基于强度折减法的大跨隧道对临近桥基影响的研究*

张安睿 曹 琨

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550000)

随着我国隧道建设的快速发展，预计到2020年底隧道数量将突破17 000座，运营里程突破19 000 km，隧道建设将进入高数量、高技术、高难度、高风险的四高建设期[1-2]。伴随公路隧道交通网络的不断发展，出现了山岭隧道施工临近既有桥梁结构的情况，隧道开挖会对桥梁下部结构造成较大影响，严重时将危胁桥梁运营安全[3]。

目前，已有部分学者针对性地分析了隧道施工对临近桩基的影响。其中，孙吉主[4]通过理论研究得到了一种基于微条分法的简便工程分析方法，可用于分析大跨度隧道开挖对桩基的影响；肖望东[5]利用FLAC3D分析了隧道开挖对桩基上方的地表沉降及桩基的水平和竖向沉降变化规律，研究结果表明，隧道开挖在刚经过桩基侧面时引起的沉降最大，且开挖对离地表下方4 m处的桩基影响较大；刘秋常等[6]针对城市地铁盾构施工对周边既有桥梁桩基的影响，通过有限元模型分析了3种加固条件下临近高架桥桩基的变形特征，结果表明隔离桩方案效果较差，注浆、横撑加固的方案较好；许桂生[7]利用ABAQUS软件建立了桥-隧三维数值计算模型，对城市公路隧道施工条件下地层及桥梁桩基的变形规律进行了总结，研究发现靠近隧道两侧桩基变形明显大于中部桩基，可通过增大高压旋喷桩加固参数(加固深度和宽度)减小桥梁桩基位移。

以上研究多针对于隧道开挖对既有建筑物桩基沉降变形的影响进行。本文将依托松坎隧道临近既有兰海高速韩家店I号特大桥施工实际工程，基于强度折减法，对隧道开挖过程中的隧道安全系数和围岩潜在破裂面进行研究，以此确定出合适的近接距离。

1 工程概况

松坎隧道为分离式特长隧道，隧道进口段下穿既有兰海高速韩家店I号特大桥(主跨210 m)，隧道与桥基最近水平距离仅为29.7 m，其相对位置关系见图1。

图1 松坎隧道与既有韩家店大桥位置关系图

该隧道设计车速100 km/h，行车道宽3 m×3.75 m，净高5 m，内轮廓设计高程距拱顶高度7.94 m，净宽15.618 m，属于大跨度隧道。左幅起讫桩号为ZK4+955-ZK8+070，全长3 115 m，最大埋深约580 m，右幅起讫桩号为YK4+920-YK8+025，全长3 105 m，最大埋深570 m。该隧道进出口仰坡地形陡，岩体破碎，易发生垮塌。

2 强度折减法

强度折减法最早由Zienkiewicz等[8]提出，主要用于边坡稳定性分析，该方法对岩土体的抗剪参数进行折减，最终获得岩土体材料的极限破坏状态。近年也有郑颖人[9]、李秀地[10]和唐春安[11]等学者将其应用于隧道稳定分析中，取得了一定成果。

在强度折减法中，岩体安全系数可以通过临界破坏状态下的强度指标与天然状态下的强度指标相比得到，如式(1)所示。

(1)

式中：Fi为折减系数(i=1，2，…，n)，当岩体处于临界破坏状态时为安全系数；c0、φ0分别为初始黏聚力和初始内摩擦角；c′、φ′分别为折减后的黏聚力和内摩擦角。

3 数值模型建立

3.1 模型建立

本文采用midas GTS进行模型建立，岩土体采用摩尔-库仑本构模型，隧道衬砌及桥基采用线弹性本构模型；隧道埋深为12 m，隧道尺寸见图2。

图2 松坎隧道横断面图(单位：cm)

图中R1、R2、R3分别隧道开挖轮廓拱顶圆、拱墙圆及仰拱圆的半径，O1和O2分别为拱顶圆和拱墙圆的圆心位置；隧道初支厚0.29 m，二衬厚0.6 m，最大开挖跨度17.147 m，内轮廓最大宽度15.367 m、最大高度9.9 m。隧道有限元模型见图3，模型尺寸为200 m×70 m，桥基上施加200 kPa的均布力模拟桥梁上部荷载。

