基于FLAC 3D的隧道下穿對既有橋梁基礎變形的影響研究

摘要：文章以某市隧道下穿鐵路橋梁樁基礎為工程依托，通過現場監測數據和FLAC 3D軟件數值模擬結果，研究不同埋置深度的樁基礎受隧道開挖的影響程度，分析得出：67#樁基礎埋深20.76 m，隧道開挖過程中，樁基礎沉降穩定在3.5 mm，＞3 mm（預警值）；66#樁基礎埋深33.9 m，樁頂沉降≤3 mm；當盾構環數介于10～25，樁基礎沉降增幅較大。針對以上結論建議工程中重點關注埋深較小的樁基礎，調整施工時間，將樁基礎沉降控制在預警值以下。

關鍵詞：隧道下穿；樁基礎；沉降變形；FLAC 3D數值模擬

中圖分類號：U456.3

0 引言

隨著城市發展進程的加快，新建軌道交通與既有橋梁基礎的相交已不可避免［1-2］。針對這一問題，國內眾多學者展開了研究。以地鐵工程為例，地鐵工程下穿車站時常有滲水和漏水，梁孝等［3-4］依托實際工程，通過數值模擬和現場監測，發現地鐵滲水主要是因為管片滲漏，并提出了長管二次注漿的技術，取得了良好的應用效果；除了滲水漏水，當地鐵開挖周圍存在橋梁樁基時，樁基礎會因為周圍土體缺失而發生沉降，在施工中常見的做法是加固樁基礎，而這一措施導致樁基礎和周圍土體剛度差異過大，變形更加明顯。許原騎等［5-7］通過模型試驗發現，當樁基礎埋深較大，隧道開挖導致樁基礎變形，此時樁基礎向摩擦樁轉變，通過樁身摩阻力來抵抗外界變形。本文依托某市軌道交通穿越鐵路樁基礎的工程，對其66#橋墩和67#橋墩下的樁基礎進行研究，分析隧道盾構開挖對不同埋深樁基礎變形的影響［8］。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某市軌道交通工程線路全長約41.362 km，其中高架線長5.87 km，過渡段長0.66 km，地下線長34.832 km。A站（不含）～B站（不含）區間起點位于A站，沿FQ高速公路南側往東南方向行進，中部下穿FQ高速公路，進入B站，上行線里程為SK1+329.571～SK3+799.407，全長2 469.836 m，寬度為5.0 m，結構底板埋深16.00～83.00 m，埋深標高-1.29～-19.70 m，采用盾構法+礦山法施工［9-10］。

1.2 隧道與鐵路的相對位置

A站～B站區間（以下簡稱區間）涉鐵段設計起終點里程為上行線SK2+018.620～SK3+524.377，全長1 505.757 m；下行線XK2+018.035～XK3+525.207，全長1 507.172 m。區間設置四個工作井，分別為：新增1#豎井（SK2+042.5）、中間風井（SK2+484.557）、新增2#豎井（SK2+791.5）、盾構井（SK3+530）。

區間與鐵路中心里程為K880+535，距離鐵路66#承臺樁基礎最小距離為15.4 m，距離67#承臺樁基礎最小距離為14 m，交叉角度約為69°，下穿位置區間埋深28.7 m，相交段主跨60 m，區間隧道結構頂面與鐵路臨近樁基礎高差分別為5.2 m和-7.94 m。

2 現場監測

2.1 監測點布置

2.1.1 沉降監測點布置

根據《鐵路工程測量規范》第8.5.5條規定：每個墩（臺）身上應埋設2～4個垂直位移觀測點，分設于橋墩（臺）底部高出地面或常水位0.5 m左右的位置，或設于橋墩墩帽頂面上，點位宜布置成對角形式。本文采用專用沉降反光貼進行布設，直接布設在橋墩底部。一個橋墩布設兩個沉降監測點，正面一個，側面一個，呈垂直布設。

2.1.2 水平位移監測點布置

根據《鐵路工程測量規范》［11］第8.5.5條規定：水平位移觀測點宜設在橋軸線或墩中心線上。該項目采用專用小棱鏡進行布設，直接布設在橋墩中軸線上，使用云石膠加固化劑將L形棱鏡固定在結構物上。一個橋墩布設兩個水平位移監測點，正面中軸線布設一個，側面中軸線布設一個，呈垂直布設。橋墩上的測點布置如下頁表1所示。

