樁基近接施工對既有隧道結構變形的影響研究

作者簡介：王 鑫（1985—），工程師，主要從事建筑與土木工程項目建設管理工作。

摘 要：為研究高架橋梁樁基施工對既有隧道結構的擾動影響，文章以某實際工程案例為基礎，采用Midas GTS NX三維有限元軟件數值模擬與現場監測相結合的分析方法，研究不同施工工序下的隧道結構位移變化規律，分析考慮最危險截面下的隧道徑向收斂情況。結果表明：鉆孔灌注樁施工對既有隧道結構變形的影響最小，而基坑開挖卸荷為最不利工況，對應的隧道結構變形量最大。

關鍵詞：樁基；近接施工；地鐵隧道；高鐵隧道；結構變形

中圖分類號：U456.3

0 引言

隨著立體綜合交通的快速發展，橋隧交叉建設情況越來越普遍，橋梁樁基近接施工必然會對周邊產生一定程度的擾動影響。為此，許多學者圍繞樁基施工對既有建筑結構擾動問題開展了大量研究。徐長節等^[1]在既有隧道上方開展基坑土方開挖及建筑結構施工研究時，采用Abaqus有限元數值模型分析上部施工對下部隧道結構變形的影響，指出科學部署施工方案能夠確保既有結構不受較大擾動影響。劉謹豪等^[2]通過數值模擬和實測相互驗證的方法，開展地面堆載施工作業對既有隧道結構位移的影響，指出隧道正上方堆土加載同步疊加側方基坑開挖卸荷會明顯導致既有隧道豎向位移增大。鄭宏利等^[3]在綜合交通樞紐施工對既有隧道的擾動分析中采用數值模擬和實測數據相結合的方法，獲得了既有地鐵隧道結構位移以及襯砌結構內力變化規律。張源^[4]在橋梁工程施工對既有地鐵隧道結構的影響分析中表明，隨著樁基與隧道結構距離的增加，隧道水平位移逐漸減小。陳軍等^[5]采用有限差分法分析靜壓樁施工過程中擠土效應引起既有隧道產生位移和附加內力時指出，隧道結構位移及內力大小隨著隧道與樁基距離的增加而呈指數衰減，并提出在擠土樁與隧道結構之間設置隔墻可減少對隧道結構的擾動影響。路平等^[6]在立交橋上跨既有淺埋隧道的樁基施工對隧道結構的影響研究中表明，樁側摩阻力向周圍土體傳遞，引起隧道在靠近樁側的拱肩位置土壓力增大，截面產生了沿該方向被“壓扁”的收斂變形，以及與其垂直方向被“拉長”的收斂變形。鄒春蓉等^[7]在新建高速公路橋梁對既有隧道安全影響分析中指出，上跨橋梁樁基施工會引起既有隧道結構下沉，當不均勻沉降過大時會導致既有隧道襯砌結構開裂。劉海彎^[8]在既有區間隧道上方開展基坑開挖和樁基托換施工對既有隧道的影響研究中表明，基坑開挖卸荷會引起既有隧道拱頂位移增大。

上述文獻未從樁基施工全過程去分析對既有隧道的擾動影響，故本文針對新建高架橋樁基施工引起既有隧道結構變形的響應關系，建立基于荷載-結構的有限元模型，分析既有高鐵和地鐵隧道結構的位移變化規律，為施工過程提供技術參考。

1 工程概況

1.1 基本概況

高架橋工程設計有5個橋墩樁基（D1～D5），共22根樁基，樁徑1.5 m，設計樁長為21～46 m，采用泥漿護壁+鉆孔灌注樁施工工藝。

既有隧道包括高鐵明挖隧道和地鐵盾構隧道，埋深5～10 m，其中高鐵隧道為支護樁+內支撐的明挖襯砌隧道，地鐵隧道為外徑6.7 m的左右雙線盾構隧道。

樁基與既有隧道呈夾角交錯布置關系，相對位置關系如圖1所示，其中D2橋梁承臺至高鐵隧道結構外邊線最小距離為3.07 m，D3位于高鐵隧道和地鐵盾構隧道之間。

1.2 工程地質條件

樁基施工場地地形地勢平坦，地下水主要補給來源為地表水。不良工程地質為巖溶，表現為隱伏溶洞。樁基施工位置地層自上而下主要為素填土、黏土、中風化灰巖，具體物理力學參數如表1所示。

2 有限元數值模型分析

2.1 模型的建立

以受高架橋樁基施工影響的既有隧道結構為中心向四周拓展，建立尺寸為180 m（沿隧道結構縱向）×200 m（橫向）×60 m（豎向）的三維有限元模型，如圖2所示，共劃分263 751個單元和156 607個節點，初始條件為隧道與周圍地層已達到平衡狀態。模型邊界條件為隧道水平方向位移約束，而豎直方向位移自由，其中隧道底部為完全固定邊界，頂部為自由邊界。

