鉆孔灌注樁施工過程對鄰近隧洞影響數值分析

馬文琪，朱珍德

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 江蘇省巖土工程技術工程研究中心，江蘇 南京 210098)

鉆孔灌注樁施工過程對鄰近隧洞影響數值分析

馬文琪1，2，朱珍德1，2

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 江蘇省巖土工程技術工程研究中心，江蘇 南京 210098)

針對單排鉆孔灌注樁施工過程對鄰近隧洞的影響問題，運用FLAC3D建立三維簡化模型，分析隧洞與樁間距S、樁長L對既有隧洞變形的影響規律。研究結果表明：隧洞豎向位移與S大致呈分段線性變化規律；為保證樁基施工過程中的隧洞結構穩定，S不宜小于6 m；樁長改變了樁底與隧洞在水平位置的關系，對既有隧洞的位移影響表現為有峰頂的雙段線，樁底高程宜避免位于隧洞拱頂和拱底之間。

鉆孔灌注樁；鄰近隧洞；FLAC3D；豎向位移

地上大型構筑物的天然地基滿足不了承載力要求，樁基礎被廣泛使用，樁基施工對鄰近隧洞擾動過大則易導致安全事故，產生嚴重經濟損失，有必要研究樁基施工全過程對鄰近隧洞的影響[1-3]。國外學者就樁基礎施工對鄰近隧道的影響較早地展開了相關研究[4-6]。國內對于樁對隧道穩定性影響的問題源于上海軟土地基上高層建筑的興建[7-12]。以上研究中，或將樁基礎簡化為樁墻，或建立三維模型僅計算群樁施工對隧洞的影響，對于三維條件下橋梁單排樁基施工工況鮮有探究。 本文依托深圳市沙荷-鹽排高速立交(一期)跨既有引水隧洞工程，用三維快速拉格朗日分析程序FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）建立三維模型，探究單排鉆孔灌注樁施工過程中樁基礎與隧道凈距S與樁長L變化對隧洞穩定的影響，并驗證數值分析結果的合理性。

1 數值模型建立與參數分析

1.1 工程概況

沙荷-鹽排高速公路立交工程(一期)擬建線路在東江源網絡干線碧嶺隧洞170 m位置橫跨碧嶺隧洞，隧洞底埋深-35.6 m，道路路面高程為0 m，擬建道路路面高程與隧洞底高程垂直間距小于80 m，為避免荷載直接作用于隧洞正上方，采用新建橋梁的方式跨越該隧洞，橋梁采用樁基礎。樁基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑為1.5 m，樁間距為2 m。為保證隧洞在樁基施工及道路運行期的正常使用同時降低橋梁造價，需建立合理模型進行分析，確定樁與隧洞間距、樁長等樁基參數。

1.2 模型及計算參數分析

根據工程實際情況，利用FLAC3D軟件建立三維簡化模型，如圖1所示。模型尺寸為76 m×70 m×50 m，采用右手笛卡爾坐標系，沿隧洞走向為y向，平行于樁長方向為z向。隧洞中心點為坐標原點，樁基頂部z向坐標為35 m，隧洞左右兩側樁根數分別為10根，樁基施工區域為隧洞沿y軸走向14～50 m處。采用控制變量法分別改變樁基與隧洞間距S、樁長L的值。隧洞及樁基參數見表1，模型地層分布及主要物理力學指標見表2。

圖1 三維整體模型圖Fig.1 Three-dimensional model diagram

表1 隧洞及樁基參數表Tab.1 Parameter list of tunnel and pile foundation

表2 各地層物理參數表Tab.2 Physical parameter list of layers

隧洞襯砌結構依據工程實際，襯砌厚度為0.35 m，采用C30混凝土材料，鉆孔灌注樁的混凝土強度等級為C30。襯砌結構和樁基礎采用各向同性彈性模型，巖土體為彈塑性材料，采用摩爾-庫倫塑性模型。樁土界面用接觸面單元模擬[13-15]，不考慮樁對土體的軟化作用。模型邊界采用底邊固定、兩側邊界水平位移約束的條件。