2.2 監測頻率及預警值

2.2.1 監測頻率及預警值

參考《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》（TB10182-2017）［12］，對該工程影響范圍內的沉降、水平位移進行監測，監測項目、頻率及報警值見表2。

2.2.2 預警等級劃分

監測預警登記及預警標準如表3所示。

3 現場監測結果分析

3.1 橋墩沉降監測

本文選擇與隧道相鄰的66#和67#橋墩進行監測。如圖1所示，66#橋墩兩個測點前期數據波動較大，后期逐漸穩定。工期的前30 d，橋墩側面沉降略大于橋墩正面，但施工30 d以后，橋墩正面沉降大于側面沉降。橋墩正面和側面沉降的平均值未超過預警值3 mm，最終沉降穩定在1.1 mm左右。計算沉降日變化量并繪制曲線如圖2所示，最大為0.538 mm/d，未超過預警值。根據預警等級及標準，沉降值并未達到黃色預警。

圖3為67#橋墩沉降曲線圖，從監測數據可知，67#橋墩的沉降值遠大于66#橋墩，主要原因是：67#橋墩樁基礎長20.76 m，隧道位于樁基底部8 m左右的位置，樁基下方土體缺失，對樁基承載性能影響較大；66#橋墩樁基礎長33.9 m，且隧道位于樁基礎一側，土體缺失對樁基礎的承載性能影響較小。由圖3可知，施工第5 d，橋墩下降速度突然增大，之后逐漸穩定。橋墩下沉速度快主要是由于樁基下方土體缺失，樁基礎承載性能由兩部分構成，一是樁側摩阻力，二是樁端阻力。樁端阻力大小取決于樁下土體，當隧道剛開始施工，土體驟然缺失，樁基礎沉降較大。67#橋墩的沉降平均值從第6 d以后逐漸穩定在3 mm左右，30 d以后穩定在2.5 mm左右。因此在施工中要重點關注67#樁基礎的沉降值，當沉降值超過預警值后，立即對隧道內壁進行支護，預防沉降再次增大。

3.2 橋墩水平位移監測

圖4為67#橋墩現場水平位移監測曲線圖。67#橋墩樁長相對較小，水平位移受隧道開挖明顯，開挖20 d左右，水平位移最為明顯，已超過3 mm預警值。原因是樁基礎左下方土體缺失，樁基左右水平土抗力不等，導致樁基礎向著隧道一側傾斜，當施工至48 d，樁基水平位移逐漸穩定至1 mm左右，在可控范圍內。66#樁基長度較大，幾乎無平位移。

綜合現場數據分析，隧道開挖對67#樁基礎影響較大，且67#樁基礎水平位移超過預警值。為了更有效地指導施工，本文根據FLAC 3D建立數值仿真模型，分析隧道開挖對相鄰樁基礎的變形影響。

4 數值模型的建立及結果分析

4.1 模型的建立

本文運用FLAC 3D數值模擬軟件來研究盾構隧道施工過程對橋梁樁基的影響。參考既有的計算經驗和實際工程應用，左右邊界取為3d（d為隧道外徑），上下邊界取為4d，最終確定的模型尺寸為71 m×36 m×43 m。建立三維數值計算模型和隧道與樁基礎關系如圖5和圖6所示。

4.2 不同結構力學參數

4.2.1 模型土體力學參數選取

該區間穿越上層有淤泥、粉質黏土、全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖等，整個區間隧道的覆土厚度為28.7 m。為了便于模擬，模型中土體選用Mohr-Coulomb模型，其力學參數參見表4，結合土體彈性模量和泊松比可以得到土體的體積模量、剪切模量。