2.2 模型參數的選取

地層采用修正的Mohr-Coulomb本構模型，壓縮屈服面為橢圓形的帽子屈服面。結構和構件單元采用線彈性模型，計算參數如表2所示，其中承臺、橋墩結構采用實體單元，樁基、圍護樁及冠梁采用梁單元，盾構管片采用板單元，結構模型如圖3所示。

2.3 施工工況

樁基施工工序模擬如表3所示。

3 樁基近接施工對既有隧道結構變形的影響研究

3.1 樁基施工對隧道結構變形的影響

當高架橋D1～D5所有樁基一次性同步施工完成時（即施工步序C3），地層變形計算結果如圖4所示，地層應力引起的既有隧道結構變形分別如圖5和圖6所示。由此可知，高鐵隧道最大水平位移為0.004 mm，最大豎向位移為-0.012 mm，最大總變形為0.013 mm；地鐵隧道最大水平位移為0.005 mm，最大豎向位移為-0.013 mm，最大總變形為0.013 mm。數值計算結果與實測結果基本一致，說明樁基施工引起的既有隧道結構變形較小，主要是由于樁體重度略高于原狀土重度。

3.2 承臺基坑開挖對隧道結構變形的影響

假設高架橋D1～D5承臺基坑開挖一次性同步完成（即施工步序C4），地層變形計算結果如圖7所示，地層應力引起的高鐵、地鐵隧道結構變形分別如圖8、圖9所示。此時，高鐵隧道最大水平位移為0.020 mm，最大豎向位移為0.091 mm，最大總變形為0.148 mm；地鐵隧道最大水平位移為0.186 mm，最大豎向位移為0.150 mm，最大總變形為0.24 mm。對比樁基施工數值計算結果可知，基坑開挖對隧道結構變形的影響稍大，主要是由于土方開挖卸荷引起既有隧道結構上浮。

3.3 橋梁承臺及橋墩施工對隧道結構變形的影響

當D1～D5承臺和橋墩結構同步施工并完成回填（即施工步序C5），地層變形數值計算結果如圖10所示，高鐵隧道結構變形如圖11所示，地鐵隧道結構變形如圖12所示。此時，高鐵隧道最大水平位移為0.075 mm，最大豎向位移為-0.060 mm，最大總變形為0.076 mm；地鐵隧道最大水平位移為0.104 mm，最大豎向位移為-0.048 mm，最大總變形為0.105 mm。實測數據和計算結果基本一致，既有隧道結構變形較小，結構位移的產生主要由地層再加荷引起。

3.4 徑向收斂分析

結合數值計算結果可知，最不利工況為承臺基坑開挖過程（C4），選取最不利斷面進行插值換算分析，得到高鐵隧道水平最大徑向收斂為0.089 mm，豎向最大徑向收斂為0.064 mm，如圖13所示；地鐵隧道的水平最大徑向收斂約為0.035 mm，豎向最大徑向收斂為0.042 mm，如后頁圖14所示。上述計算結果與實測數據基本一致，且都滿足規范中的控制指標要求。

4 結語

根據具體工程案例有限元數值計算和實測結果對比，主要獲得以下結論：

（1）建立荷載-結構有限元模型能夠較準確地模擬橋梁樁基施工過程對既有隧道結構變形的影響。

（2）基坑開挖卸荷是最不利工況，同時考慮最危險截面下的隧道結構變形量仍能滿足規范相關指標要求。

（3）通過數值模擬結果可進一步優化施工方案，確保高架橋樁基施工對既有隧道結構的擾動影響降至最低。

參考文獻：

[1]徐長節，王伊麗，徐芫蕾，等.新建工程基坑開挖及結構施工對既建下臥隧道的影響研究[J].巖土力學，2015，36（11）：3 201-3 209.

[2]劉謹豪，嚴遠忠，張 琪，等.地面堆載對既有隧道影響離心試驗和數值分析[J].上海交通大學學報，2022，56（7）：886-896.

[3]鄭宏利，牛豪爽.綜合交通樞紐施工對既有地鐵隧道結構影響機制研究[J].水利與建筑工程學報，2020，18（5）：103-108.

[4]張 源.橋梁工程施工對既有軌道交通隧道結構的影響[J].山西建筑，2023，49（19）：169-171，174.

[5]陳 軍，杜守繼，沈水龍，等.靜壓樁擠土對既有隧道的影響及施工措施研究[J].土木工程學報，2011，44（S2）：81-84.

[6]路 平，鄭 剛.立交橋樁基礎施工及運營期對既有隧道影響的研究[J].巖土工程學報，2013，35（S2）：923-927.

[7]鄒春蓉，康圣雨，任東華.新建高速公路橋梁對既有隧道安全影響分析[J].現代隧道技術，2019，56（S1）：132-137.

[8]劉海彎.盾構隧道樁基托換施工對既有隧道的影響[J].現代隧道技術，2022，59（S1）：518-523.