暗挖電力隧道對(duì)鄰近既有橋梁樁基的影響分析

姬永紅，馮棟梁

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司，上海市 200092）

0 引言

為了滿(mǎn)足城市供電需求、美化城市景觀(guān)、集約城市用地，很多城市都將高壓電纜下埋，開(kāi)挖電力隧道。隧道選線(xiàn)往往不能避開(kāi)既有建筑物，如橋梁樁基、高層建筑樁基，出現(xiàn)隧道近距離穿越樁基的情況，這給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了很大的困難。

國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者都針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了理論和試驗(yàn)[1-4]研究。伴隨著大型通用有限元程序和計(jì)算機(jī)硬件的日漸成熟，有限元法已逐漸成為一種被廣泛使用且經(jīng)濟(jì)有效地分析方法，如王麗、鄭剛[2]、朱逢斌等[4]都采用了這一方法分析了隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基的影響問(wèn)題。

本文以成都蜀都大道東段道路綜合整治工程220 kV電力隧道工程為背景，利用ANSYS有限元軟件，建立了二維有限元模型分析了不同隧道埋深、不同隧道與樁基中心距條件下，隧道開(kāi)挖對(duì)橋樁的影響規(guī)律。

1 工程概況

擬建隧道埋深Ht=3.7～10.7 m，內(nèi)徑為Dt1=2.6 m，外徑為Dt2=3.7 m，從成都雙橋子立交旁穿過(guò)，隧道與立交橋樁基最小中心距為D0min=2.7 m，最小中心距處為引橋段，采用單樁基礎(chǔ)，樁間距LP=20 m。橋樁樁底埋深HP=18.5 m，樁徑為DP=1.2 m。隧道與樁基相互關(guān)系見(jiàn)圖1、圖2。

土層分布由上至下分別為素土層、粘土層、粉質(zhì)粘土層、粉土層、細(xì)砂層、松散卵石層、稍密卵石層、中密卵石層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層、中風(fēng)化泥巖層。

圖1 隧道與樁基剖面位置圖

圖2 隧道與樁基平面圖

2 數(shù)值模型與參數(shù)選擇

2.1 數(shù)值模型

由于隧道為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，鄰近橋樁近似平行分布于隧道一側(cè)，簡(jiǎn)化為樁墻考慮，因此，選用平面應(yīng)變模型分析隧道開(kāi)挖對(duì)橋樁的影響。模型計(jì)算深度取10Dt1，左右邊界距離隧道中心取10Dt2。模型底部設(shè)置豎向位移約束，兩側(cè)邊界設(shè)置水平位移約束。隧道襯砌、樁基及土體均采用線(xiàn)彈性模型，利用襯砌及土體采用Plane82單元模擬，橋樁采用Beam3單元模擬，忽略結(jié)構(gòu)與土體間的滑移。其中，橋樁斷面尺寸按照剛度等效到每延米的原則取值。

為了分析隧道埋深和隧道與樁中心距的影響，選取了隧道不同埋深、不同樁隧中心距進(jìn)行組合設(shè)計(jì)模型，隧道埋深及樁隧中心距取值及編號(hào)見(jiàn)表1，模型編號(hào)為MIJ，表示該模型隧道埋深編號(hào)為I，樁隧中心距為J。如M12表示該模型隧道埋深編號(hào)為1，樁隧中心距編號(hào)為2。

表1 隧道埋深及樁隧中心距編號(hào)

2.2 計(jì)算參數(shù)選擇

土層、襯砌、橋樁參數(shù)選取分別見(jiàn)表2、表3。

表3 襯砌及橋樁參數(shù)

2.3 模擬方法

首先施加土體及結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力，模擬初始地應(yīng)力場(chǎng)，分以下兩個(gè)步驟模擬開(kāi)挖過(guò)程：

步驟一：開(kāi)挖。殺死隧道斷面內(nèi)土體單元，模擬開(kāi)挖過(guò)程；

步驟二：完成支護(hù)。激活隧道襯砌單元，模擬開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 開(kāi)挖步驟對(duì)樁基工作性狀的影響

圖3和圖4為模型M11和M42在步驟一和步驟二中橋樁的水平向變形和彎矩分布圖。模型M11埋深為3.7 m，樁隧中心距為2.7 m；模型M42埋深為10.7 m，樁隧中心距為6.4 m。

從以上曲線(xiàn)可以得出：

（1）對(duì)于M11模型，開(kāi)挖面在樁頂附近，使得樁頂結(jié)構(gòu)約束較弱，產(chǎn)生了較大的水平位移。通過(guò)步驟一與步驟二的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)增加支護(hù)后，樁頂約束增加，樁頂位移從7 mm降至2 mm，最大彎矩從64.4 kN·m降至 50.0 kN·m。

圖3 不同開(kāi)挖工況對(duì)橋樁水平向變形的影響

圖4 不同開(kāi)挖工況對(duì)橋樁彎矩的影響

（2）對(duì)于M42模型，開(kāi)挖面位于樁底附近，使得樁底產(chǎn)生了向隧道一側(cè)的位移，由于樁頂附近約束較弱，使得樁頂位移背離開(kāi)挖側(cè)。增加支護(hù)后提高了樁底約束，使最大位移從1.7 mm減小至0.9 mm，最大彎矩從42.9 kN·m降至19.9 kN·m。

（3）根據(jù)以上分析不難看出，開(kāi)挖步驟二增加了襯砌支護(hù)，使得樁的位移和內(nèi)力減小，提高了樁的安全性。由于步驟一圍巖應(yīng)力完全釋放，步驟二圍巖由襯砌支撐，因此，步驟一對(duì)橋樁的工作性狀影響更大。從安全性的角度考慮，以下分析均基于各開(kāi)挖模型的步驟一進(jìn)行。

