橋梁樁基近接既有隧道的數(shù)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(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川綿陽 621010)

隨著我國(guó)高鐵建設(shè)和高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展，高鐵網(wǎng)絡(luò)和高速公路網(wǎng)絡(luò)不斷完善，這也使得高鐵與高速公路近接施工愈發(fā)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(diǎn)之一。橋梁樁基的開挖、施工以及后期的車輛荷載，必然會(huì)引起鄰近既有隧道的附加變形和內(nèi)力，對(duì)其造成不利影響[1-2]，如何科學(xué)預(yù)測(cè)近接施工中橋梁對(duì)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(jìn)行，對(duì)我國(guó)高鐵建設(shè)和高速公路建設(shè)具有重要的指導(dǎo)作用[3]。

在隧道周圍施工的卸、加載作用會(huì)使隧道上覆巖土“活化”，并對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)造成影響，地下工程近接施工影響最本質(zhì)的原因是新建工程的施工引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)再次重分布，從而導(dǎo)致一系列的力學(xué)行為變化[4]。不少專家學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)近接施工及影響分區(qū)進(jìn)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(guān)注橋梁樁基近接既有隧道時(shí)的影響。

本文利用ANSYS將樁基與隧道簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，在分析樁基與隧道結(jié)構(gòu)凈距的基礎(chǔ)上，增加了隧道在橋梁樁基長(zhǎng)度變化時(shí)的變形和內(nèi)力分析。鑒于二維數(shù)值模擬不能得出圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過程中的縱向力學(xué)效應(yīng)，同時(shí)也不能完全將時(shí)間和空間效應(yīng)模擬出來，因此對(duì)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(jìn)行三維建模計(jì)算，與平面分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，并給出了橋梁施工的可行性評(píng)估和建議。

1 控制標(biāo)準(zhǔn)

鑒于混凝土抗壓強(qiáng)于抗拉的特性，以既有隧道拱頂處容許拉應(yīng)力為依據(jù)，確定隧道位移沉降的控制閾值。由沉降引起的既有結(jié)構(gòu)變形規(guī)律可知，由于橋梁樁基的修建，產(chǎn)生“加載”作用，隧道內(nèi)側(cè)受拉較為嚴(yán)重。根據(jù)鐵路隧道的正常使用要求，隧道在地層變位時(shí)所產(chǎn)生的變形應(yīng)力不應(yīng)超過其容許應(yīng)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(yīng)變，[ε]=[σ]/E，E為隧道襯砌混凝土彈性模量；Li為隧道計(jì)算單位長(zhǎng)度。

二次襯砌按照剛性結(jié)構(gòu)分析，由于剛性結(jié)構(gòu)在受力變形過程中其每個(gè)單位長(zhǎng)度的范圍內(nèi)變形是相同的，且在這個(gè)單位長(zhǎng)度內(nèi)超過極限變形結(jié)構(gòu)就會(huì)開裂，故本次計(jì)算按單位長(zhǎng)度(1 m)進(jìn)行，取最小Li=1 m，由相關(guān)規(guī)范知，鐵路隧道C35混凝土的容許彎曲拉應(yīng)力為0.6 MPa，彈性模量為32.5 GPa，則由式(1)計(jì)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(jié)構(gòu)的健全度及容許位移富余度，其控制標(biāo)準(zhǔn)為：(1)線路軌道10 m弦測(cè)量的軌向偏差、高低偏差和三角坑均應(yīng)小于3 mm；(2)隧道二襯結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力應(yīng)小于26.0 MPa，拉應(yīng)力應(yīng)小于2.4 MPa；(3)二襯結(jié)構(gòu)豎向位移應(yīng)小于2 mm。

2 樁基與隧道近接影響研究

2.1 計(jì)算模型

將隧道與樁基近接簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)樁基造成鄰近隧道的影響進(jìn)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(guān)系的水平距離X和樁長(zhǎng)L分別以隧道洞徑D和埋深H進(jìn)行替換表示[21]，計(jì)算工況見表1，計(jì)算工況的基本模型見圖2。

表1 計(jì)算工況

圖2 計(jì)算工況模型示意

2.2 物理力學(xué)參數(shù)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(xué)參數(shù)和橋梁及隧道的相關(guān)參數(shù)見表2。參考工程地質(zhì)勘察資料，考慮到樁基的荷載作用面均已進(jìn)入持力層[22]，為方便計(jì)算，圍巖均按中風(fēng)化頁巖。

表2 相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 影響分區(qū)

為了正確模擬新建橋梁對(duì)既有隧道的影響，主要分4個(gè)階段對(duì)這一過程進(jìn)行模擬：①隧道開挖前地應(yīng)力平衡；②模擬隧道開挖；③樁基施工；④施加橋梁結(jié)構(gòu)及汽車荷載。

計(jì)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(tái)和汽車荷載，根據(jù)設(shè)計(jì)資料和相關(guān)規(guī)范，估算單個(gè)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(duì)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(duì)隧道最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力的影響曲線，負(fù)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(yīng)力影響曲線

由圖3可知，樁基的施工對(duì)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(duì)隧道水平方向的影響遠(yuǎn)小于豎直方向；隨著樁基距離隧道位置的增加，樁基對(duì)隧道位移的影響逐漸減小后趨于穩(wěn)定。

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

對(duì)比位移和應(yīng)力變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，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(nèi)，斜率較大，說明此區(qū)域內(nèi)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(nèi)有所減小，說明此區(qū)域內(nèi)，隧道受樁基影響相對(duì)減??；2.5倍洞徑以外，斜率趨于水平，說明此區(qū)域樁基對(duì)隧道的影響趨于穩(wěn)定，可以忽略。因此取1.0倍洞徑為強(qiáng)影響區(qū)和弱影響區(qū)的分界，2.0～2.5倍洞徑區(qū)域?yàn)槿跤绊憛^(qū)和無影響區(qū)的分界。

