橋梁樁基近接既有隧道的數值模擬分析

龔 倫,馬相峰,孔 超,梁振寧,吳金霖

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.西南科技大學土木工程與建筑學院,四川綿陽 621010)

隨著我國高鐵建設和高速公路建設的迅速發展，高鐵網絡和高速公路網絡不斷完善，這也使得高鐵與高速公路近接施工愈發普遍，尤其是高速公路橋梁樁基與既有隧道的近接問題，近些年成為近接施工研究的熱點之一。橋梁樁基的開挖、施工以及后期的車輛荷載，必然會引起鄰近既有隧道的附加變形和內力，對其造成不利影響[1-2]，如何科學預測近接施工中橋梁對既有隧道的影響，以確保既有隧道的正常使用和新建橋梁施工的順利進行，對我國高鐵建設和高速公路建設具有重要的指導作用[3]。

在隧道周圍施工的卸、加載作用會使隧道上覆巖土“活化”，并對既有隧道結構造成影響，地下工程近接施工影響最本質的原因是新建工程的施工引起圍巖應力狀態再次重分布，從而導致一系列的力學行為變化[4]。不少專家學者對地下結構近接施工及影響分區進行了研究[5-20]，但大都集中在隧道與隧道或者隧道與既有建筑上，較少關注橋梁樁基近接既有隧道時的影響。

本文利用ANSYS將樁基與隧道簡化為平面應變問題，在分析樁基與隧道結構凈距的基礎上，增加了隧道在橋梁樁基長度變化時的變形和內力分析。鑒于二維數值模擬不能得出圍巖和支護結構在整個施工過程中的縱向力學效應，同時也不能完全將時間和空間效應模擬出來，因此對即將修建的宜畢高速公路斑竹林大橋上跨成貴鐵路青崗腳隧道工程進行三維建模計算，與平面分析結果進行對比研究，并給出了橋梁施工的可行性評估和建議。

1 控制標準

鑒于混凝土抗壓強于抗拉的特性，以既有隧道拱頂處容許拉應力為依據，確定隧道位移沉降的控制閾值。由沉降引起的既有結構變形規律可知，由于橋梁樁基的修建，產生“加載”作用，隧道內側受拉較為嚴重。根據鐵路隧道的正常使用要求，隧道在地層變位時所產生的變形應力不應超過其容許應力，建立隧道受施工影響的受力模型，見圖1。

圖1 下部隧道變形受力模型

由圖1可以推得

(1)

將ΔL=[ε]Li代入式(1)可得

(2)

式中，[SP]為隧道拱頂處地層的最大垂直沉降；[ε]為容許應變，[ε]=[σ]/E，E為隧道襯砌混凝土彈性模量；Li為隧道計算單位長度。

二次襯砌按照剛性結構分析，由于剛性結構在受力變形過程中其每個單位長度的范圍內變形是相同的，且在這個單位長度內超過極限變形結構就會開裂，故本次計算按單位長度(1 m)進行，取最小Li=1 m，由相關規范知，鐵路隧道C35混凝土的容許彎曲拉應力為0.6 MPa，彈性模量為32.5 GPa，則由式(1)計算允許垂直沉降為Spmax=6.0 mm，考慮施工期間的安全性，建議取Spmax=2.0 mm。

考慮既有結構的健全度及容許位移富余度，其控制標準為：(1)線路軌道10 m弦測量的軌向偏差、高低偏差和三角坑均應小于3 mm；(2)隧道二襯結構壓應力應小于26.0 MPa，拉應力應小于2.4 MPa；(3)二襯結構豎向位移應小于2 mm。

2 樁基與隧道近接影響研究

2.1 計算模型

將隧道與樁基近接簡化為平面應變問題，采用有限元分析軟件ANSYS對樁基造成鄰近隧道的影響進行分析，圍巖和樁基用Plane42單元模擬，二次襯砌用Beam3單元模擬。將決定隧道與橋梁位置關系的水平距離X和樁長L分別以隧道洞徑D和埋深H進行替換表示[21]，計算工況見表1，計算工況的基本模型見圖2。