3.2 樁隧中心距對(duì)樁基工作性狀的影響

不同樁隧中心距下，開(kāi)挖對(duì)橋樁工作性狀影響見(jiàn)圖5和圖6。模型 M11，M12，M13，M14，M15埋深均為3.7 m，樁隧中心距分別為2.7 m（D0min），6.4 m（D0min+Dt2），10.1 m（D0min+2Dt2），13.8 m（D0min+3Dt2），18.5 m（5Dt2）。

對(duì)比模型M11和M13，樁隧中心距從2.7 m增大到10.1 m，樁基最大水平變形由7.32 mm減小至1.78 mm，降幅76%，最大彎矩由64.4 kN·m減小至19.6 kN·m，降幅70%。當(dāng)樁隧中心距大于10.1 m（約3Dt2）時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)樁基的影響隨中心距繼續(xù)增大變化不大，對(duì)其影響可忽略不計(jì)。當(dāng)樁隧中心距小于3Dt2，應(yīng)對(duì)樁周及隧道周?chē)馏w提前加固。

圖5 不同樁隧中心距對(duì)橋樁水平向變形的影響

圖6 不同樁隧中心距對(duì)橋樁彎矩的影響

3.3 隧道埋深對(duì)樁基工作性狀的影響

不同隧道埋深對(duì)樁基工作性能的影響見(jiàn)圖7和圖8。模型 M13、M23、M33、M43樁隧中心距均為10.1 m，隧道埋深分別為 3.7 m、5.7 m、7.7 m、10.7 m。

圖7 不同隧道埋深對(duì)橋樁水平變形的影響

圖8 不同隧道埋深對(duì)橋樁彎矩的影響

根據(jù)以上曲線(xiàn)，可以看出，隨著隧道埋深越深，橋樁最大水平變形和最大彎矩逐漸下移且數(shù)值逐漸增大，在M23模型(埋深5.7 m，約0.3倍樁長(zhǎng))達(dá)到最大，隨后繼續(xù)下移但數(shù)值開(kāi)始逐漸減小。

由于開(kāi)挖面附近的土體受到卸荷作用最為明顯，從而導(dǎo)致附近樁基位置內(nèi)力和變形最大，隨著隧道埋深下移，樁基最大內(nèi)力和變形的位置也隨之逐漸下移。另外，以上曲線(xiàn)還出現(xiàn)了最大水平變形和最大彎矩隨隧道埋深先增加后減小，在隧道中上部達(dá)到最大的現(xiàn)象。這是由于隧道位于中部時(shí)對(duì)整個(gè)樁長(zhǎng)范圍的影響大于隧道在樁某一側(cè)時(shí)（樁頂或樁底）對(duì)整根樁的影響，加之樁基上部的約束較小，隧道淺埋時(shí)地表沉降又較大，這些原因共同導(dǎo)致了最大水平變形和最大彎矩出現(xiàn)最大值的位置在樁中部偏上的位置。

4 結(jié)論

對(duì)成都蜀都大道東段道路綜合整治工程220 kV電力隧道工程中隧道穿越鄰近立交橋樁基問(wèn)題建立了模型，分析了不同橋樁與隧道中心距及不同隧道埋深下隧道穿越對(duì)樁基的影響規(guī)律。分析結(jié)果對(duì)工程設(shè)計(jì)與施工具有以下指導(dǎo)意義：

（1）通過(guò)開(kāi)挖步驟一和步驟二的對(duì)比表明，開(kāi)挖面的地應(yīng)力釋放是隧道開(kāi)挖對(duì)樁基產(chǎn)生影響的直接原因，通過(guò)減少地應(yīng)力釋放，可以有效地控制的樁基變形，減小應(yīng)力。施工過(guò)程中，應(yīng)選用更合理的開(kāi)挖方法，當(dāng)隧道開(kāi)挖面鄰近樁基時(shí)，應(yīng)對(duì)土體加固，減小開(kāi)挖進(jìn)尺，及時(shí)圍護(hù)，以達(dá)到減小地應(yīng)力釋放的目的。

（2）根據(jù)以上對(duì)不同樁隧中心距的分析，可知在樁隧中心距小于一定范圍時(shí)，開(kāi)挖對(duì)樁基的影響很大。當(dāng)埋深為3.7m時(shí)，這一范圍約為3倍的隧道外徑。在穿越時(shí)，可根據(jù)不同橋樁與隧道的距離不同，制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)和安全的平衡。

（3）通過(guò)對(duì)隧道埋深對(duì)橋樁工作性能的影響分析，可以得出，當(dāng)隧道埋深位于樁中上部(約0.3倍樁長(zhǎng))時(shí)，樁身內(nèi)力和樁身水平變形較大。不同隧道埋深時(shí)，樁身最大變形和最大內(nèi)力的位置隨著隧道埋深變化而變化。

[1]L.T.Chen,H.G.Poulos,N.Loganathan.Pile responses caused by tunneling[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1999,125(3):207-215.

[2]王麗,鄭剛.盾構(gòu)法隧道施工對(duì)鄰近摩擦單樁影響的研究[J].巖土力學(xué),2011,32(增刊2):621-627.

[3]N.Loganathan.Centrifuge model testing of tunneling-induced ground and pile foundations[J].Geotechnique,2000,50(3):283-294.

[4]朱逢斌,楊平,C.W.ONG.盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近樁基影響數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(2):298-302.