某桥梁桩基础施工对既有隧道的影响

李文静

（济宁市鸿翔公路勘察设计研究院有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

随着我国城市化建设的快速发展，城市快速路、立交桥规模得到了空前的发展，实际工程中不可避免地发生桥梁与隧道相交的现象。当桥梁施工对现有隧道产生影响，可能会造成工程问题，因此有必要进行相关研究，以降低和避免桥梁施工过程中对既有隧道的不良影响。邢凯等人[1]依托衡深圳地铁某停车厂工程，采用FLAC3D 三维数值有限元手段研究了基础施工、荷载施加和停车场运营阶段对下部既有隧道的影响。结果表明，桩基础施工会给既有隧道带来竖向下沉和整体扭曲问题。杨敏和靳军伟[2]综述了桩基础与既有地铁隧道相互影响、桩基础在荷载作用下对既有隧道承载力的影响等方面，提出了目前研究的不足和亟待解决的评估方法问题。路平和郑刚[3]基于天津地铁2 号线浅埋隧道与距隧道最小距离6.5m 的立交桥工程问题进行了研究。结果表明，桩基础的成孔施工、运营期均会在土中产生应力扩散，继而对既有隧道结构产生影响。该文基于某桥梁工程跨越既有隧道工程案例，采用数值模拟研究了桥梁桩基础施工过程对既有隧道的影响，为工程施工及设计提供参考。

1 工程概况

研究公路为双向四车道，公路等级为I 级。公路修建过程中需要跨越某地铁隧道。其中隧道拱顶距离地面最小距离仅为4.5m，如果直接在隧道上方修建公路，可能会造成较大的工程问题。同时考虑公路使用年限小于隧道，为防止后期公路维护对隧道运营产生影响，综合采用跨隧架桥进行公路施工。

桥梁设计总长为32.5m，采用双向四车道，桥面宽度28m，单幅宽度为12.5m。采用预制箱梁拼装。预制箱梁宽度和高度分别为2.1m 和1.8m。箱梁顶板位置处厚度约为0.2m，底板厚度为0.3m，腹板厚度为0.3m。跨中位置处顶板厚度为0.2m，底板和腹板厚度同为0.2m。箱梁的连接方式为湿接缝形式，为了保证转整体稳定性，分别在支点和跨中位置处布设横梁。桥梁桩基础施工采用人工挖孔灌注桩，桩径和桩长分别为1.5m 和18m。支护方式为每挖深1.5m 进行一次支护。桩基础两侧距离隧道距离均为5.8m，具体结构和相互位置如图1 所示。

图1 桩基础与隧道相对位置关系

2 数值模型

为了研究桥梁桩基础施工对既有地铁隧道的变形及周围土体沉降变形的影响，该文采用ANSYS 数值有限元建立模型进行计算和分析。模型宽度和长度均为60m，深度为30m。其中模型中的X方向为公路长度延伸的方向，Y方向为隧道长度延伸的方向，Z方向为桩基础开挖的方向。模型划分的网格共13820 个，节点数为3900 个。具体的网格模型如图2 所示。根据钻孔资料揭示研究区土体由上到下分别为粉质黏土，厚度约为5m；碎石土，厚度约为3.5m；粉土层，厚度约为5m；泥炭质砂岩，厚度为15m。

图2 模型有限元网格划分图

机油研究表明，岩土体属于典型的非连续介质且具有流固两相性的复杂材料，该文为了简化计算，在数值模拟中做了以下假定和简化：1）忽略地下水的作用且在建模过程中采用等效应力代替土方开挖。2）岩土体采用理想弹塑性本构模型（摩尔-库伦模型）进行计算和分析，衬砌结构采用各向同性的线弹性本构模型进行计算。3）桩基础开挖采用空模型进行计算。模型中岩土体的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 拱底位移分析

该文分别计算了基础开挖深度为6m、12m 和18m 时，隧道、衬砌以及地表的变形分布规律。汇总得到的施工阶段隧道拱底变形分布规律如图3 所示。结果表明，当桩基础未进行施工时，隧道拱底变形趋势较小，最大值仅为0.42mm。在其他条件不变的情况下，东向隧道（图3（a））随着拱底宽度的增大，竖向位移逐渐减少，随着基础开挖深度的增大，隧道拱底位移先增大、后减少。当基础开挖深度为6m 时，拱底位移最大值为0.7m，比未开挖时拱底位移增大了0.3mm。当基础开挖深度为12m 时，拱底最大位移达到1.2mm。当基础开挖深度为18m 时，拱底位移最大值为1mm。总体来看拱底位移相对较小，满足规范要求的安全性，处于可控范围之内。

