跨線橋樁基施工對臨近隧道影響的有限元分析

馮龍飛，楊小平，2，劉庭金，2

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510640;2.亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東廣州 510640)

城市地下鐵道高速發展的同時，帶來了一系列橋隧相交的問題。橋梁樁基礎的施工和荷載會造成周圍土體的位移和應力變化，這將會影響臨近的地鐵隧道。近年來，在我國新建隧道對既有樁基的影響研究已經非常廣泛，而樁基對隧道的影響研究則相對較少。

劉力英等［1］建立了平面應變模型和三維實體模型模擬樁基礎對既有地鐵隧道的影響，并就其原理和結果進行了對比，指出三維模型更為合理。閆靜雅等［2-3］采用有限元方法模擬分析了樁基礎荷載對鄰近已有隧道的影響，并通過樁側孔壁上的靜水壓力來模擬泥漿護壁和混凝土灌注過程，考慮鉆孔灌注樁施工過程的影響。練健飛［4］模擬了樁基礎施工過程對隧道的影響，指出樁基施工對地鐵隧道的影響主要表現為兩個方面:一是樁基施工振動對地鐵隧道的影響，二是樁基成孔后澆筑混凝土前地基中成孔對已有地鐵隧道的影響。樓曉明等［5-6］采用群樁基礎共同作用的分析方法，對某高層建筑鉆孔灌注樁基礎跨越地鐵隧道線可能帶來的影響進行了計算分析，同時結合工程實測數據研究了高層建筑樁基礎對鄰近隧道的影響。王曉霞、閆靜雅［7］總結了樁與隧道相互影響的研究進展，并指出研究中存在和需要解決的一些問題。

本文根據擬建跨線橋工程實例，基于Midas/GTS有限元程序構建三維數值模型，分析預測近距離鉆孔灌注樁施工、跨線橋上部結構施工、跨線橋通車階段對既有地鐵結構的影響，同時模擬了鉆孔灌注樁的施工流程，并探討了樁周土體軟化對應力傳遞的影響。通過分析結果提出相應的施工控制措施，以期為處理橋隧相交的地下鐵道工程問題提供參考和積累經驗。

1 工程概況

擬建廣汕路立交橋橫跨地鐵六號線盾構區間和三號線天河客運站，全長494.32 m。其中高架段長408.45 m，采用預應力混凝土連續梁，現場澆注施工，支架采用貝雷架。下方地鐵六號線車站為地下4層島式站臺車站，采用明挖順作法施工，已施工完成。站位以東為正在運營的三號線天河客運站，通過換乘通道與六號線車站相連。

橋梁基礎及施工貝雷架基礎均采用鉆孔灌注樁，高架段與地鐵結構位置的立面關系如圖1所示。橋梁樁基及貝雷架樁基距離地鐵結構較近，最小水平凈距約3.1 m。跨線橋施工階段及使用階段將會引起地鐵結構的受力和變形產生一定變化。為此，須計算分析跨線橋對下方地鐵車站、區間隧道及地鐵通道結構造成的不利影響。

圖1 跨線橋高架段與地鐵結構立面(單位:m)

2 工程地質條件

場地地貌屬山前沖洪積平原，地勢平坦。地鐵六號線盾構區間周邊地層主要為硬塑～堅硬狀花崗巖殘積土和全風化花崗巖。場區地下水賦存類型包括上層滯水、孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖孔隙裂隙承壓水，水位埋深為0～6.45 m。

3 三維動態施工模擬

3.1 三維整體模型概況

采用巖土隧道專用有限元軟件Midas/GTS建立三維數值計算模型。為簡化計算，在三維數值分析中做了如下假設:

1)三維有限元計算模型中的地層自上而下依次簡化為等厚的成層土，土層厚度依據場地內各土層埋深的變異性及起伏性，經綜合考慮確定。

2)由于距離地鐵結構外邊線較遠處的樁基對地鐵結構影響較小，故重點考慮距地鐵結構外邊線水平凈距15 m范圍內的樁基影響。

模型中采用板殼單元模擬車站基坑圍護結構、地鐵結構、隧道襯砌結構，采用梁單元模擬車站基坑支撐體系，橋梁樁基和土體均采用15節點三角形實體單元，樁土之間設置相應的摩擦接觸單元。土體為彈塑性材料，服從莫爾—庫倫屈服準則，樁基及隧道襯砌采用彈性材料，見圖2。

圖2 跨線橋樁基礎與地鐵結構的三維位置關系

為了較好地反映跨線橋施工前的場地初始應力狀態，對六號線車站的施作過程進行詳細模擬，主要流程為:依次施作基坑支護結構并開挖土體至基底;六號線盾構區間貫通;依次施作基坑地下室結構和拆除基坑混凝土支撐;施作地鐵通道結構。

模型中荷載分為施工階段荷載和建成通車后荷載，由設計單位給定。在施工階段，橋梁樁基和貝雷架樁基共同承受上部荷載;建成通車階段貝雷架撤除，荷載進行一定的重新調整，上部荷載全部由橋梁樁基承擔。即貝雷架樁基卸載而橋梁樁基又增加額外荷載，荷載的變化可能會對地鐵結構的受力和變形產生一定影響。