根據實際工況，模擬分4個階段進行。初始地應力平衡后用空模型模擬隧洞開挖，開挖完成后進行隧洞襯砌，以模擬樁基礎施工前的場地應力狀態；模擬鉆孔灌注樁成孔過程；模擬樁基澆筑過程，澆筑分三次完成，考慮樁基施工澆筑振搗，用FISH函數定義動荷載，施加向下的作用力；進行樁基加載，模擬上部結構物的修建及運行。

2 樁基施工對隧洞影響因素分析

2.1 樁與隧洞間距S對隧洞影響分析

保持樁基長度L=20 m與樁間距i=2 m不變，改變樁基礎與隧洞間距S，計算S=2、4、6、8、10、12 m時隧洞應力與位移變化。

樁基鉆孔階段樁基周圍土體開挖，隧洞兩側巖土體卸荷，隧洞周圍約束降低，隧洞側壁產生向樁基方向的變形，隧洞拱頂和底部向上變形，隧洞襯砌結構變形大致呈倒U型。由于樁基長度較短，計算過程中隧洞基本保持穩定，隧洞圍巖未發生剪切破壞。

由圖2可知，樁基施工使隧洞襯砌結構及圍巖出現應力集中現象，拱頂和拱底承受約為0.2 MPa的豎向拉應力，側壁承受約為0.01 MPa的水平拉應力，可見隧洞拱頂和拱底是保證隧洞穩定的關鍵。隧洞拱頂和拱底以豎向變形為主，y=15、19、22、30 m截面處拱頂拱底豎向位移變化曲線如圖2、圖3所示。

圖2 鉆孔階段隧洞豎向位移與S關系曲線Fig.2 Relationship between vertical displacement of tunnel and S in drilling stage

圖3 澆筑階段隧洞豎向位移與S關系曲線Fig.3 Relationship between vertical displacement of tunnel and S in pouring stage

由圖2可知，鉆孔階段隧洞拱頂和拱底豎向位移與S的關系曲線大致分為3個階段。S小于6 m時，隧洞豎向位移隨S減小呈線性增加，擬合斜率為-0.025，相關系數為0.92，隧洞底部變化趨勢較拱頂更明顯，原因是隧洞為馬蹄形，頂部為弧形而底部為直角邊，隧洞頂部受力優于底部；當S在6～8 m之間時，隧洞豎向位移曲線變化趨于平緩，說明當S大于6 m時樁基鉆孔對隧洞的影響逐漸減小；當S大于8 m時，隧道豎向位移隨著S的增加大致呈線性變化遞減，遞減速率較快，當S約為10 m時，鉆孔開挖引起的拱頂和拱底隆起位移最大約為0.1 mm，對隧洞的影響可基本忽略。

由圖3可知，樁基澆筑階段，由于樁體自重和振搗沖擊作用，隧洞拱頂和拱底產生整體向下的位移。樁基施工對隧洞的影響最終表現為整體沉降，拱底沉降量高于拱頂。

隧洞拱頂和拱底豎向位移與S關系曲線變化趨勢與鉆孔階段大致相同，在S為6 m時出現拐點；當S小于6 m時，線性擬合斜率為0.042，當S大于6 m時，斜率為0.034，當S為12 m時，隧洞拱底下沉量最大為0.4 mm。

2.2 樁長L對隧洞的影響分析

保持樁基礎與隧洞間距S=2 m及樁間距i=2 m不變，改變樁長L，計算L=20、26、29、32、35、38、40 m時隧洞襯砌結構位移變化規律。

由圖2、圖3可知，隧道在y=30 m截面處位移最大，樁施工所產生的周圍巖土體位移從中間向兩側逐漸減小。故取y=30 m截面，拱頂、拱底豎向位移與樁長L關系曲線如圖4、圖5所示。

圖4 鉆孔階段隧洞豎向位移與L關系曲線Fig.4 Relationship between vertical displacement of tunnel and L in drilling stage

圖5 澆筑階段隧洞豎向位移與L關系曲線Fig.5 Relationship between vertical displacement of tunnel and L in pouring stage