以上关于隧道拱底变形规律的结果表明，桩基础施工对靠近隧道区域的拱底变形影响较大。西向隧道（图3（b））在不同基础开挖深度过程中，拱底位移表现出与东向隧道对称的规律，此处不再赘述。

图3 隧道拱底变形分布规律

3.2 衬砌位移影响分析

汇总得到的东西隧道左右拱腰位置处的变形分布规律如图4 所示。图4 表明，东向隧道和西向隧道变形呈对称分布。其中图4（a）表明，隧道拱腰变形以距桥横向中心线距离20m 位置为对称轴线，两侧变形趋势基本相同。当基础未进行开挖施工时，拱腰的水平位移最大值为1.2mm。导致这一现象的主要原因是上部土石方的开挖。当基础开挖至6m时，水平变形最大值为2.0mm。基础深度开挖至12m 时，拱腰水平位移最大值为3.8mm。基础深度开挖至18m 时，水平位移最大值为3.0mm。图4（b）为西向隧道拱腰变形趋势，总体来看，西向隧道拱腰变形趋势与东向隧道拱腰变形趋势一致。距离隧道较远处的桩基础施工对隧道衬砌的变形影响程度比靠近隧道区域进行的桩基础施工的影响更小。

3.3 地表沉降影响分析

该文以隧洞中心线为轴线，计算了桩基础施工距离左右各20m 的地表沉降变形随距隧道中心线距离的变化规律，如图5 所示。结果表明，随着开挖深度的增大，施工区沉降不断增大，越靠近施工区，沉降最大值越大。地表沉降变形以中轴线为对称中线，左右两侧变形基本相同。当开挖深度为6m 时，沉降最大的位置发生在距隧道中心线距离±20m 位置处，沉降最大值为7.8mm。当开挖深度为12m，沉降最大值为9.8mm。但是当开挖深度为18m 时，地表沉降值与开挖深度为12m 时相比变化并不明显，即当基础开挖深度达到一定深度时，施工对地面沉降变形的影响越来越小。

图5 地表沉降随开挖深度变化规律

3.4 地桩周土体变形分析

以隧道左右两侧桩基础纵向延伸长度方向为基准线，分析不同开挖深度对桩基础周围土体沉降变形的影响程度。结果表明，桩基础左侧和右侧土体变形分布规律呈对称分布。当开挖深度小于12m 时，桩周土体位移随开挖深度增大而增大。开挖深度为6m 时，对应的桩周土体最大水平位移在地表处产生最大值，为4.1mm。当开挖深度为12m时，桩周土体变形最大值为4.6mm。当开挖深度为18m 时，桩周土体变形最大值为5.0mm。总体来看，当桩周土体变形随靠近桩基础施工距离的减少而增大。当开挖深度大于12m 时，桩周土体变形曲线受开挖深度的影响非常小。因此在实际工程中，当基础开挖至隧道下方后，基础施工对桩周土体的变形影响基本可以忽略。

4 结论

该文以某桥梁穿越隧道为工程背景，采用数值模拟研究了桩基础施工对既有隧道的变形影响，系统地分析了桩基础开挖深度对隧道拱底变形、隧道衬砌变形及地表沉降变形的影响，得出如下结论：1）隧道2 个方向的拱底、拱腰以及桩周土体变形基本呈对称分布；隧道拱底竖向位移和拱腰变形随桩基础开挖深度的增大而先增大、后减少。当开挖深度超过12m时，开挖深度对地表变形的影响基本可以忽略。2）基础未进行开挖施工时，拱腰的水平位移最大值为1.2mm。当基础开挖至6m 时，水平变形最大值为2.0mm。基础深度开挖至12m 时，拱腰水平位移最大值为3.8mm。桩基础施工对隧道衬砌变形的影响程度随靠近施工距离的减少而增大。3）开挖深度小于12m 时，桩周土体位移随开挖深度增大而增大，当开挖深度大于12m时，桩周土体变形曲线受开挖深度的影响非常小。实际工程中，当基础开挖至隧道下方后，基础施工对桩周土体的变形影响基本可以忽略。