3.2 鉆孔灌注樁施工流程模擬

鉆孔灌注樁在正常施工情況下對鄰近隧道的影響較小，但在施工質量有問題時(塌孔、縮頸等)，對周圍影響較大。

樁基施工，尤其是鉆孔過程會引起周邊土體的擾動，造成周圍土體內超孔隙水壓力或正或負的重分布。同時由于泥漿護壁作用，可能導致樁周土體軟化。國外一些研究［8-9］表明樁土接觸面的水平有效應力發展依賴于樁孔內新鮮混凝土的壓力，因此，水下澆注混凝土初凝過程對孔壁的擠壓作用也應適當考慮。

樁身材料采用C35混凝土，泥漿相對密度取1.2，泥漿護壁過程采用γ=12 kN/m3的自重應力產生的靜水壓力來實現［3］。通過樁周薄壁單元來模擬滲透條件的變化，通過修改單元屬性來模擬混凝土硬化過程。

模型中分析了樁基鉆孔過程及水下澆注混凝土過程，同時考慮了由于塌孔、泥漿護壁等作用可能造成的樁孔周邊土體軟化效應。軟化效應通過不同的軟化范圍及相應的土體強度參數折減進行模擬。分別研究了不軟化、軟化30%D、軟化60%D、軟化90%D(D為樁徑)等4種情況對地鐵結構的影響。

4 模擬結果分析

4.1 內力分析

六號線區間隧道結構在鉆孔樁施工階段內力變化量如表1所示。

表1 六號線地鐵區間隧道結構內力匯總

由表1可見，鉆孔樁施工階段引起地鐵結構的內力變化同后續加載階段的內力變化大小相當，近距離樁基的施工影響不容忽視。施工過程中要加強成樁質量控制，避免出現塌孔、縮頸等不利情況。

4.2 位移分析

由圖3可見，在近距離鉆孔樁施工階段，地鐵隧道的最大位移隨樁基周圍土體軟化范圍的增大而增大。原因是樁周土體軟化后，隧道周邊地層對隧道結構的約束降低，導致隧道變形出現增大趨勢，即在近距離鉆孔樁施工階段對隧道變形的影響主要由地層控制。上部結構施工階段及通車階段地鐵隧道的最大位移隨樁基周圍土體軟化范圍的增大而減小，原因是豎向荷載作用下樁基周邊土體軟化導致樁基側摩阻力降低，即在樁土相互作用下，上部荷載的傳遞起主要作用，隨著樁側摩阻力的降低，荷載的橫向傳遞大大減少，進而引起地鐵隧道的位移出現下降趨勢。

圖3 各主要工況地鐵區間隧道結構最大位移發展曲線

預測六號線車站的最大總位移為0.66 mm，三號線車站的最大總位移為2.22 mm，換乘通道結構的最大總位移為2.13 mm。

總體而言，近距離鉆孔樁施工階段對地鐵隧道的變形影響較小，而跨線橋上部結構施工階段對地鐵隧道的變形影響最大，主要由橋梁樁基和近距離貝雷架樁基上部加載造成。而隨著跨線橋的建成通車，貝雷架拆除，近距離貝雷架樁基卸載，整個荷載由橋梁樁基承擔，荷載重新分配，從而引起地鐵隧道的變形出現減小的趨勢。

5 結論及建議

結合三維數值模擬分析結果可見，跨線橋樁基引起地鐵結構的內力和位移變化均處于較低水平，不影響地鐵結構的安全。主要建議如下:

1)施工前嚴格復核跨線橋近距離樁基與地鐵結構的位置關系，確保樁位的準確性。

2)樁基礎施工前進行相應的地質超前鉆孔，以進一步探明相應的工程地質情況。

3)加強對近距離鉆孔灌注樁的施工過程控制，加強樁基護壁泥漿的質量控制，以避免樁基成孔階段發生塌孔事故。

4)跨線橋施工前應針對下方地鐵結構特別是地鐵區間盾構隧道的結構現狀開展相關調查和分析，以掌握其結構現狀。

5)跨線橋施工階段及使用階段應加強對下方地鐵區間隧道位移的監控量測，以及時了解地鐵結構的安全狀態。

［1］劉力英，莫海鴻，周漢香，等.樁對隧道影響的分析模型比較［J］.廣東土木與建筑，2004(2):18-20.

［2］閆靜雅，張子新，黃宏偉，等.樁基礎荷載對鄰近已有隧道影響的有限元分析［J］.巖土力學，2008，29(9):2508-2514.

［3］閆靜雅.樁基礎全壽命期對鄰近已有隧道的影響研究［D］.上海:同濟大學，2000.

［4］練健飛.某地鐵上蓋建筑樁基礎對地鐵隧道影響分析［J］.科技創新導報，2008(21):102，104.

［5］樓曉明，金志靖.鉆孔灌注樁基礎對緊鄰地鐵隧道產生豎向附加應力和變形的計算分析［J］.巖土力學，1996，17(3):48-53.

［6］樓曉明，劉建航.高層建筑樁基礎對鄰近隧道影響的監測與分析［J］.同濟大學學報，2003，31(9):1014-1018.

［7］王曉霞，閆靜雅.樁與隧道相互影響研究進展［J］.西部探礦工程，2007(3):152-155.

［8］SCHROEDER F C.The influence of bored piles on existing tunnels:a case study［J］.Ground Engineering，2002，35(7):32-34.

［9］BURLAND J B.Shaft friction of piles in clay—a simple fundamental approach［J］.Ground Engineering，1973，6(3):30-42.