图3 松坎隧道与韩家店大桥主墩有限元模型

3.2 计算参数取值

根据详勘报告，隧道及桩底部地层为风化岩层，综合评定为V级围岩，同时为简化计算，统一取地层初始黏聚力c0为24 kPa，初始内摩擦角φ0为42°。另外，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。衬砌具体参数见表1。

表1 衬砌主要物理力学参数表

4 计算结果分析

4.1 隧道施工整体稳定性分析

隧道开挖后围岩塑性区分布图见图4，从图中可以看出：在未对岩土体进行强度折减的条件下，围岩塑性区主要分布在隧道拱脚两侧，但塑性区范围较小，对隧道结构和桥梁结构的影响较小；而在临界条件下，即岩土体的折减系数为2.4时，两隧道中心拱腰处出现贯通地表的塑性区，此时桥梁结构两侧也出现小范围的塑性区，此时隧道和桥梁结构已经处于危险状态。由此可知，本工程中隧道施工的整体安全系数约为2.4。

图4 隧道开挖后围岩塑性区分布图

4.2 不同强度折减系数下隧道稳定性分析

不同强度折减系数下隧道沉降及水平收敛图见图5。

图5 不同强度折减系数下隧道最大沉降及差异沉降图

由图5可见，随着折减系数的增加，隧道拱顶沉降在折减系数大于1.5后开始急剧增加，隧道水平收敛在折减系数大于1.3后开始急剧增加，但两者的总体变形量均较小；根据上一节可知隧道施工的整体安全系数为2.4，而本节中折减系数大于1.5后已经出现拱顶沉降快速变形，说明以拱顶沉降作为判据判定隧道施工时的整体安全性存在不足，隧道发生较大沉降可能是因为在模拟围岩强度折减的过程中，由于围岩参数变化导致隧道结构发生较大变形，但由于衬砌等支护措施的存在，隧道结构仍处于安全状态，总体变形较少。

4.3 不同强度折减系数下桥梁稳定性分析

不同强度折减系数下隧道最大沉降及差异沉降图见图6。

图6 不同强度折减系数下隧道沉降及水平收敛图

由图6可见，当折减系数小于2.4时，桥梁处于稳定状态，桥梁最大差异沉降和最大沉降均较小，隧道施工对桥梁的影响很小；当折减系数大于2.4时，桥梁最大沉降开始急剧增加，当折减系数大于2.6时，桥梁的最大差异沉降也开始上升，桥梁已经处于危险状态，隧道施工将对桥梁沉降变形造成较大影响，严重时将危及桥梁的运营安全；结合前一节塑性区发展的结论可以看出，本工程中隧道开挖的安全系数约为2.4。

4.4 隧道与桥基间距对安全性系数的影响

分别建立15，20，25，30，35，40 m隧道与桥基不同间距的工况，探究隧道与桥基间距对施工安全系数的影响。不同间距下施工安全系数变化见图7。

图7 不同间距下施工安全系数变化图

由图7可见，当隧道与桥基间距小于25 m时，隧道施工的安全系数有了较大降低，在该种情况下施工，极有可能对桥基造成较大影响；当隧道距离大于25 m时，隧道施工的安全系数较高，且变化量较小，再增加安全距离意义不大。因此结合数值模拟结果，建议隧道设计位置距离桥基的间距应大于25 m，这也证明了本工程实际施工时预留29.7 m的间距是合理的。

5 结论

1) 塑性区最开始出现在隧道拱脚位置，最终贯通过程出现在两隧道中间，由拱腰延伸至地面。

2) 以拱顶沉降作为隧道施工整体稳定性分析的判据存在不足，应结合塑性区贯通情况合理分析隧道施工的整体安全系数。

3) 当折减系数小于2.4时，桥梁最大差异沉降和最大沉降均较小，隧道施工对桥梁的影响很小；当折减系数大于2.4时，桥梁已经处于危险状态，因此综合确定本工程中隧道施工整体安全系数为2.4。

4) 当隧道与桥基间距大于25 m时，隧道施工的安全系数较高，且变化量较小，再增加安全距离意义不大，实际设计方案是安全合理的。