基于數值模擬的新建樁基對隧道影響分析

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隨著《交通強國建設綱要》的發布，交通建設事業日益興起，我國的基礎設施工程有著越來越大的發展空間。但是我國的安全建設問題也日益明顯，在建設過程中會經常遇到各種結構物相互交叉的情況，本文以新建橋梁樁基礎上跨在建隧道為背景，以隧道結構為研究對象，分析其在橋梁樁基礎附加荷載作用下的工作情況，并優化了相應的監測控制方案。

一、項目概況

(一)隧道結構概況

本項目隧道屬于在建項目，截面為圓形斷面，內徑6m，襯砌材料為C50防水鋼筋混凝土結構。根據項目設計資料，道路建設范圍內隧道結構埋深約23m，位于中風化砂巖中，圍巖級別為Ⅳ級。沿線原始地形地貌基本為臺地及臺地間沖溝，局部為沖洪積階地。沿線人工活動作用強烈，現狀多為植被或農田覆蓋，穿插分布廠房或居民區等。

(二)橋梁結構概況

區段內擬新建橋梁上部結構采用預制梁鋼梁，橋墩為C40花瓶形雙肢墩，基礎形式為C35鋼筋混凝土樁基礎，基礎直徑為2.2m，樁長約32.0m，嵌入中風化巖層中,嵌巖深度約8.5m，以中風化巖層為持力層，隧道保護范圍內P09、P10墩柱處基礎基底標高，低于隧道結構底標高，無基礎荷載傳至隧道結構上。

橋梁樁基礎采用旋挖成孔、鋼護筒護壁，施工時要求鋼護筒緊跟，嚴格控制水位變化，要求水位變化不超過5m。

(三)相互關系及建設時序

道路高架橋與隧道平面呈約60度斜交。保護范圍內此段道路為高架橋結構，項目影響隧道段長度70m。擬建道路高架橋墩樁西側基礎與隧道結構最小平面距離為5.27m，東側橋墩樁基礎與隧道結構最小平面距離為6.92m。

選擇橋墩與隧道結構凈距最小處做剖面，描述擬建道路高架橋結構與隧道位置關系，如圖1-1所示。此剖面中左線隧道軌面標高為2.954m，右線隧道軌面標高為3.071m。道路高架橋基礎基底標高為0m，基礎底與隧道結構底最小豎向距離為1.66m，無基礎荷載傳至隧道結構上。

圖1 擬建項目與隧道位置關系剖面圖

隧道工程施工已于2018年1月開工，預計2022年通車運營；擬建橋梁處于施工圖設計階段，根據兩項目實施進度判斷，此段范圍高架橋后于隧道結構建設。

二、結構安全分析論證

(一)項目風險等級劃分

根據相應隧道結構保護技術標準，對擬建項目建設對隧道風險等級判斷如下：

表1 擬建項目接近程度判斷

表2 擬建項目影響分區判斷

表3 擬建項目影響等級劃分

綜上表分析，擬建項目對施工過程中隧道結構影響等級為特級。

(二)隧道結構安全指標控制值

根據相關工程案例及規范，隧道結構安全控制指標為：

①隧道結構外邊線四周的3m范圍內不能進行任何工程建設；

②管線、構筑物、其他設施需跨越、橫穿或涉及隧道設施的，與隧道結構的垂直凈距離原則上不應小于3米；

③隧道結構絕對沉降量及水平位移量≤10mm(包括各種加載和卸載的最終位移量)；

④建(構)筑物豎向荷載及降水、注漿等施工因素而引起的隧道外壁附加荷載≤10kPa(≤1t/m2)；

⑤由于打樁振動、爆炸產生的震動，引起的隧道峰值速度≤1.2cm/s。

三、新建橋樁對結構的影響分析

根據擬建項目與隧道位置關系及建設時序，項目建設及運營可能地下結構帶來的風險有：1.道路高架橋實施樁基礎開挖及建成后樁基礎加載，可能對隧道周圍圍巖進行擾動，影響結構變形，需判斷此變形是否滿足結構正常運營要求；2.項目建設及建成可能改變現有結構荷載，需判斷此時隧道結構承載力及裂縫寬度是否滿足要求。以下將分別對兩部分進行計算及分析。