4.2.2 模型樁的力學參數選取

本文選用樁結構單元pile來模擬樁，通過設置接觸面來模擬樁土之間的接觸。由于橋梁樁基為鉆孔灌注樁，樁體的變形相對較小，可按彈性考慮。同時，根據鉆孔灌注樁直徑（1.5 m），可以確定樁橫截面面積及極慣性矩。對于接觸面而言，本文采用“移來移去法”建立接觸面單元，樁基礎為鉆孔灌注樁，樁土接觸面比較粗糙，接觸面上的粘結力、摩擦角取相鄰土層的0.8倍。樁體力學參數、接觸面單元參數見表5和表6。

4.2.3 模型管片的力學參數選取

開展管片模擬支護時，將盾構管片設置為線彈性模型，即盾體經過時把盾殼的屬性賦予注漿體單元，采用襯砌單元加接觸面的形式對此進行模擬。各結構力學參數見表7。

4.3 盾構推進模擬

該工程采用的平衡盾構機管片長度為2 m。在數值模擬過程中，每次開挖1環，即2 m。盾構機每開挖1個步長，便將盾殼屬性賦予開挖長度。隨著盾構機的逐步開挖，盾殼屬性逐漸賦予新開挖長度。然后，將前一步長的盾殼屬性更改為注漿體及管片屬性，并施加注漿壓力。

4.4 數值模擬結果分析

圖7為隧道盾構施工中，樁基所在平面地表沉降與盾構環數的關系曲線圖。由圖7可知，隧道剛開始施工時，環數較少，距離樁基礎較遠，對樁基礎變形影響甚微；隨著盾構環數增多，缺失土體離樁基礎越來越近，地表沉降也越大，且上行隧道和下行隧道之間的沉降最大，即兩個樁基礎中間的地表沉降最大；當盾構開挖到37環，隧道長度達74 m時，地表沉降值達到最大，為5.5 mm。

圖8為66#橋墩下方樁基礎、67#橋墩下方樁基礎以及上行隧道和下行隧道中軸線上的沉降值。從第15環開始，即隧道開挖至30 m左右，橋墩和隧道中軸線上的沉降幅度增大；第25環以后，沉降變化幅度逐漸減小，66#、67#橋墩下方樁基礎的沉降值分別穩定在2.2 mm和2.9 mm，未超過預警值3 mm。

綜合以上分析，當隧道開挖至30 m左右時，對相鄰樁基礎影響最大，施工中要提前做好預防措施，防止沉降不斷增大。

4.5 數值模擬與現場監測結果對比

為了驗證數值模擬的結果，將現場監測結果與數值模擬數據做對比，如圖9和圖10所示。現場監測以時間天數為橫坐標，為了統一標準，將現場時間換算成隧道盾構的環數。從圖9可以看出，現場監測數據與數值模擬結果有所差異。數值模擬是基于理想狀態下的土體結構，而現場的地質情況更加復雜。綜合兩種手段的結果來看，當盾構環數在10～25，隧道開挖對鄰近樁基礎的影響較大，尤其是當樁長較小，隧道位于樁基礎的下方時。施工要隨時關注鄰近橋梁的變形，并且隧道開挖時間不宜過長，將施工時間控制在合理的范圍之內，既能保證臨近樁基礎的穩定，也能加快施工進度。

5 結語

本文依托現場監測數據和FLAC 3D數值仿真模擬，分析隧道下穿對鄰近樁基礎的變形影響，并得到以下結論：

（1）結合現場資料和設計資料，分析影響樁基礎變形的主要因素，確定樁基礎變形主要是因為隧道開挖引起樁周土體缺失。

（2）對比上行隧道和下行隧道分別鄰近的66#樁基礎和67#樁基礎，發現樁基礎埋深較大，隧道開挖對樁基礎變形影響較小，66#樁基礎埋深較大，最終沉降穩定在2.5 mm左右，并未超過預警值。

（3）通過數值模擬，得到了不同盾構環數下樁基礎的沉降值，并與現場監測數據做對比，驗證了埋深越大，隧道施工對樁基礎的影響越小。

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［12］TB 10182-2017，公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程［S］.

基金項目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“FRP增強ECC橋面連接板優化設計及力學性能研究”（編號：2022KY1400）；2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于數字化平臺的城軌工程物化階段碳排放測算與評估”（編號：2023KY1445）

作者簡介：鄧建新（1976—），高級工程師，研究方向：工程施工技術及項目管理。