大直徑橋梁樁基施工對臨近既有隧道結構的影響分析

杜亞光,曾向往,向 毓

(1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司 武漢市 430015;2.湖北省城建設計院股份有限公司 武漢市 430051)

0 引言

在城市高架橋建設過程中,經常會與既有地鐵隧道相遇。高架橋樁基施工產生的擠土、挖土效應以及樁基承受荷載后的樁土摩擦效應都會導致隧道結構的受力和變形狀態發生改變。大直徑樁基承受的樁頂荷載更大,擠土挖土量更大,擾動效應更為顯著。

劉鵬等通過對實際工程進行三維有限元分析,認為樁基施工對區間結構的豎向影響遠大于水平影響[1];王立峰等研究了鋼套筒灌注樁施工對地鐵管片位移和附加應力的影響趨勢,得出管片水平位移影響大于豎向位移的結論[2];丁智等采用數值分析方法分析了隧道埋深、樁基隧道凈距、樁徑等因素變化時,靜壓樁基施工對軟土地區既有地鐵隧道的影響[3]。上述研究表明,隨著樁基與隧道結構間的結構構造、地質條件、兩者間的相對位置關系等因素變化,樁基施工對既有隧道結構實際表現出的影響存在一定規律,但并無固定趨勢,最敏感參數也因工程特點而異。現有研究成果中,工程樁基直徑均較小,未能直觀反映出大直徑樁基的施工影響特征。

1 工程背景

某新建高架橋與既有城市地鐵區間平面交叉,橋梁主跨跨徑為96.0m,橋寬20.5m,橋墩豎向荷載較大,故基礎采用4根直徑2.0m的鉆孔灌注樁群樁基礎,同步建設天橋坡道基礎,采用1.3m鉆孔灌注樁;相交地鐵區間段雙線布置,結構斷面為圓形,外徑6.2m,采用盾構法施工。平面位置關系如圖1所示。

圖1 平面位置關系圖

主橋群樁基礎距離地鐵區間結構外邊線最小凈距為7.06m,典型斷面如圖2所示。天橋樁基距離地鐵區間結構外邊線最小凈距為14.4m。

圖2 典型剖斷面圖(單位:m)

橋梁樁基為嵌巖樁,持力層為(5a-2)中風化粉砂質泥巖,區間結構主要位于(2-5)粉質黏土夾粉土、(2-6)粉質黏土夾粉土和粉砂層。

通常,地下車站及區間結構外邊線外側50m范圍為控制保護區。該區域內施工作業對既有區間結構的影響需進行分析與監測,再根據凈距情況判定接近程度,進而確定施工作業對區間結構的影響等級[4]。

該工程主橋樁基礎及天橋部分樁基礎施工均處于控制保護區內,最小凈距為7.06m,介于1～2倍隧道結構外徑范圍內,影響等級為一級。

2 有限元模擬

根據工程情況,應用Midas GTS NX軟件建立整體分析三維計算模型,模擬高架橋樁施工全過程,重點分析高架橋樁施工過程中鄰近地鐵區間結構的變形及內力情況,進而評估地鐵結構和運營安全狀態。

按照基于模型計算范圍的控制原則,邊界條件不能過大地影響關鍵部位計算結果。選取模型計算范圍為長80m,寬80m,土層計算深度為80m。有限元模型見圖3和圖4。

圖3 有限元整體模型(單位:m)

圖4 結構物有限元簡圖(單位:m)

為更好地模擬鉆孔灌注樁成樁過程,樁單元采用實體+界面單元的形式,樁土間設置摩擦接觸單元,盾構管片采用板單元,結構模型均為彈性本構。通過樁周薄壁單元模擬滲透條件變化,通過修改單元屬性模擬混凝土硬化過程。

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邊界條件:模型底部約束豎向位移,模型前后兩面約束橫橋向位移,模型左右兩面約束縱橋向位移。

工況分析:主要分為10個工序,見表1。通過工序3,位移場清零,模型中位移結果僅計入新建橋梁結構的影響;通過分階段模擬樁基的開挖和灌注,主橋與天橋樁基分階段施工,可進一步分離出各施工環節的影響效應。

表1 施工工序劃分

3 影響分析

3.1 位移分析

通過數值計算得出,高架橋施工完成時區間結構水平最大位移為0.379mm(向靠近樁基方向移動),豎向最大位移為1.668mm(向下),總位移最大值1.67mm,總位移云圖如圖5所示。

圖5 上部結構施工完成后區間結構總位移云圖(單位:mm)

各工況下地鐵區間結構的橫向位移、豎向位移及總位移變化趨勢見圖6。

圖6 各施工階段區間結構位移

針對該工程,對比《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202-2013)[4]中的城市軌道交通結構安全控制指標值可以發現,樁基施工對區間結構造成的位移較明顯,但滿足相關要求。其中對豎向位移的影響明顯大于對水平位移的影響。

水平位移在主橋樁基開挖階段影響最為顯著,樁基施工完成后基本收斂,位移方向朝向樁基開挖一側。

豎向位移在樁基施工階段影響較大。后期橋梁上部結構施工期間,樁基承受巨大的豎向力,并通過樁土作用傳遞至隧道區間結構,從而導致該階段豎向位移發生顯著變化。結構各點位移隨距離樁基的位置增大而減小。

3.2 內力分析

高架橋施工完成時隧道結構單元的彎矩及內力云圖分別見圖7、圖8。

圖7 上部結構施工完成后區間結構彎矩云圖(單位:kN·m)

圖8 上部結構施工完成后區間結構軸力云圖(單位:kN)

統計各施工階段區間結構內力值變化情況,如表2所示,相對橋梁施工前的初始狀態,區間結構彎矩值累計增加約4.9%,軸力值累計增加約1.75%。

表2 施工階段區間結構內力值統計表

可以看出,在整個施工階段,區間結構彎矩及軸力的增幅均較小,其中軸力增幅低于2%,該內力增量對結構受力破壞的威脅近似可以忽略。

此外,天橋樁基施工對隧道結構的位移和內力影響均較小,這表明相對于主橋樁基,天橋樁基與隧道結構凈距增加約7m后,施工影響效應的削減非常明顯,凈距屬于施工影響非常敏感因素。

4 結論

通過建立三維有限元模型,分析了橋梁大直徑樁基施工階段既有隧道結構位移及內力變化趨勢,得出以下結論:

(1)樁基施工對既有隧道區間結構影響顯著。該階段樁基鉆孔開挖對土體有應力釋放作用,為降低應力釋放效應的不利影響,防止塌孔可能導致的不利影響進一步擴大,既有隧道附近施工樁基宜采用護筒跟進并穿越隧道結構所在土層,以保證樁基施工中孔壁穩定,制約樁基施工影響,避免區間結構出現不可控變形。

(2)根據計算結果可知,樁基施工引起既有隧道結構物內力的增量很小,實際工程中通常可忽略不計;位移變化量較明顯,其中豎向位移為最敏感點。

(3)現有研究成果顯示,樁基近接施工時既有隧道結構發生的水平位移較豎向位移更明顯,而文章基于大直徑群樁橋梁工程的分析反映出豎向擾動為最敏感點,這表明隧道結構位移方向敏感程度并無固定規律。大直徑樁基往往承受巨大豎向荷載,如文章所示高架橋主跨達到96m,墩頂反力達到35000kN,產生的樁土摩擦效應對既有隧道結構影響顯著,超過了樁基開挖的挖土擠土擾動效應,該現象應引起同類工程重視。