城市隧道出洞段施工對鄰近樁基穩(wěn)定性影響研究

王海龍

（中鐵隧道集團一處有限公司，重慶400000）

目前，城市公路隧道穿梭于大城市的各個地段，近幾年出現越來越多隧道在既有擋墻上進出洞，其施工安全性日益引起人們重視，國內外學者及相關工程技術人員針對隧道施工過程對周圍環(huán)境的影響進行了大量研究，主要從隧道施工對周圍地層和臨近結構兩個方面的影響進行具體研究。其中，吳超俊采用有限元分析了隧道開挖對橋墩的應力及位移影響，指出隧道開挖后橋梁樁身將受到圍巖的負摩擦力作用，開挖荷載對樁基應力影響不僅與橋墩到開挖隧道之間的距離有關，還與橋梁樁基高度有關。肖望東用FLAC3D 分析了隧道開挖對經過樁基中心處的地表沉降變化以及開挖后樁基的水平位移和豎向沉降進行了研究，認為隧道開挖對離地表下方4 m 處的樁水平位移影響最大；隧道開挖對地表以下3 m 內樁沉降影響最大；對比樁的豎向沉降和水平位移可以發(fā)現，無論樁的水平位移還是豎向沉降，在-8 m 以下部分樁的位移變化幅度均較小。皮小強等人通過ansys 有限元軟件對城市隧道出洞口開挖順序及其加固擋墻的優(yōu)化進行了研究，得出雙連拱隧道出洞時采用逆向開挖出洞最安全，先順進后逆出洞的開挖方式最經濟的結論；同時對洞口加固擋墻的結構進行了優(yōu)化。

綜上，當前大多數隧道施工對鄰近樁基影響的研究，其樁基都是在隧道附近，而對位于隧道進出洞段隧道開挖對樁基的影響的研究較少。鑒于此，本文基于重慶市雷家坡立交隧道工程，對城市隧道出洞段施工對鄰近樁基穩(wěn)定性進行研究。

1 工程概況

雷家坡立交工程位于重慶市渝中區(qū)南紀門，地處渝中區(qū)南區(qū)路與中興路交匯點，南臨長江，北依雷家坡，東西向為南干道。立交主體包含橋梁總長約714.6 m，隧道總長為404.4 m。進出洞口均需要破除南區(qū)路約10.5～12 m 高的樁板擋墻，墻后素填土厚度為7.9～13.4 m，隧道開挖前實景如圖1 所示。

圖1 隧道開挖前實景圖

隧道主體分為A、B 匝道進出口，按兩車道布置，樁板擋墻的抗滑樁尺寸為2 m×3.5 m、2 m×4 m，隧道結構如圖2 所示。

圖2 隧道結構平面圖

出洞口B 匝道ⅥC 型襯砌隧道斷面如圖3 所示。

進出洞口采用重力式擋墻+預應力錨索+橫梁進行加固，重力式擋墻基礎采用樁基+承臺進行傳力，隧道結構如圖4所示。

圖3 出洞口B 匝道ⅥC 型襯砌隧道斷面圖

圖4 隧道結構平面圖

出口段隧道原設計施工順序如下：①對南區(qū)路路基填土進行注漿加固；②對原有抗滑樁橫梁打設錨索加固；③洞口處回填土石，回填至承臺頂標高，形成工作平臺；④施做樁基及承臺，樁基頂部局部采用空鉆；⑤施做重力式擋墻，施做過程中預留管棚施做空間；⑥施做管棚及套拱；⑦打穿既有樁板擋墻；⑧用CRD 法進行隧道施工。

2 地層結構法模型建立

2.1 選取計算參數

本次計算中，巖土材料采用M-C 模型。巖石、土體、橋墩、橋樁、隧道二襯均采用三維實體單元模擬。隧道噴射混凝土初支、臨時支護、樁板擋墻、公路均采用二維殼體單元計算。本項目選取的計算參數如表1 所示。

2.2 計算模型

使用MIDAS/GTS 建立有限元模型，共劃分為462 382個單元，如圖5 所示。

三維模型的計算荷載如下：①結構自重；②隧道開挖產生的圍巖釋放荷載；③公路汽車荷載14.7 kPa；④橋梁墊塊荷載取值經過midas/civil 計算轉換為等效荷載施加。

