大斷面隧道暗挖施工對臨近樁基位移影響分析

羊　鵬

(四川興蜀公路建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 四川成都 610041)

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大斷面隧道暗挖施工對臨近樁基位移影響分析

羊鵬

(四川興蜀公路建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 四川成都 610041)

【摘要】針對成都地區(qū)某大斷面隧道臨近既有立交橋樁基的設(shè)計和施工方案，運用有限差分法，建立三維模型模擬施工過程。以臨近隧道的地面、隔離樁、主橋樁、匝道樁為研究對象，分析了地表沉降量與各樁基位移變化規(guī)律，進(jìn)而判斷按照所用隧道設(shè)計和施工方案施工時能否確保臨近立交橋結(jié)構(gòu)的安全。研究結(jié)果表明：地表沉降量最大值為13 mm，沉降范圍為隧道軸線兩側(cè)8 m以內(nèi)；右側(cè)6.5 m處主橋樁樁頂沉降量最大，為4.7 mm。由于各樁基位移值均在允許范圍內(nèi)，且安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，故按照該設(shè)計和施工方案施工能夠確保臨近立交橋結(jié)構(gòu)的安全。

【關(guān)鍵詞】大斷面隧道；暗挖施工；樁基；位移

近年來，隨著城市不斷擴張，城市地下公路隧道建設(shè)越來越多，新建公路隧道與既有建筑樁基近距、隧道穿越樁基群等情況不斷出現(xiàn)。由于新建隧道施工引起圍巖應(yīng)力重分布，當(dāng)既有樁基位于該圍巖應(yīng)力重分布區(qū)域時，會對其結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響，造成樁基失穩(wěn)破壞，進(jìn)而威脅上部結(jié)構(gòu)的安全[1-3]。因此，開展新建隧道施工對臨近既有樁基影響研究具有重要的工程實際意義[4-6]。

本文以成都地區(qū)某大斷面公路隧道穿越既有立交橋樁基的設(shè)計和施工方案為依據(jù)，建立有限元三維仿真模型進(jìn)行模擬施工，以臨近隧道的地面、隔離樁、主橋樁、匝道樁為研究對象，分析了地表沉降量與各樁基位移變化規(guī)律，從而定量判斷該方案對原有交通設(shè)施的影響程度。

1工程概況

1.1新建隧道與橋樁關(guān)系

新建隧道在立交橋下穿過，與立交橋斜交，交角約70°，實際位置關(guān)系如圖1所示。

圖1　暗挖穿越立交橋樁基群位置關(guān)系

圖1中各樁距離為實際距離在該截面上的投影長度。隧道附近依次為隔離樁、主橋樁和匝道樁。隧道埋深12 m，隧道跨度15 m。兩側(cè)為既有立交橋樁基，主橋樁基中心距離隧道右側(cè)壁2.5 m，兩側(cè)主橋樁直徑為1.8 m，樁長25 m，次遠(yuǎn)(距隧道右側(cè)壁6.5 m)處主橋樁直徑為1.5 m，樁長15 m，位于卵石地層中；匝道橋樁基中心距離隧道邊緣為7 m，樁基直徑1.5 m，樁長20 m。

1.2隔離樁施工

為減小對立交橋既有樁基的影響，保證該路段運營安全，在立交橋下區(qū)段隧道兩側(cè)設(shè)置隔離樁保護(hù)既有立交橋樁基。隔離樁為直徑1.2 m的C30混凝土鉆孔灌注樁，樁長25 m，密排布置。隔離樁頂部設(shè)置鋼筋混凝土支撐，支撐截面尺寸60 cm×80 cm(寬×高)。

1.3支護(hù)參數(shù)

DK166+395～+435段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，噴射混凝土強度等級為C25，鋼架采用I 25a型鋼鋼架，縱向間距0.5 m。拱部140°范圍采用φ42雙層小導(dǎo)管注漿及大管棚加固。第一層小導(dǎo)管長3.5 m，環(huán)向間距0.3 m，縱向間距0.1 m，外插角30°～35°。第二層小導(dǎo)管長2.5 m，環(huán)向間距0.3 m，縱向間距0.1 m，外插角10°～15°。拱部140°設(shè)置雙層φ159大管棚(壁厚8 mm)，大管棚環(huán)向間距0.3 m，長40 m，外插角1°，管內(nèi)插入3根φ18鋼筋，管內(nèi)壓注水泥砂漿。上半斷面掌子面設(shè)置φ25纖維錨桿，長8 m，水平間距0.8 m，梅花形布置，縱向間距6 m，錨桿內(nèi)注水泥漿。