表1 計算工況

圖2 計算工況模型示意

2.2 物理力學參數確定

宜畢高速公路敘永支線斑竹林大橋與成貴高鐵青崗腳隧道所處地層物理力學參數和橋梁及隧道的相關參數見表2。參考工程地質勘察資料，考慮到樁基的荷載作用面均已進入持力層[22]，為方便計算，圍巖均按中風化頁巖。

表2 相關物理力學指標

2.3 計算結果分析

2.3.1 影響分區

為了正確模擬新建橋梁對既有隧道的影響，主要分4個階段對這一過程進行模擬：①隧道開挖前地應力平衡；②模擬隧道開挖；③樁基施工；④施加橋梁結構及汽車荷載。

計算過程中隧道采用全斷面一次開挖，圍巖釋放率取30%，考慮樁基上方橋梁、墩臺和汽車荷載，根據設計資料和相關規范，估算單個樁基承受荷載約為1.5 MPa。

圖3為距離隧道不同位置橋梁樁基對隧道水平和豎向位移的影響曲線，圖4為距離隧道不同位置橋梁樁基對隧道最大壓應力和最大拉應力的影響曲線，負值代表受壓，正值代表受拉。其中，X為樁基距隧道邊墻的距離，D為隧道洞徑，H為隧道埋深。

圖3 位移影響曲線

圖4 應力影響曲線

由圖3可知，樁基的施工對隧道水平位移的影響值最大為0.82 mm，豎向位移的影響值最大為4.08 mm，說明樁基對隧道水平方向的影響遠小于豎直方向；隨著樁基距離隧道位置的增加，樁基對隧道位移的影響逐漸減小后趨于穩定。

由圖4可知，樁基施工造成隧道最大拉應力為1.23 MPa，最大壓應力為9.45 MPa，符合混凝土受壓強于受拉的特點；同位移變化一樣，隨著樁基距離隧道位置的增加，最大拉應力、最大壓應力都逐漸減小后趨于穩定。

對比位移和應力變化曲線可以發現，在1.0倍洞徑和2.0倍洞徑左右，曲線斜率有較明顯變化。 1.0倍洞徑以內，斜率較大，說明此區域內隧道受樁基影響較大；1.0～2.0倍洞徑之間，斜率較1.0倍洞徑以內有所減小，說明此區域內，隧道受樁基影響相對減??；2.5倍洞徑以外，斜率趨于水平，說明此區域樁基對隧道的影響趨于穩定，可以忽略。因此取1.0倍洞徑為強影響區和弱影響區的分界，2.0～2.5倍洞徑區域為弱影響區和無影響區的分界。

2.3.2 樁長影響

取強影響區0.5倍洞徑位置，分析不同樁長對隧道豎向位移和最大壓應力的影響，結果見圖5。

圖5 不同樁基長度對隧道的影響

由圖5可以看出，在強影響區內，隧道位移和應力均隨著樁基長度的增加而逐漸增大，說明樁長越長，對既有隧道影響越大；但是在樁長大于0.8倍隧道埋深時，位移和應力增加趨于平緩，說明此時樁長對隧道的影響程度趨于穩定，樁基繼續加長對隧道的影響可忽略不計。

參照《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)[23]Ⅵ級圍巖指標計算得出隧道為淺埋隧道，破裂面與水平方向的夾角為60°，隧道上方破裂面與橋梁樁基關系見圖6。

圖6 破裂面與隧道和樁基相對位置

由圖6可知，0.5倍洞徑處破裂區的深度為0.8H左右，恰好對應于圖6中位移趨于平緩的轉折點，樁基超過該深度時，隧道位移隨著樁長的增加稍有增大，但趨勢變緩。由此可以得出，一旦樁基伸入既有隧道潛在滑移破裂面以下，樁基繼續加長對隧道的影響可忽略不計。

3 工程實例

3.1 工程概況

宜畢高速公路敘永支線在威信縣城扎西鎮南側，于NK19+552.292處上跨在建的成貴高鐵，交角為55°，交叉點位于成貴高鐵青崗腳隧道上方距隧道出口約360 m。公路與鐵路高差約49.8 m，鐵路隧道埋深約25 m。敘永支線高速公路擬采用(45+65+45) m鋼箱梁上跨成貴高鐵青崗腳隧道，左右幅錯孔布置，上跨隧道橋墩擬采用擴大基礎。成貴高鐵青崗腳隧道目前已修建完成，暫未投入運營。