三維模型的計算邊界條件：計算模型的底面約束豎直方向z 方向的自由度，側面約束側向x、y 方向的自由度，地表為自由面。

2.3 模型計算步驟

模型按以下幾個階段進行：①模擬在自重應力場中圍巖的應力狀態(tài)；②模擬擋墻外填土開挖施工過程；③模擬承臺及樁基、管棚、注漿區(qū)施工和進出洞段重力式擋墻施工；④按3 m 掘進進尺模擬雷家坡隧道CRD 法開挖和襯砌支護過程；⑤模擬二襯施工過程。

表1 計算參數

圖5 模型網格圖1

3 橋梁樁基距隧道出洞口擋墻相對距離的影響分析

3.1 計算工況

分別選取距洞口樁板擋墻縱向（y 方向）距離為7 m、5 m、3 m、1 m、-1 m、-3 m、-5 m、-7 m 處建立橋梁樁基模型，共8 個模型；每個模型橋梁樁基入巖深度都取6 m（3 倍樁直徑）；模型沿橫向（x 方向）對稱建立3 根橋梁樁基，研究橋梁樁基在距隧道開挖洞口不同距離處位移及受力情況。

3.2 橋梁樁基水平位移影響分析

3.2.1 水平y 方向位移分析

通過計算，除距離隧道開挖洞口-1 m 處橋樁y 方向，位移最大處位于中間橋樁中部（即往擋墻外側位移），其余每排3 根樁的y 方向位移最大處都處在中間樁位置，并且位于橋梁樁基的頂端（往擋墻內位移），水平y 方向位移如圖6所示。

圖6 水平y 方向位移圖

整理8 個橋梁樁基模型最大y 方向位移，得到位移曲線圖，如圖7 所示。

圖7 橋梁樁基最大y 方向位移曲線圖

由圖6、圖7 可得，橋梁樁基離擋墻距離越近，開挖對橋梁樁基y 方向的位移影響越大，并且在1 m 處達到峰值27.984 mm。隨著橋梁樁基礎與洞口擋墻距離的增加，橋梁樁基在y 方向的位移也同時減小，+y 方向的位移減小速率十分顯著，1～7 m 處減小變化量為14.455 mm。而位于-y 方向的位移變化量不明顯，在背離隧道開挖-y 方向的橋梁樁基y 方向位移量和位移變化，相對+y 方向的橋梁樁基y 方向位移變化量非常小，其最大+y 方向位移量僅為+y 方向橋梁樁基的3.6%，-y 方向位移量僅為+y 方向橋梁樁基的12.25%，表明隧道的開挖對背對開挖方向的橋梁樁基擾動顯著小于對隧道開挖同側的橋梁樁基。

按距橋梁樁基距離提取節(jié)點y 方向位移，整理歸納。橋梁樁基y 方向節(jié)點位移如圖8 所示。

隧道開挖對橋梁樁基的影響主要表現在中部位置和頂部位置，中部橋梁樁基向開挖隧道洞口方向偏離。距離開挖洞口1 m 處的樁基y 方向位移最為明顯，達到-y 方向位移最大量20.35 mm，隨著埋深逐漸減小并在距樁底24 m 處變?yōu)檎?，即位移方向變?yōu)橄蛩淼篱_挖掘進方向偏移，此規(guī)律一直延伸到樁頂部位置，并在頂部達到+y 方向最大位移17.62 mm。3 m、5 m、7 m 處橋梁樁基均遵守此規(guī)律。隨著離開挖洞口距離的增加，1～7 m 處樁基y 方向位移拋物線變化逐漸平緩，7 m 處橋梁樁基最大-y 方向位移為8.66 mm，相較1 m 處橋梁樁基位移量減小了11.69 mm，最大+y 方向位移為8.23 mm，相較1 m 處橋梁樁基位移量減小了9.39 mm。表明隧道開挖對橋梁樁基的擾動在越靠近開挖洞口的位置其影響越大，而離開挖洞口越遠，其對橋梁樁基擾動的影響就越弱。