1.4計算參數(shù)

依據(jù)工程地質(zhì)情況以及設(shè)計支護(hù)參數(shù)，確定計算參數(shù)(表1)。

1.5計算模型

(1)建立三維模型計算。隧道埋深12 m，隧道跨度15 m，兩側(cè)分別布置既有立交橋樁基，主橋樁基中心距離隧道邊緣為2.5 m，兩側(cè)主橋樁直徑為1.8 m，樁長25 m，次遠(yuǎn)處主橋樁直徑為1.5 m，樁長15 m，位于卵石地層中；匝道橋樁基中心距離隧道邊緣為7 m，樁基直徑1.5 m，樁長20 m。主橋樁頂部荷載為3 000 kN，匝道橋頂部荷載設(shè)定為500 kN。

表1　圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

(2)模型計算所取土體范圍：土層厚度(Y方向)取40 m，沿縱向(Z方向)取7 m，沿寬度方向(X方向)取80 m，模型分為26 362個單元，31 128個節(jié)點。模型中隔離樁，主橋樁，匝道橋樁，圍巖均采用實體單元。

(3)模型的邊界條件：前后左右面受水平約束，下邊界受豎向約束，上邊界(地表)為自由邊界。整體模型加自重應(yīng)力場g=9.8 m/s2。

計算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　三維模型網(wǎng)格劃分

1.6暗挖施工工序模

見圖3：(1)施作鋼筋混凝土隔離樁，隔離樁密排布置，直徑1.2 m，隔離樁底端深入隧道仰拱下3 m；(2)開挖地表以下1 m，然后施作C30鋼筋混凝土冠梁，尺寸60 cm×80 cm；(3)第1步，開挖左導(dǎo)坑上部0～2 m；(4)第2步，開挖左導(dǎo)坑上部2～5 m，左導(dǎo)坑下部0～2 m；(5)第3步，開挖左導(dǎo)坑上部5～7 m，左導(dǎo)坑下部2～5 m，右導(dǎo)坑上部0～2 m；(6)第4步，開挖左導(dǎo)坑下部5～7 m，右導(dǎo)坑上部2～5 m，右導(dǎo)坑下部0～2 m；(7)第5步，右導(dǎo)坑上部5～7 m，右導(dǎo)坑下部2～5 m，中導(dǎo)坑上部上臺階0～2 m；(8)第6步，右導(dǎo)坑下部5～7 m，中導(dǎo)坑上部上臺階2～5 m；中導(dǎo)坑上部中臺階0～2 m；(9)第7步，中導(dǎo)坑上部上臺階5～7 m，中導(dǎo)坑上部中臺階2～5 m；中導(dǎo)坑上部下臺階0～2 m；(10)第8步，中導(dǎo)坑上部中臺階5～7 m，中導(dǎo)坑上部下臺階2～5 m；中導(dǎo)坑下部上臺階0～2 m；(11)第9步，中導(dǎo)坑上部下臺階5～7 m；中導(dǎo)坑下部上臺階2～5 m；中導(dǎo)坑下部下臺階0～2 m；(12)第10步，中導(dǎo)坑下部上臺階5～7 m；中導(dǎo)坑下部下臺階2～5 m； (13)第11步，中導(dǎo)坑下部下臺階5～7 m； (14)第12步，拆除臨時支撐0～2 m；(15)第13步，拆除臨時支撐2～5 m；(16)第14步，拆除臨時支撐5～7 m。

圖3　雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序示意

2數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1地表位移分析

依據(jù)計算結(jié)果，分析距隧道離軸線不同距離處地表的豎向位移如圖4。

圖4　各工序地面沉降量

由圖4知：地表沉降范圍為距隧道中軸線8 m以內(nèi)，剛好位于隧道開挖范圍正上方，距隧道軸線越近地表沉降量越大。隨著開挖進(jìn)行，地表沉降量逐漸增大，隧道施工完成后，地表沉降量最大，最大值約為13 mm。