(一)分析計算原則

結構取縱向每延米拱形平面結構計算，初襯和二襯結構按破損階段法計算，分別采用地層結構法、荷載-結構法模型，應用通用有限元程序Midas GTS，按平面有限元法對隧道結構進行計算和分析。

(二)樁基礎施工對隧道變形影響分析

選擇前述典型坡面進行分析，該剖面左側P09號橋墩樁基與隧道左洞間距為5.27m，右側P10號橋墩樁基與隧道右洞間距為6.92m，左線隧道行車面標高為2.954m，右線隧道行車面標高為3.071m。道路高架橋基礎基底標高為0m，基礎底與隧道結構底最小豎向距離為1.66m。

本次計算采用二維平面應變模型，所得變形量應較結構實際變形量略大；上部結構荷載直接施加于樁頂處，計算模型如下圖3-1所示。

圖2 計算模型

計算分析步驟如下：(1)地應力場計算平衡；(2)隧道開挖；(3)施做橋梁樁基；(4)施加高架橋基礎荷載。

根據施作橋梁樁基礎時地層及隧道結構變形云圖。此時，隧道結構最大豎向變形為2.05mm，位于右線結構頂部，方向為向下沉降；隧道結構最大橫向變形為0.77mm，位于左線左拱腰，方向偏向P09橋墩方向。

根據橋梁樁基礎施做完成后，結構荷載時地層及隧道結構變形云圖。此時，隧道結構最大豎向變形為2.84mm，位于右線結構頂部，方向為向下沉降；隧道結構最大橫向變形為0.85mm，位于左線左拱腰，方向偏向P09橋墩方向。

(三)綠梓大道建設對隧道結構承載力及裂縫寬度影響分析

根據圖2典型剖面，擬建項目影響范圍內，項目建設前、后隧道頂距離地面豎向距離均為23.7m，項目實施完成后，高架橋樁基基礎與隧道結構最小平面距離為5.27m；此外，高架橋基底低于隧道結構，采用鋼護筒護壁，樁基礎與周圍土體作用力微弱，項目建設無附加荷載加至隧道結構上；因此，擬建項目建設前后不改變隧道結構受力狀態，能夠滿足原承載力及裂縫寬度要求。

(四)監測措施優化

根據前述數值計算分析，優化隧道施工監測方案，如下：

1.監測控制指標

(1)隧道結構絕對沉降量及水平位移量≤10mm；

(2)隧道縱向變形曲線的曲率半徑R≥15000m；

(3)隧道的相對變曲≤1/2500；

2.監測斷面布置

樁基影響范圍內每條隧洞應每8m布置一個監測斷面，每個斷面布置5個監測點。

3.監測預警

監測的實際變形值達到最大允許變形值的60%時，應向申請人、監理單位、建設管理單位發出預警；當達到最大允許變形值80%時，須發出報警。

四、結論

以實際工程為背景,采用有限元軟件分析了后建橋梁樁基礎對既有隧道結構的影響。在建模過程中,依據實際工程地質條件和結構施工圖建模,采用合理的本構模型,得出了相應結論,可以為類似工程設計提供參考。

根據上述橋梁樁基施工對既有隧道的影響研究，得出以下結論，1.高架橋樁基礎與隧道結構最小平面距離為5.27m(>3m)，橋梁梁底與隧道結構頂豎向距離約34.4m(>3m)，滿足控保范圍內設計技術要求；2.根據計算可知，擬建項目建設及建成使用所引起隧道結構變形均小于規范要求控制值10mm；3.擬建項目建設不改變原隧道結構設計荷載，隧道結構仍滿足承載力及裂縫寬度要求。