桩基对既有高铁隧道群变形影响的数值分析

王学广， 龙明华

(1.中国华西工程设计建设有限公司广州分公司，广州 510080；2.中国中铁五局集团第一工程有限责任公司，长沙 410117)

1 工程概况

某地铁停车场运用库上跨三条既有高铁隧道群，三条既有铁路隧道分别用高铁1正线隧道、高铁1联络线隧道、高铁2隧道表示。停车场运用库采用房桥合一的结构形式，基础采用桩基础，涉铁桩基共138根，隧道间桩基共24根，距离既有铁路隧道结构净距3.0～13.8m，桩径为1.6～2.2m，地质情况为素填土、碎石土、花岗岩。同时近距离跨越三条高铁隧道群属全国首例，施工难度大。为最大程度减小桩基础施工对隧道的扰动，保证高铁正常行车及安全，隧道间桩基采用全护筒全回转成孔施工，隧道两侧114根桩基采用泥浆护壁旋挖成孔施工。

2 模型的建立

为分析桩基对既有高铁隧道的影响，根据设计图纸，建立有限差分数值模型，如图1和图2所示。模型大小为400m×120m×80m，单元数约20万，节点数约21万。模型采用固定边界条件，桩采用结构单元模拟。

图1 模型

图2 桩基位置与既有高铁的关系

计算模型涉及的相关参数见表1。

表1 模型相关参数取值

3 初始状态应力特征

初始状态下的应力特征如图3～图5所示，模型底部z方向应力为1.9MPa，模型总高80m。底部z方向应力与自重应力基本一致，表明模型基本正确，满足精度要求。

图3 模型初始状态竖直方向应力

图4 模型初始状态x方向应力

图5 模型初始状态y方向应力

模型中高铁1隧道结构初始应力如图6～图8所示。分析既有隧道衬砌的应力状态，结果表明隧道衬砌起拱线附近竖直方向的应力最大，其中高铁1正线隧道最大竖直方向应力为3.43MPa，高铁1联络线隧道竖直方向最大应力为2.25MPa。隧道拱顶拱底竖直方向应力较低。正线隧道x方向最大应力为1.709MPa，联络线隧道x方向最大应力为1.25MPa。正线隧道y方向最大应力为2.281MPa，联络线隧道x方向最大应力为1.45MPa。

图6 高铁1隧道初始状态竖直方向应力

图7 高铁1隧道初始状态x方向应力

图8 高铁1隧道初始状态y方向应力

模型中高铁2隧道结构初始应力如图9～图11所示。分析既有隧道衬砌的应力状态，结果表明隧道衬砌起拱线附近竖直方向的应力最大，其中最大竖直方向应力为6.129MPa，x方向最大应力为2.595MPa，y方向最大应力为2.425MPa。

图9 高铁2隧道初始状态竖直方向应力

图10 高铁2隧道初始状态x方向应力

图11 高铁2隧道初始状态y方向应力

4 停车场荷载对既有高铁隧道衬砌应力的影响

模型中高铁1隧道结构在停车场荷载作用下的应力特征如图12～图14所示。分析既有隧道衬砌的应力状态，结果表明隧道衬砌起拱线附近竖直方向的应力最大，其中高铁1正线隧道最大竖直方向应力为3.464MPa，比初始状态增大约0.03MPa，最大应力增大约1%；高铁1联络线隧道最大竖直方向应力为2.276MPa，比初始状态增大约0.026MPa，最大应力增大约1%；正线隧道x方向最大应力为1.719MPa，比初始状态增大约0.01MPa，增幅0.6%；联络线隧道x方向最大应力为1.261MPa，比初始状态增大约0.006MPa，增幅0.4%；正线隧道y方向最大应力为2.295MPa，比初始状态增大约0.014MPa，增幅0.6%；联络线隧道y方向最大应力为1.453MPa，比初始状态增大约0.003MPa，增幅0.2%。

图12 停车场荷载作用下高铁1隧道竖直方向应力

图13 停车场荷载作用下高铁1隧道x方向应力

图14 停车场荷载作用下高铁1隧道y方向应力

模型中高铁2隧道结构在停车场荷载作用下的应力特征如图15～图17所示。分析既有隧道衬砌的应力状态，结果表明隧道衬砌起拱线附近竖直方向的应力最大，其中高铁2正线隧道最大竖直方向应力为6.160MPa，比初始状态增大约0.041MPa，最大应力增大约0.6%；正线隧道x方向最大应力为2.610MPa，比初始状态增大约0.005MPa，增幅0.2%；正线隧道y方向最大应力为2.439MPa，比初始状态增大约0.014MPa，增幅0.6%。

