地铁隧道开挖对邻近桥梁桩基的影响研究

摘要：以重庆·西部国际会展中心配套市政交通工程高会区间隧道为研究对象，采用有限元数值软件ANSYS三维数值模拟地铁区间隧道开挖对邻近桥梁桩基的影响。结果表明，隧道开挖使附近的桩基产生沉降和偏心，两者距离越近，沉降和偏心越显著；桩基的存在使隧道产生非对称受力，靠近桩基侧隧道拱肩、拱腰和边墙位移大于远离桩基侧。

关键词：隧道；桩基；偏心

中图分类号： U45 文献标识码： A

1工程地质概况

高义口站～会展中心站区间隧道，起点里程为K8+765.800，终点里程为K10+927.700，区间长2.162km。本区间隧道拱顶埋深2～66m，除局部浅埋外大部分为深埋隧道。工程位于川东南孤形地带，华蓥山帚状褶皱束东南部，构造骨架形成于燕山期晚期褶皱运动。勘察区域位于观音峡背斜与铜锣峡背斜之间的复式向斜地带，沿拟建轨道走向分别穿越复式向斜的次级构造—沙坪坝背斜、悦来向斜。区域内的构造线走向呈NNE—SSW向，无断层通过，节理(裂隙)发生与构造运动密切相关，以走向NEE～SWW和走向NW～SE两组较发育。工程位于嘉陵江右侧，地形总体倾向嘉陵江，总体上属于属水文地质条件简单的区域。大气降水后沿着基岩裂隙渗入的基岩中形成基岩裂隙水，水量动态变化大，旱季水量较小，甚至贫乏，雨季水量可能成倍增加。场区地下水一般不具腐蚀性。高会区间隧道所在范围自上而下地层依次为：粉质黏土、砂质泥岩、砂岩。岩土体参数如表1所示。

表1 岩土体材料参数

2 施工方案

为保证高会区间隧道能顺利通过邻近桩基区域和今后隧洞的安全运行，避免隧道开挖对桥梁的结构造成不利影响，在施工中严格执行“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早成环，勤量测”的指导方针。开挖时采用浅孔小药量爆破,周边采用光面爆破。初期支护采用挂网、锚杆、喷混凝土及钢格栅拱架的联合支护体系。施工作业流程如下：超前导管支护上台阶开挖初喷安设格栅钢架拱部径向锚杆挂网复喷开挖下台阶初喷立边墙格栅钢架边墙径向锚杆复喷下一循环。开挖前,首先在围岩的顶拱处利用混凝土喷射机喷5.0cm厚的混凝土,然后用YT-28型手风钻沿设计开挖线造孔,孔深3.5 m,孔径φ45 mm,孔的外偏角为10°～15°。钻孔完成后进行小导管安装。小导管使用φ32×3.25 mm普通钢管,导管长3.6 m,外露1.5 m,每排17根,排距2.0 m。导管安装完成后使用SGB-1型灌浆泵注浆加固围岩并堵水,灌浆压力≤0.25 MPa。为保证围岩加固和堵水效果,灌浆使用525号超细水泥。灌浆结束后,进行开挖作业。开挖时,炮孔深度不得大于1.0 m,周边采用光面爆破。每茬炮后进行钢格栅安装,间距0.6～1.0 m。钢格栅安装完成后复喷≥10 cm厚的混凝土,然后进行下一循环。

3 ANSYS数值模拟分析

3.1数值模型的建立

地层横向范围取80m；竖直方向上，向上表面取至地表，向下地层30m，模型高度共47.6m ；区间隧道纵向上取45m。模型边界条件为：模型两侧边界水平位移被约束，底部边界竖向位移被约束。桥梁桩基位于区间隧道右上部，建模时考虑了桥梁桩基与地层的相互作用，并用接触单元进行模拟，桥梁自重以均布荷载加到盖梁上。计算采用Drucker—Prager非线性屈服准则进行计算分析。在模型中，系统锚杆支护，按“锚杆加固圈”整体方式进行模拟，采用提高锚固范围内围岩参数(提高1O%材料参数取值)的方法，实现对系统锚杆支护的模拟[1]。