由圖4、圖5可知，樁長對隧洞影響趨勢表現為先增大后減小。拱頂和底部豎向位移與L關系曲線可分為2個階段，分別在L=32 m (z=3)、L=39 m（z=-3）時出現拐點。樁長為32 m即樁底與隧洞拱頂在同一水平面時，拱頂在樁基施工鉆孔和澆筑階段的豎向位移最大，分別為0.8和-1.15 mm；當樁底到達隧洞拱底位置時，拱底豎向位移達到最大值，鉆孔和澆筑階段最大位移為0.85和-1.3 mm。

樁基長度對隧洞的影響主要由樁底與隧洞相對位置決定，當樁底高程位于隧洞拱頂和拱底之間時，樁基施工對隧洞影響最大。當樁位于隧洞上方時，隧洞拱頂和拱底位移隨樁長增加呈線性增加，鉆孔階段和澆筑階段線性擬合斜率分別為0.02和-0.03。

3 監測值與計算值對比分析

該工程中人工鉆孔灌注樁距離隧洞實際凈距約為5.5 m，樁長30 m，隧洞結構施工過程中對樁基施工區域及前后10 m范圍進行監測，監測區域拱底位移實測值曲線如圖6所示。

圖6 監測區域隧洞拱底豎向位移實測值曲線圖Fig.6 Measured value curve of vertical displacement for tunnel arch in monitoring area

由圖6可得，樁基施工區域隧洞位移最大值在中間位置，最大為-1.8 mm。數值計算探究得出的位移變形規律和隧洞施工過程中的位移變化趨勢大致相同，這說明用三維數值模擬計算的方法探究跨隧橋梁樁基施工對既有隧洞的影響規律是可行的。

實測值與計算值對比，計算得出的豎向位移值偏小，這主要是因為：巖土體是復雜不均勻的各向異性介質，存在著很多結構面、節理面，而在數值計算中采用的摩爾-庫倫模型沒有考慮巖土體的缺陷；樁基開挖過程中會出現樁周土體軟化現象，對隧洞約束力降低，造成隧洞實際變形值高于計算值；儀器精度較低及觀測誤差會使得監測結果出現一定偏差。

4 結論

1）樁基施工過程中，樁孔開挖會使隧洞產生整體向上倒U形位移，樁基澆筑階段隧洞產生整體沉降；對于馬蹄形隧洞，樁基施工過程中，拱底位移變化值較大。

2）在樁基施工全過程中，樁基與隧洞間距對隧洞的影響大致呈分段線性變化，以S=6 m為界。因此，樁基與隧洞的安全距離為6 m。間距小于6 m時，隧洞位移快速增加，對隧洞穩定造成一定影響；樁基長度的變化決定了樁與隧洞在豎向位置關系，當樁底高程位于隧洞拱頂和拱底之間時，對隧洞影響最大，這種情況在實際工程中應盡量避免。

3）通過建立三維模型模擬計算的方法分析跨隧橋梁樁基施工對既有隧洞的影響是較為合理的；將模擬結果和監測結果結合能夠制定合理的隧洞加固方案，可以很好地用于類似工程施工。

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Numerical analysis on bored pile construction for adjacent existing tunnel

MA Wenqi1，2，ZHU Zhende1，2
(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China；2.Jiangsu Research Center for Getechnical Engineering Tecnology，Hohai University，Nanjing 210098，China)

Based on a cross-tunnel bridge construction project，the effects of two factors —the distance between tunnel and pile (S) and the length of the pile (L) on the tunnel deformation are analyzed in the FLAC3D model. The results showthat the vertical displacement of the tunnel and S are approximately piecewise linear. In order to ensure the stability of the tunnel structure during the construction of the pile foundation，S should not be less than 6m；Relative position between pile and the tunnel is determined by the length of pile，the bottom of the pile should be avoided at the arch of the tunnel.

bored pile；adjacent existing tunnel；FLAC3D；vertical deformation

TU473

A

1673-9469（2017）04-0032-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.008

2017-08-01

國家自然科學基金資助項目（51579081，51379065）

馬文琪(1993-)，女，山東聊城人，碩士，從事巖石力學與地下工程的研究。