2.2樁基豎向位移分析

依據(jù)計算結(jié)果，分析隧道兩側(cè)隔離樁、立交橋主樁及匝道樁的樁頂及樁底豎向位移如圖5。

(a) 左側(cè)隔離樁

(b) 右側(cè)隔離樁

(c) 左側(cè)主橋樁

(d) 右側(cè)主橋樁

(e) 左側(cè)匝道樁

(f) 右側(cè)6.5 m處主橋樁圖5　樁基豎向位移

由圖5知：隨著開挖進(jìn)行，各樁沉降量逐漸增大，除隔離樁有少量豎向變形外，原有立交橋樁基均無明顯豎向變形。拆除橫支撐施工時，對隔離樁的豎向位移影響較大，引起的位移量約占總位移量的20 %。各樁樁頂沉降量依次為：左側(cè)隔離樁，3.2 mm；右側(cè)隔離樁，3.0 mm；左側(cè)主橋樁，2.9 mm;右側(cè)主橋樁，3.1 mm；左側(cè)匝道樁，4.4 mm；右側(cè)6.5 m處主橋樁，4.7 mm。

2.3樁基水平位移分析

依據(jù)計算結(jié)果，分析隧道兩側(cè)隔離樁、立交橋主樁及匝道樁的不同部分水平位移如圖6。

(a) 左側(cè)隔離樁

(b) 左側(cè)主橋樁

(c) 左側(cè)匝道樁

(d) 右側(cè)隔離樁

(e) 右側(cè)主橋樁

(f) 右側(cè)6.5 m處主橋樁圖6　樁基水平位移

由圖6知：隨著施工進(jìn)行，各樁水平位移值均呈逐漸增大的趨勢，最大水平位移發(fā)生在隧道開挖完成后。各樁最大水平位移依次為：左側(cè)隔離樁，樁頂處，右移1.7 mm；左側(cè)主橋樁，距樁頂5 m處，右移2.1 mm；左側(cè)匝道樁，距樁頂7 m處，右移2.4 mm; 右側(cè)隔離樁，樁中間，右移2.3 mm；右側(cè)主橋樁，距樁頂6 m，左移1.4 mm；右側(cè)6.5 m處主橋樁，距樁頂1 m處，右移1.8 mm。

比較左右兩側(cè)主橋樁可知：左樁上半部分右移，下半部分左移，樁體呈向隧道傾倒趨勢；右樁上半部分左移，下半部分右移，樁體也呈向隧道彎曲傾倒趨勢，這與隧道開挖后圍巖應(yīng)力重分布有關(guān)。

3結(jié)論

本文采用有限差分法，以成都地區(qū)某大斷面隧道穿越既有立交橋樁基的設(shè)計和施工方案為依據(jù)，建立三維仿真模型進(jìn)行模擬施工，分析了地表沉降量與各樁基位移變化規(guī)律及結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，由此可得出如下結(jié)論。

(1) 地表沉降范圍為隧道軸線兩側(cè)8 m以內(nèi)，距隧道軸線越近地面沉降量越大。隨著開挖進(jìn)行，地表沉降量逐漸增大，隧道施工完成后，地表沉降量最大，最大值約為13 mm。

(2) 拆除橫支撐施工時，引起的位移量約占總位移量的20 %。各樁樁頂沉降量依次為：左側(cè)隔離樁，3.2 mm；右側(cè)隔離樁，3.0 mm；左側(cè)主橋樁，2.9 mm；右側(cè)主橋樁，3.1 mm；左側(cè)匝道樁，4.4 mm；右側(cè)6.5 m處主橋樁，4.7 mm。

(3) 各樁最大水平位移依次為：左側(cè)隔離樁，樁頂處，右移1.7 mm；左側(cè)主橋樁，距樁頂5 m處，右移2.1 mm；左側(cè)匝道樁，距樁頂7 m處，右移2.4 mm；右側(cè)隔離樁，樁中間，右移2.3 mm；右側(cè)主橋樁，距樁頂6 m，左移1.4 mm；右側(cè)6.5 m處主橋樁，距樁頂1 m處，右移1.8 mm。

(4) 隔離樁反彎點約位于距樁頂2/5倍樁長處，主橋樁反彎點約位于距樁頂1/3倍樁長處。

(5) 各樁安全系數(shù)由上到下逐漸減小，且均滿足大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)2.0的要求。

由于各樁基位移值均在允許范圍內(nèi)，且安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，故按照該設(shè)計和施工方案施工能確保臨近立交橋結(jié)構(gòu)的安全。

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【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號】U455.41+1

[作者簡介]羊鵬(1979～)，男，本科，工程師，主要從事公路建設(shè)管理工作。

[定稿日期]2015-10-12