圖8 橋梁樁基y 方向節(jié)點位移圖

3.2.2 水平x 方向位移分析

通過計算發(fā)現，水平方向的位移主要以兩側橋墩頂部位移為主，兩隧道中間橋梁樁基x 方向的位移明顯小于兩側，計算云圖如圖9 所示。

圖9 x 方向位移云圖

將8 個模型右側橋梁樁基最大x 方向位移值進行統計整理，橋梁樁基水平x 方向最大位移曲線如圖10 所示。

由圖10 可得，隧道出洞口橋梁樁基距離擋墻3 m 內時，其水平位移影響明顯比3 m 以上位移值大；其最大位移值為1.573 mm，其水平x 位移值遠小于y 方向位移值27.984 mm；表明隧道開挖對面向開挖方向的橋梁樁基礎水平x方向的擾動顯著小于隧道開挖同側的橋梁樁基。

圖10 橋梁樁基水平x 方向最大位移曲線

綜上，出洞口隧道開挖對擋墻內側橋梁影響較大，橋梁樁基越靠近隧道開挖出洞口，開挖對地層的擾動使橋梁樁基的位移影響越明顯，其往墻體外側位移值越大；當橋梁樁基位于擋墻外側時，隧道開挖對橋梁樁基的影響較小。建議隧道出洞口應選擇橋梁樁基位于擋墻外側時出洞，當橋梁樁基位于擋墻內側時應在距離擋墻5 m 以上位置出洞，減小隧道開挖對其的影響。

3.3 橋梁樁基豎向位移影響分析

通過計算發(fā)現，距隧道開挖面y 方向不同的橋梁樁基，其樁身的沉降有明顯差異，如圖11、圖12 所示。

圖11 擋墻外側橋梁樁基沉降位移云圖

圖12 擋墻內側橋梁樁基沉降位移云圖

由圖11、圖12 可知，隧道出洞口開挖對橋梁樁基最大豎向位移的影響主要發(fā)生在兩隧道中間的橋墩，其最大豎向位移值為1.02 mm，在擋墻外側的橋梁樁基豎向位移最大值為0.21 mm，在擋墻內側的最大豎向位移值為1.02 mm，外側橋梁豎向位移占內側的20.05%，隧道開挖對位于擋墻內側的橋梁樁基豎向位移影響遠大于位于擋墻外側的橋梁樁基。樁基沿z 方向位移變形曲線如圖13 所示。

圖13 豎直方向節(jié)點位移圖

在擋墻內側橋梁樁基z 方向位移圖線呈連續(xù)下降的曲線，在距離開挖洞口1 m 處的樁基z 方向位移最為明顯，達到z 方向位移沉降最大量1.02 mm，而3 m、5 m、7 m 處的橋梁樁基越靠近樁底其z 方向位移趨近于0，隨著埋深減小，距樁底3 m 時，其z 方向位移的減小量隨埋深的減小呈現直線狀態(tài)，但直線斜率明顯低于1 m 處橋梁樁基。其中1～3 m處橋梁樁基位移沉降量顯著減小，減小的沉降量達到0.75 mm，3～7 m 橋梁樁基相同節(jié)點處沉降量的變化不太明顯。表明隧道開挖對橋梁樁基的擾動在越靠近開挖洞口的位置影響越大，而離開挖洞口越遠，其對橋梁樁基擾動的影響就越弱。

綜上，隧道開挖后，其橋梁樁基z 方向的位移主要體現在中間處橋梁樁基，在隧道開挖方向的橋梁樁基主要體現為沉降，最大沉降量為0.1 mm，而在背對開挖方向的橋梁樁基主要表現為拱起，最大拱起量為1.02 mm，且兩者位移最大值均出現在拱頂位置。與此同時，越靠近隧道開挖洞口的橋梁樁基其z 方向的沉降拱起值越明顯，其影響范圍主要表現在離開挖洞口±2 m 范圍內。

4 結論

樁與隧道相對距離改變會對單樁的變形產生一定程度的影響，但對單樁的豎向位移、水平位移影響程度各不相同，存在較大的差異，具體結論如下：①出洞口隧道開挖對擋墻內側橋梁影響較大，橋梁樁基越靠近隧道開挖出洞口，開挖對地層的擾動使橋梁樁基的位移影響越明顯，越往墻體外側位移值越大；當橋梁樁基位于擋墻外側時，隧道開挖對橋梁樁基的影響較小。②隧道開挖對兩隧道中間的橋梁樁基的影響遠大于兩側的橋梁樁基，建議進行注漿加固。③建議橋梁樁基位于擋墻外側時出洞，當橋梁樁基位于擋墻內側時應在距離擋墻5 m 以上位置出洞，減小隧道開挖后橋梁樁基水平位移。