离的增加，1～7 m 处桩基y 方向位移抛物线变化逐渐平缓，7 m 处桥梁桩基最大-y 方向位移为8.66 mm，相较1 m 处桥梁桩基位移量减小了11.69 mm，最大+y 方向位移为8.23 mm，相较1 m 处桥梁桩基位移量减小了9.39 mm。表明隧道开挖对桥梁桩基的扰动在越靠近开挖洞口的位置其影响越大，而离开挖洞口越远，其对桥梁桩基扰动的影响就越弱。

图8 桥梁桩基y 方向节点位移图

3.2.2 水平x 方向位移分析

通过计算发现，水平方向的位移主要以两侧桥墩顶部位移为主，两隧道中间桥梁桩基x 方向的位移明显小于两侧，计算云图如图9 所示。

图9 x 方向位移云图

将8 个模型右侧桥梁桩基最大x 方向位移值进行统计整理，桥梁桩基水平x 方向最大位移曲线如图10 所示。

由图10 可得，隧道出洞口桥梁桩基距离挡墙3 m 内时，其水平位移影响明显比3 m 以上位移值大；其最大位移值为1.573 mm，其水平x 位移值远小于y 方向位移值27.984 mm；表明隧道开挖对面向开挖方向的桥梁桩基础水平x方向的扰动显著小于隧道开挖同侧的桥梁桩基。

图10 桥梁桩基水平x 方向最大位移曲线

综上，出洞口隧道开挖对挡墙内侧桥梁影响较大，桥梁桩基越靠近隧道开挖出洞口，开挖对地层的扰动使桥梁桩基的位移影响越明显，其往墙体外侧位移值越大；当桥梁桩基位于挡墙外侧时，隧道开挖对桥梁桩基的影响较小。建议隧道出洞口应选择桥梁桩基位于挡墙外侧时出洞，当桥梁桩基位于挡墙内侧时应在距离挡墙5 m 以上位置出洞，减小隧道开挖对其的影响。

3.3 桥梁桩基竖向位移影响分析

通过计算发现，距隧道开挖面y 方向不同的桥梁桩基，其桩身的沉降有明显差异，如图11、图12 所示。

图11 挡墙外侧桥梁桩基沉降位移云图

图12 挡墙内侧桥梁桩基沉降位移云图

由图11、图12 可知，隧道出洞口开挖对桥梁桩基最大竖向位移的影响主要发生在两隧道中间的桥墩，其最大竖向位移值为1.02 mm，在挡墙外侧的桥梁桩基竖向位移最大值为0.21 mm，在挡墙内侧的最大竖向位移值为1.02 mm，外侧桥梁竖向位移占内侧的20.05%，隧道开挖对位于挡墙内侧的桥梁桩基竖向位移影响远大于位于挡墙外侧的桥梁桩基。桩基沿z 方向位移变形曲线如图13 所示。

图13 竖直方向节点位移图

在挡墙内侧桥梁桩基z 方向位移图线呈连续下降的曲线，在距离开挖洞口1 m 处的桩基z 方向位移最为明显，达到z 方向位移沉降最大量1.02 mm，而3 m、5 m、7 m 处的桥梁桩基越靠近桩底其z 方向位移趋近于0，随着埋深减小，距桩底3 m 时，其z 方向位移的减小量随埋深的减小呈现直线状态，但直线斜率明显低于1 m 处桥梁桩基。其中1～3 m处桥梁桩基位移沉降量显著减小，减小的沉降量达到0.75 mm，3～7 m 桥梁桩基相同节点处沉降量的变化不太明显。表明隧道开挖对桥梁桩基的扰动在越靠近开挖洞口的位置影响越大，而离开挖洞口越远，其对桥梁桩基扰动的影响就越弱。

综上，隧道开挖后，其桥梁桩基z 方向的位移主要体现在中间处桥梁桩基，在隧道开挖方向的桥梁桩基主要体现为沉降，最大沉降量为0.1 mm，而在背对开挖方向的桥梁桩基主要表现为拱起，最大拱起量为1.02 mm，且两者位移最大值均出现在拱顶位置。与此同时，越靠近隧道开挖洞口的桥梁桩基其z 方向的沉降拱起值越明显，其影响范围主要表现在离开挖洞口±2 m 范围内。

4 结论

桩与隧道相对距离改变会对单桩的变形产生一定程度的影响，但对单桩的竖向位移、水平位移影响程度各不相同，存在较大的差异，具体结论如下：①出洞口隧道开挖对挡墙内侧桥梁影响较大，桥梁桩基越靠近隧道开挖出洞口，开挖对地层的扰动使桥梁桩基的位移影响越明显，越往墙体外侧位移值越大；当桥梁桩基位于挡墙外侧时，隧道开挖对桥梁桩基的影响较小。②隧道开挖对两隧道中间的桥梁桩基的影响远大于两侧的桥梁桩基，建议进行注浆加固。③建议桥梁桩基位于挡墙外侧时出洞，当桥梁桩基位于挡墙内侧时应在距离挡墙5 m 以上位置出洞，减小隧道开挖后桥梁桩基水平位移。