3.2 初始地应力场模拟

设置重力加速度g=10 kg／m，然后将所有SHELL63单元杀死，利用完全牛顿一拉普松解法，对所建三维模型进行初始地应力求解。

3.3施工过程模拟

根据施工方案，区间隧道开挖采用上下台阶施工，每次开挖进尺1m，上下台阶之间的开挖步距按5米计算。模型分析中，选取SOLID45单元模拟围岩岩体结构和锚杆加固岩体结构，选取SHELL63单元模拟衬砌结构。施工阶段的开挖采用杀死开挖单元，衬砌采用激活衬砌单元。杀死单元时[2]，ANSYS程序将对死去的单元的刚度矩阵乘以一个非常小的数，并从总质量矩阵消去单元的质量来体现“单元的死”，同时无活性的载荷(压力、热应变等)被设置为零。施工衬砌时，将在初始阶段杀死的衬砌单元激活，单元被激活时具有零应变状态。

3.4 计算结果分析

在桥梁盖梁四个端点分别取特征点A（靠近隧道侧先开挖方向）、特征点B（靠近隧道侧后开挖方向）、特征点C（远离隧道侧先开挖方向）和特征点D（远离隧道侧后开挖方向），从图1和2中可见，特征点A沉降-0.93mm，特征点B沉降-0.94mm，特征点C沉降-0.79mm，特征点D沉降-0.81mm。特征点A的下沉量大于特征点C的下沉量0.14mm，特征点B的下沉量大于特征点D的下沉量0.13mm。隧道拱顶最大沉降-2.89mm，仰拱最大隆起1.80mm，地表最大沉降-1.4mm。隧道开挖造成右侧的桥梁桩基沉降，同时让桩基存在微小的偏心受压，桩基的存在造成隧道靠近桩基侧的拱肩、拱腰及边墙位移略大于远离桩基侧，隧道结构非对称受力。盖梁的累积沉降均未超过1mm，不均匀沉降差值均小于0.2mm。在现场的监控量测中，盖梁的最大累积沉降也只有-0.7mm，略小于数值模拟的累积沉降量。隧道在整个穿越过程中，桥梁的桩基倾斜基本正常，桥梁上部结构及盖梁、路面外观状况良好，未出现任何异常现象，未有裂纹线的出现，保证了桥梁的安全正常通行。

图1 隧道沉降云图 图2 桩基及盖梁沉降云图

4结论及建议

通过区间隧道穿越邻近桩基的过程中，桩基与隧道结构的位移变化情况，可以得到以下几点结论及建议：

1）隧道开挖造成隧道周围岩体向隧道内位移，桩基也随岩体向隧道方向位移。由于隧道开挖的缘故，桩基在靠近隧道侧和远离隧道侧周围岩体应力状态不一致，桩基调整两侧应力差异造成桩基有偏心的现象，两者距离越近，偏心现象越严重。

2）隧道靠近桩基侧拱腰及边墙因受到桥梁结构自重影响，将会加剧该位置位移扩大趋势，桩基离隧道越近，位移扩大趋势越明显。桩基的存在使隧道产生非对称受力，靠近桩基侧隧道拱肩、拱腰和边墙位移大于远离桩基侧。

3）桩基邻近地基的加固处理，增大桩体邻近地基整体刚度，将会减小桩体向隧道方向位移。施工过程中，隧道开挖至桩基邻近区域时，应加长超前注浆范围，提高支护参数，避免桩基产生过大的沉降变形。

参考文献：

[1]张志强,许江,万晓燕.公路长隧道与横通道空间斜交结构施工力学研究[J].岩土力学,2007,28(2):247-252.

[2] 郑永兰，地下洞室群有限元网格剖分方法研究.武汉大学水利水电工程系，2005.