基于数值模拟对隧道工程中双排钢管桩的研究

何凡

（江西安源路桥集团有限公司，江西 萍乡 337000）

0 引言

随着经济的快速发展，我国的城镇化进程不断加快，交通问题成为城市的重点问题。为解决交通问题，开发地下空间，修建地下隧道成为一种有效的措施，但在修建地下隧道时受城市密集的建筑群的影响，因此需要对地下隧道开挖方法进行研究。其中，钢管桩支护结构具有施工速度快、施工简单、支护效果好等特点被广泛应用。

许多学者对钢管桩支护结构也进行了相关的研究，其中，赵斌等[1]对微型钢管桩在复合土钉墙支护体系中的应用进行研究，提出可采用微型钢管桩对边坡进行加固；孙剑平等[2]对微型钢管桩进行研究，提出微型钢管桩的承载力计算公式；郭维卫[3]基于实际的工程对具有内支撑与微型钢管桩相结合的支护结构的支护效果进行研究；龚健等[4]对在软土地基中采用微型桩支护的效果进行研究，结构表明微型桩有较好的抵抗水平荷载的能力；毕孝全等[5]对超前钢管桩在深基坑支护中的应用进行研究，为工程提供参考价值；吴新光等[6]对钢管桩注浆体系进行研究，结构表明钢管桩注浆体系具有较好的支护较好。现在有的研究已取得一定的成果，但在采用数值模拟对不同双排钢管桩影响因素的研究还存在不足。为此本文对双排钢管桩支护结构的水平承载力计算公式进行分析，基于实际的工程案例借助有限元软件MIDAS/GTS 建立相应的三维模型，对不同桩间距、不同壁厚情况的隧道双排钢管桩支护效果进行研究。

1 双排钢管桩支护结构水平承载力的计算

对双排钢管桩支护结构进行水平承载力的计算时，需将排桩简化为一个竖向放置的弹性地基梁，可以采用整体等值梁法、分段等值梁法、有限元法或弹性法（“m 法”）等进行计算，在工程中一般采用弹性法进行计算，关于弹性法的计算公式如式（1）所示[7-9]：

式（1）中：K表示土体的弹簧刚度，（kN/m4）；b表示各土层的厚度，（m）；l表示基础的计算宽度，（m）；m表示地基土的比例系数；s表示各个土层的中点到地面的距离，（m）。

在基坑以下的支点土体作用可以采用弹簧来进行等效，这些弹簧的刚度可以按照上述式（1）进行计算，而支撑或锚杆的作用则可以用具体的具有刚性系数的弹簧来代替。

2 双排钢管桩有限元分析

2.1 工程概况

某工程为某市中心的城市隧道，为保持隧道的浅埋暗挖，对其增加竖井，用于暗挖段施工机械的进出及隧道土方的开挖，竖井的内径南北长度为35m，东西长度为11m，深度为19.5m，在竖井的东侧是人行道及宿舍楼，西侧为主路地面，地下埋有污水管、供热管及电信综合管线等，该隧道的右线距离竖井基坑最近的距离为5m，隧道顶距离地面的高度为10m。隧道所处的地质情况包括填土、黄土、粉质黏土、黏土及风化石灰岩，关于具体的土层参数见表1。

表1 隧道的土层参数表

2.2 有限元模拟的建立

采用MIDAS/GTS 岩体有限元分析软件建立模型进行模拟计算，该软件相较于ANSYS、ABAQUS 等有限元软件，能更好地对土体及岩石的材料属性定义，并且具有更为全面的本构模型，关于MIDAS/GTS 软件中常见的本构模型主要有以下几种（见表2）。

表2 MIDAS/GTS 本构模型关系表

在此次浅埋暗挖隧道竖井基坑的支护形式为双排钢管桩子再结合基坑的内支撑，在模型中的土层按实际情况进行输入，待模型建立完成，实体几何进行布尔运算，接着对模型进行网格划分，最终的三维模型见图1 所示[10]。

图1 有限元模型

2.3 有限元结果分析

2.3.1 桩身的水平位移结果分析

该工程设置的是双排的钢管桩，因此其支护结构的整体刚度相对来说会更加稳定，根据有限元模拟的结果中桩的应力云图对桩身的水平位移进行汇总，具体结果见表3。

表3 钢管桩的水平位移结果表

由表3 中可见，双排钢管桩中，在相同的桩深，相同的开挖深度下，后排钢管桩的水平位移值比前排的水平位移值小，主要是因为双排钢管桩寻找桩土接触作用，使得前排钢管桩所受土压力较大，起到主要的支挡作用，而后排桩所受的土压力较小，使得后排钢管桩的水平位移值较小。

2.4 不同参数对双排钢管桩的影响

2.4.1 不同的桩间距影响分析

从上述内容可知，在双排钢管桩中，前排的钢管桩是主要的受力构件，然而对于桩基而言，桩与桩之间的桩间距将会影响整体的刚度稳定性，为此对前排的钢管桩分别设置不同的钢管桩桩间距进行研究，在上述模型的基础上分别设置桩间距为3d、4d 及5d（d为钢管桩的直径）三种情况进行对比研究，通过模型模拟得到相应的桩身水平位移值，具体见表4。

表4 不同桩间距的桩身水平位移值

从表4 可以看出，在一定的开挖深度下，在相同的桩间距情况下随着桩身的长度增加其水平位移值逐渐减小；对比在相同的桩深情况下，随着桩间距的增大，水平位移值逐渐增大，因此，对于双排钢管桩其桩间距不宜过大。根据此次的模拟结果表明，桩间距的间距应当为3d 时效果最佳。

2.4.2 不同壁厚的影响分析

对于双排钢管桩，当壁厚与桩径达到最佳比例时，不仅可以节省经济成本，还能最大程度地发挥钢管桩的支护作用，本文为对钢管桩壁厚进行分析，对前排的钢管桩分别设置不同的钢管桩壁厚进行研究，在上述模型的基础上分别设置壁厚为4mm、8mm、12mm 及20mm 四种情况进行对比研究，通过模型模拟得到相应的桩身水平位移值，具体的见表5。

表5 不同桩间距的桩身水平位移值

从表5 中可以看出，在一定的开挖深度下，在相同的壁厚情况下，随着桩身的长度增加其水平位移值逐渐减小；对比在相同的桩深情况下，不同壁厚之间的桩水平位移值随着壁厚的增大而增大，但变化的值不大，说明钢管桩的壁厚对桩身水平位移的影响不大。因此，在考虑一定的经济要求后，对于桩的壁厚区可取4～6mm。

3 结语

综上所述，文章通过对双排钢管桩进行理论分析并计算，并基于实际的工程案例借助有限元软件MIDAS/GTS 建立相应的三维模型，对其在不同桩间距、不同壁厚情况下对隧道的支护效果进行了研究，研究结果表明：在双排钢管桩中前排桩对基坑的支护起主要作用，并且发现随着桩间距的增加，桩身的水平位移将随之增大，当桩间距为3d（d 为桩直径）时支护效果较佳；对于桩的壁厚对桩身的水平位移影响较小，桩的壁厚区可取4～6mm。