2.3.2 樁長(zhǎng)影響

取強(qiáng)影響區(qū)0.5倍洞徑位置，分析不同樁長(zhǎng)對(duì)隧道豎向位移和最大壓應(yīng)力的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 不同樁基長(zhǎng)度對(duì)隧道的影響

由圖5可以看出，在強(qiáng)影響區(qū)內(nèi)，隧道位移和應(yīng)力均隨著樁基長(zhǎng)度的增加而逐漸增大，說明樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，對(duì)既有隧道影響越大；但是在樁長(zhǎng)大于0.8倍隧道埋深時(shí)，位移和應(yīng)力增加趨于平緩，說明此時(shí)樁長(zhǎng)對(duì)隧道的影響程度趨于穩(wěn)定，樁基繼續(xù)加長(zhǎng)對(duì)隧道的影響可忽略不計(jì)。

參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)[23]Ⅵ級(jí)圍巖指標(biāo)計(jì)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(guān)系見圖6。

圖6 破裂面與隧道和樁基相對(duì)位置

由圖6可知，0.5倍洞徑處破裂區(qū)的深度為0.8H左右，恰好對(duì)應(yīng)于圖6中位移趨于平緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，樁基超過該深度時(shí)，隧道位移隨著樁長(zhǎng)的增加稍有增大，但趨勢(shì)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(xù)加長(zhǎng)對(duì)隧道的影響可忽略不計(jì)。

3 工程實(shí)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(zhèn)南側(cè)，于NK19+552.292處上跨在建的成貴高鐵，交角為55°，交叉點(diǎn)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(cuò)孔布置，上跨隧道橋墩擬采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。成貴高鐵青崗腳隧道目前已修建完成，暫未投入運(yùn)營(yíng)。

擬建橋梁樁基長(zhǎng)40～45 m，基本對(duì)應(yīng)于平面計(jì)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(guān)系及立面關(guān)系見圖7，即X/D=1.4，根據(jù)平面分析結(jié)果，在弱影響區(qū)內(nèi)，會(huì)對(duì)隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此進(jìn)行三維建模計(jì)算加以評(píng)估。

圖7 橋梁與隧道相互位置關(guān)系示意(單位：m)

3.2 三維計(jì)算模型

根據(jù)工程實(shí)際情況建立模型，模擬計(jì)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(jì)算中橋梁樁基、上部結(jié)構(gòu)、隧道襯砌等均采用彈塑性實(shí)體單元模擬，在整個(gè)計(jì)算模型中，采用六面體單元映射劃分。三維數(shù)值計(jì)算模型及橋、隧相對(duì)位置關(guān)系見圖8，物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖8 三維模型及網(wǎng)格劃分

計(jì)算施工工序分為以下7步，見表3。

表3 施工工序

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 計(jì)算結(jié)果

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

表4 各工序下位移和應(yīng)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(jù)計(jì)算結(jié)果，提取軌道10 m弦的最大偏差為0.11 mm，遠(yuǎn)小于3 mm；隧道二襯最大壓應(yīng)力為4.47 MPa，遠(yuǎn)小于青崗腳隧道襯砌極限抗壓強(qiáng)度26.0 MPa，最大拉應(yīng)力為1.19 MPa，小于青崗腳隧道襯砌極限抗拉強(qiáng)度2.4 MPa。位移和內(nèi)力均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3.2 結(jié)果對(duì)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(jì)算結(jié)果與平面分析結(jié)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(jié)構(gòu)及后續(xù)運(yùn)營(yíng)安全，建議上跨高速公路橋梁施工期間對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)資料即時(shí)判斷青崗腳隧道的工作狀態(tài)，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，立即停止斑竹林大橋的施工，啟動(dòng)事故應(yīng)急預(yù)案處理，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果預(yù)警的原因，研究對(duì)策，提出整改措施后再進(jìn)行施工。

表5 平面計(jì)算與三維計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表4位移變化可知，施工步6(橋梁上部結(jié)構(gòu)施工)引起了較大位移變化，因此在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制施工過程，增加對(duì)隧道的監(jiān)測(cè)頻率；此外，在橋梁運(yùn)營(yíng)前期，宜對(duì)青崗腳隧道軌道變形繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論及建議

通過ANSYS平面計(jì)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(shí)的影響規(guī)律，對(duì)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(jìn)行了可行性評(píng)估。

(1)橋梁樁基近接既有隧道施工時(shí)，依據(jù)橋梁樁基與既有隧道的距離，可劃分為強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)和無影響區(qū)，強(qiáng)影響區(qū)和弱影響區(qū)分界為1.0倍洞徑，弱影響區(qū)和無影響區(qū)分界為2.0～2.5倍洞徑區(qū)域。

(2)橋梁樁基近接既有隧道施工時(shí)，樁基越長(zhǎng)，對(duì)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(xù)加長(zhǎng)對(duì)隧道的影響可忽略不計(jì)。

(3)斑竹林大橋樁基長(zhǎng)度約為1.6倍隧道埋深，X/D=1.4，在弱影響區(qū)內(nèi)，會(huì)對(duì)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(yīng)力均小于控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

(4)為了確保成貴高鐵青崗腳隧道既有結(jié)構(gòu)及后續(xù)運(yùn)營(yíng)安全，斑竹林大橋施工及后續(xù)運(yùn)營(yíng)過程中，宜對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和軌道變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，以便根據(jù)監(jiān)測(cè)資料準(zhǔn)確判斷青崗腳隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。