擬建橋梁樁基長40～45 m，基本對應于平面計算中的1.6H，樁基與成貴高鐵青崗腳隧道最近約為20 m，宜畢高速公路敘永支線斑竹林大橋與成貴高鐵青崗腳隧道平面關系及立面關系見圖7，即X/D=1.4，根據平面分析結果，在弱影響區內，會對隧道的穩定性產生影響，因此進行三維建模計算加以評估。

圖7 橋梁與隧道相互位置關系示意(單位：m)

3.2 三維計算模型

根據工程實際情況建立模型，模擬計算采用FLAC3D有限差分通用程序。沿縱向取150 m，沿橫向取240 m，深度取隧道仰拱下方60 m；前后、左右邊界受水平約束，垂直方向底邊界受豎向約束，頂面為自由表面；計算中橋梁樁基、上部結構、隧道襯砌等均采用彈塑性實體單元模擬，在整個計算模型中，采用六面體單元映射劃分。三維數值計算模型及橋、隧相對位置關系見圖8，物理力學參數見表2。

圖8 三維模型及網格劃分

計算施工工序分為以下7步，見表3。

表3 施工工序

3.3 結果分析

3.3.1 計算結果

各個施工工序下，隧道二襯最大豎向位移和水平位移、最大壓應力和最大拉應力變化見表4。

表4 各工序下位移和應力變化

由表4可知，橋梁施工引起的隧道二襯最終位移為1.67 mm，小于2 mm；根據計算結果，提取軌道10 m弦的最大偏差為0.11 mm，遠小于3 mm；隧道二襯最大壓應力為4.47 MPa，遠小于青崗腳隧道襯砌極限抗壓強度26.0 MPa，最大拉應力為1.19 MPa，小于青崗腳隧道襯砌極限抗拉強度2.4 MPa。位移和內力均滿足控制標準要求。

3.3.2 結果對比

宜畢高速公路敘永支線斑竹林大橋中跨鋼箱梁左右兩端樁基分別距成貴高鐵青崗腳隧道28 m、20 m左右，即X/D介于1.4～2.0。由表5可知，三維計算結果與平面分析結果基本一致。

3.3.3 施工建議

為了確保成貴高鐵青崗腳隧道既有結構及后續運營安全，建議上跨高速公路橋梁施工期間對隧道結構進行監測，并根據監測資料即時判斷青崗腳隧道的工作狀態，一旦監測數據異常，立即停止斑竹林大橋的施工，啟動事故應急預案處理，分析監測結果預警的原因，研究對策，提出整改措施后再進行施工。

表5 平面計算與三維計算結果對比

由表4位移變化可知，施工步6(橋梁上部結構施工)引起了較大位移變化，因此在橋梁上部結構施工時，應嚴格控制施工過程，增加對隧道的監測頻率；此外，在橋梁運營前期，宜對青崗腳隧道軌道變形繼續進行監測。

4 結論及建議

通過ANSYS平面計算和FLAC3D三維建模分析，得出了橋梁樁基與既有隧道近接施工時的影響規律，對宜畢高速公路斑竹林大橋近接成貴高鐵青崗腳隧道工程進行了可行性評估。

(1)橋梁樁基近接既有隧道施工時，依據橋梁樁基與既有隧道的距離，可劃分為強影響區、弱影響區和無影響區，強影響區和弱影響區分界為1.0倍洞徑，弱影響區和無影響區分界為2.0～2.5倍洞徑區域。

(2)橋梁樁基近接既有隧道施工時，樁基越長，對隧道影響越大，一旦樁基伸入既有隧道潛在滑移破裂面以下，樁基繼續加長對隧道的影響可忽略不計。

(3)斑竹林大橋樁基長度約為1.6倍隧道埋深，X/D=1.4，在弱影響區內，會對成貴高鐵青崗腳隧道造成一定影響，但是隧道襯砌位移和應力均小于控制標準，滿足結構受力要求。

(4)為了確保成貴高鐵青崗腳隧道既有結構及后續運營安全，斑竹林大橋施工及后續運營過程中，宜對隧道結構和軌道變形進行監測，尤其在橋梁上部結構施工時加強監測頻率，以便根據監測資料準確判斷青崗腳隧道的穩定狀態。