图15 停车场荷载作用下高铁2隧道竖直方向应力

图16 停车场荷载作用下高铁2隧道x方向应力

图17 停车场荷载作用下高铁2隧道y方向应力

5 停车场荷载对既有高铁隧道衬砌变形的影响

根据图1的7个横断面，展示在停车场最大荷载作用下，这7个横断面的变形特征。图18～图20为1-1断面的位移云图，从图中可以看出，模型的位移以竖直沉降为主，2.2m桩径处的沉降量最大，最大沉降量为0.97mm。

图18 1-1断面竖直方向变形云图

图19 1-1断面x方向变形云图

图20 1-1断面y方向变形云图

图21～图26为不同断面竖直方向的位移。2-2到4-4断面，桩径2.2m的桩位于高铁2隧道与联络线隧道之间，不同断面竖直方向上的位移基本一致，最大沉降量为0.90～0.95mm。5-5至6-6断面桩径2.2m的桩位于高铁1正线隧道与联络线隧道之间，位移略有减小，最大沉降量为0.80～0.85mm。7-7断面无桩径2.2m桩，沉降量最小，最大沉降量约为0.32mm。

图21 2-2断面竖直方向变形云图

图23 4-4断面竖直方向变形云图

图24 5-5断面竖直方向变形云图

图25 6-6断面竖直方向变形云图

图26 7-7断面竖直方向变形云图

图27～图29为高铁1铁路隧道衬砌的位移云图，从图中可以看出，高铁1正线隧道竖直方向最大位移为0.32mm，联络线最大竖直方向位移为0.3mm；高铁1正线隧道x方向最大位移为0.16mm，联络线最大x方向位移为0.1mm；高铁1正线隧道及联络线隧道y方向位移小于0.1mm。

图27 停车场最大荷载下高铁1隧道竖直方向变形云图

图28 停车场最大荷载下高铁1隧道x方向变形云图

图29 停车场最大荷载下高铁1隧道y方向变形云图

图30～图32为高铁2隧道衬砌的位移云图，从图中可以看出，高铁2隧道各方向的变形均小于0.1mm。

图30 停车场最大荷载下高铁2隧道竖直方向变形云图

图31 停车场最大荷载下高铁2隧道x方向变形云图

图32 停车场最大荷载下高铁2隧道y方向变形云图

6 现场施工

施工过程变形值和数值分析结果基本吻合，施工现场可控。仿真分析结果保证了施工质量，确保了铁路隧道安全及高铁正常运营行车安全，满足了业主单位对工期的要求，在不影响高铁正常运营的情况下，桩基全部顺利施工完成。本工程的顺利实施，可为类似工程提供借鉴和参考。

7 结论

(1)三个隧道衬砌结构上的应力分布特征相似，均是拱脚位置竖直方向应力最大，隧道拱底应力最小，乃至产生拉应力。不同隧道的应力大小不同，高铁2隧道竖直方向最大值为6.129MPa，高铁1铁路联络线隧道竖直方向最大应力为2.250MPa，正线最大值为3.430MPa。

(2)地铁停车场运营后，高铁1铁路正线隧道衬砌最大竖向应力与停车场修建之前相比，增加量为30kPa，增加百分比为1%；最大变形为竖直方向，沉降为0.32mm，停车场荷载对高铁1铁路正线隧道影响较小。高铁1铁路联络线隧道衬砌最大竖向应力与停车场修建之前相比，竖直方向应力增加量为26kPa，增加百分比为1%；最大变形为竖直方向的0.3mm，停车场荷载对高铁1铁路联络线隧道影响较小。高铁2铁路隧道竖直方向应力发生一定变化，最大值增加量为41kPa，增加百分比为0.6%；最大变形小于0.1mm，停车场荷载对高铁2铁路隧道影响较小。

(3)总体上看，停车场运营后，引起的既有隧道衬砌结构受力变化小于2%，既有隧道变形小于1mm，因此，本桩基方案对既有铁路隧道的安全影响很小。相对而言，本方案对高铁1正线隧道、高铁1联络线隧道、高铁2隧道的影响依次减小。

(4)施工过程的变形监测值和数值分析结果基本吻合，指导施工的效果显著，加快了施工进度。