隧道施工對鄰近橋梁樁基變形影響及加固效果分析

花 杰

(蘇交科集團檢測認證有限公司 南京市 211100)

0 引言

城市地鐵隧道工程建設過程中不可避免地會下穿既有高架橋等構筑物，當隧道與高架橋的樁基距離較近時可能會影響高架橋的安全，為了對這一問題進行分析，國內一些學者作了相關研究，例如，凌同華、趙文藝等人[1-2]依托某隧道下穿高速公路橋梁段，采用三維有限差分法研究隧道動態施工引起的地表沉降以及橋梁樁基變形的規律，將數值模擬結果與現場監測結果進行對比分析驗證方法的正確性和有效性；楊贏、孟昭暉等人[3-4]以某項目為背景，采用ABAQUS有限元軟件，通過二維和三維有限元模型對橋梁樁基施工全過程中地鐵隧道及其周圍土體的變形情況進行分析；許桂生、何海健等人[5-6]依托某實際工程，基于Abaqus軟件建立橋-隧三維數值計算模型，對城市公路隧道近接橋梁樁基段施工進行模擬，得到大跨淺埋暗挖公路隧道施工對地層的影響規律，并研究高壓旋噴樁加固措施對橋梁樁基變形的影響。

主要以某橋梁樁基鄰近隧道施工為例，采用有限元軟件PLAXIS進行建模分析，重點分析了采取隔離樁加固前后隧道開挖對鄰近樁基變形影響變化規律。

1 工程概況

某城市地鐵隧道工程下穿既有高架橋，由于高架橋的兩個獨立樁基鄰近擬建隧道，因此需要考慮隧道施工對橋梁樁基的影響。圖1為擬建隧道與既有樁基之間的位置示意圖。已知擬建隧道外直徑為6.0m，襯砌厚度為50cm，雙隧道之間間距為15.0m，左右側樁基均為10個Φ1.5m的鉆孔樁構成，樁深約65m，且左右樁基與隧道最小距離均為8.5m。左右兩側擬采用20根Φ1.5m的鉆孔隔離樁進行加固處理，參考文獻[7]，隔離樁的樁心距取1.5m，總加固長度為30m，隔離樁距離隧道外圍最近距離為2m，樁長為40m。

圖1 隧道與樁基位置示意圖

2 數值建模

如圖2所示，采用有限元軟件PLAXIS建立數值模型圖，即采用隔離樁來減小雙隧道開挖對橋梁樁基影響的模型圖，模型的長、寬、高分別為120m、80m和80m，隧道中心埋深約為18m，土體從上至下厚度依次為1.2m、1.8m、26m、16m和35m，模型左右、前后邊界以及底部均進行位移和邊界約束。計算過程中土體的本構模型均采用摩爾-庫倫本構模型。襯砌采用C60混凝土，襯砌厚度取50cm，表1給出了模型從上至下的土體和支護結構的物理力學參數。表2給出了襯砌、樁基的相關參數。

圖2 數值模型

表1 土體的物理力學參數

表2 隧道結構力學參數

3 隔離樁的加固效果分析

為了驗證本工程中隔離樁的加固效果，將左右樁基在有隔離樁和無隔離樁下的樁基位移進行對比分析。設立以下10種工況，對工程中的每一步工序進行評判，如表3所示。

表3 隧道結構力學參數

樁基的位移值是評判樁基安全與否的常用標準，主要包括沿樁基上部橋梁方向(稱之為順橋向，方向以向右為正)、沿垂直橋梁方向(稱之為橫橋向，以向隧道掘進方向為正)和沿樁基垂直方向(稱之為垂直向，方向以向上為正)。

如圖3所示，為有、無隔離樁時各工況下樁基頂部順橋向位移圖。由圖可知，對于左側樁基，發生向右側的傾斜，在未設隔離樁時最大順橋向位移為1.71mm，在設隔離樁后最大順橋向位移為0.63mm，設隔離樁之后位移減小了63.2%。對于右側樁基，發生向左側的傾斜，在未設隔離樁時最大順橋向位移為1.82mm，在設隔離樁后最大順橋向位移為0.68mm，設隔離樁之后位移減小了62.6%。綜上可知，相比于不采取加固措施，采取隔離樁加固措施以后，可以使得最大順橋向位移減小62%以上。

圖3 隔離樁對順橋向位移影響

如圖4所示，為有、無隔離樁時各工況下樁基頂部橫橋向位移圖。由圖可知，對于左側樁基，發生沿隧道掘進方向的傾斜，在未設隔離樁時最大橫橋向位移為0.54mm，在設隔離樁后最大橫橋向位移為0.52mm，設隔離樁之后位移減小了4.0%。對于右側樁基，發生沿隧道掘進相反方向的傾斜，在未設隔離樁時最大橫橋向位移為0.56mm，在設隔離樁后最大橫橋向位移為0.53mm，設隔離樁之后位移減小了5.3%，且左右樁基在有、無隔離樁時位移變化曲線比較接近。綜上可知，相比于不采取加固措施，采取隔離樁加固措施以后，對樁基的橫橋向位移影響可以忽略不計。

如圖5所示，為有、無隔離樁時各工況下樁基頂部垂直向位移圖。由圖可知，對于左側樁基，發生向下的沉降，在未設隔離樁時最大垂直向位移為1.27mm，在設隔離樁后最大垂直向位移為0.49mm，設隔離樁之后位移減小了61.4%。對于右側樁基，發生向左側的傾斜，在未設隔離樁時最大垂直向位移為1.16mm，在設隔離樁后最大垂直向位移為0.41mm，設隔離樁之后位移減小了64.7%。綜上可知，相比于不采取加固措施，采取隔離樁加固措施以后，可以使得最大垂直向位移減小61%以上。

圖5 隔離樁對垂橋向位移影響

此外，采取隔離樁之后，樁基的各向位移均小于1mm，滿足《高速鐵路設計規范》的位移要求，說明本工程采用的隔離樁加固措施是有效的，能將樁基的變形控制在規范值范圍內。

4 結論

以某橋梁樁基鄰近隧道施工為例，采用有限元軟件PLAXIS進行建模分析，重點分析了采取隔離樁加固前后隧道開挖對鄰近樁基變形影響變化規

律，結論如下：

(1)左側樁基在設隔離樁前后最大順橋向位移分別為1.71mm和0.63mm；右側樁基在設隔離樁前后最大順橋向位移分別為1.82mm和0.68mm。相比于不采取加固措施，采取隔離樁加固措施以后，可以使得最大順橋向位移減小62%以上。

(2)左側樁基在設隔離樁前后最大橫橋向位移分別為0.54mm和0.52mm；右側樁基在設隔離樁前后最大橫橋向位移分別為0.56mm和0.53mm。相比于不采取加固措施，采取隔離樁加固措施以后，對樁基的橫橋向位移影響較小。

(3)左側樁基在設隔離樁前后最大垂直向位移分別為1.27mm和0.49mm；右側樁基在設隔離樁前后最大垂直向位移分別為1.16mm和0.41mm。相比于不采取加固措施，采取隔離樁加固措施以后，可以使得最大垂直向位移減小61%以上。

(4)采取隔離樁之后，樁基的各向位移均小于1mm，滿足《高速鐵路設計規范》的位移要求，說明本工程采用的隔離樁加固措施是有效的，能將樁基的變形控制在規范值范圍內。