隧道開挖方法對鄰近既有橋梁影響的數值分析

劉金山

（中交隧道工程局有限公司，北京100102）

隧道開挖方法對鄰近既有橋梁影響的數值分析

劉金山

（中交隧道工程局有限公司，北京100102）

結合大連地鐵春光街車站工程，通過數值模擬方法，在隧道下穿既有運營橋梁過程中，首先在不進行圍巖注漿加固的情況下，對比分析了“兩臺階”、“三臺階”的開挖方法對樁基及承臺的影響；繼而在隧道內進行不同程度的加固條件下，對比分析了“兩臺階”、“三臺階”的開挖方法對樁基及承臺的影響；最后給出了適宜的洞內加固參數和開挖方法。

隧道施工；既有橋梁；洞內加固；位移；數值模擬

1　工程概況

春光街站位于大連市華北路與春光街交口處，為地下雙層分離島式車站，車站總長186.15m，標準段寬41.5m。車站主體結構附近受車站影響的橋樁共計13根，其中，右線墩號A351-2的橋樁邊緣距離車站主體開挖邊緣距離分別為1.75m和3.3m，為距離隧道開挖輪廓線最鄰近樁。如圖1所示。

圖1　樁與隧道開挖輪廓線空間位置示意（單位：m）

城市地鐵臨近既有運營橋梁的施工一直是地鐵建設的重、難點之一，也是工程建設研究的熱點問題。

本文以大連地鐵春光街車站隧道下穿既有運營橋梁為工程背景，采用數值模擬方法，分析了幾種隧道施工工況對運營橋梁基礎的影響。

2　數值模擬分析

2.1計算依據及計算方案的確定

本文將地基視為半無限空間，模擬隧道施工對鄰近樁的影響，同時模擬在隧道內進行超前小導管注漿和錨桿加固的方法。由于巖土的非線性特點，其構成相當復雜，完全模擬巖土材料在施工過程中的應力應變特性非常不易，所以在明確了分析目的前提下，對計算模型進行適當簡化。

地基土模型大小取用100m×100m×65m；右線A351-2墩基礎為雙樁-承臺結構跨過暗渠；其2根樁直徑均為1.5m，樁長為15.05m；承臺尺寸6.75m（長）×2.5m（寬）×2.2m（高）；其樁與橋墩偏心距離分別為2.75m和1.5m。

材料的本構模型：在Ansys中首先運用Solid45單元進行建模并進行網格劃分，然后將劃分后的網格模型導入到FLAC3D中［1］。

三維數值模型圖、網格劃分圖及樁基與承臺的空間關系如圖2、圖3、圖4所示。

圖2　三維數值模型

圖3　三維模型網格劃分

圖4　樁基與承臺的空間關系

2.2計算模型參數的選取

樁身和承臺采用線彈性模型。樁周及樁底土體為彈塑性模型，假定服從Mohr-Coulomb屈服準則。

根據大連市地鐵2號線工程《春光街站巖土工程勘察報告》［2］及《工程巖體分級標準》（GB50218—1994）得到各土層參數，見表1。

表1　土層計算參數

數值分析中圍巖按照中風化板巖考慮，并根據裂隙狀態、滲水及泥夾層等地質體參數進行適當折減，分別取值為E0=0.5GPa，c=10MPa，φ=13°，μ=0.2，γ=28kN/m3。

橋樁，承臺及隔離樁的混凝土等級為C30，分別取E0=30GPa，μ=0.3，γ=25kN/m3。

2.3模型荷載取值

本文模型承臺所承受的恒荷載按照橋樁上部實際幾何尺寸及混凝土重度選取，動荷載按照《城市道路和橋梁設計規范》（CJJ—2011）［3］選取，計算出承臺承受的分布力大小為1000kN。隧道周圍土體初始地應力場的模擬參數為

其中：k0為樁基的初始應力模擬參數，k0=μ/（1-μ）；μ為樁基的泊松比。

另外，由于隧道臨近樁基開挖問題本身的復雜性，數值模擬暫不考慮地下水的影響。

2.4數值計算分析

2.4.1洞內加固數值模擬方法

目前，在隧道開挖前穩定掌子面及周邊圍巖主要采用的方法有超前支護或超前注漿、網噴混凝土及格柵或鋼拱架。

在數值分析中，對于橫通道和主洞，噴層作為彈性材料利用板殼單元來進行模擬；小導管超前注漿采用改善圍巖參數的等效方法模擬；鋼拱架的彈性模量采用等效的方法換算成混凝土的彈性模量。

下文針對兩臺階、三臺階施工方法，按隧道內不同注漿加固方案分析樁基與承臺的位移規律。

鑒于春光街車站暗挖隧道鄰近既有橋梁，為確保施工安全，根據春光街站巖土工程勘察報告，并參考既有臨近建筑物地鐵隧道施工的經驗［4-6］，春光街車站暗挖隧道施工擬采用“兩臺階”或“三臺階”法施工，為此，采用兩種不同暗挖施工方案對既有橋梁樁基的影響進行分析，確定合理的開挖方案。

2.4.2不采取加固措施時樁基及承臺的位移情況

1）樁基與承臺豎直方向沉降

樁基與承臺豎直方向沉降云圖見圖5。

圖5　豎直方向沉降云圖（單位：m）

由圖5可以看出，在不加任何措施的情況下，兩臺階開挖樁基及承臺最大沉降值為-12.24mm，而三臺階開挖樁基及承臺最大沉降值為-9.97mm，比兩臺階開挖減小2.27mm，減小18.5%。因此，三臺階開挖相比兩臺階而言，能較好地控制土體的變位，對減少樁基沉降有一定效果，建議施工中盡可能采用三臺階施工。

2）樁基水平位移

柱基平行于橫通道、正洞的水平位移分別如圖6、圖7所示。

圖6　平行于橫通道方向位移云圖（單位：m）

圖7　平行于正洞方向位移云圖（單位：m）

由圖6、圖7可以看出，隧道開挖對于樁基及承臺的水平方向影響最大的為平行于正洞方向的水平位移。在兩臺階、三臺階開挖中，平行于橫通道方向的樁基水平位移最大值分別為-1.4，-1.0mm；平行于正洞方向的樁基水平位移最大值為-6.96，-5.69mm。因此，開挖中對于水平方向的位移控制主要考慮平行于正洞方向的位移變化。

2.4.3兩臺階開挖不同注漿效果對橋樁的影響分析

在模擬隧道洞內加固的過程中，采用簡化的方法，用提高圍巖彈性模量參數的方法來模擬，在隧道開挖輪廓外側一定范圍內構筑一個加固圈。并將此加固圈的彈性模量提高0～150%。為了表示方便，用0，0.3，0.5，1.0，1.5分別代表將圍巖彈性模量提高0，30%，50%，100%，150%。注漿加固效果如圖8所示。

由圖8（a）可以看出，在隧道洞內超前注漿加固中，數值沉降最大點為承臺右上角，最小點為遠樁底。彈性模量提高1.5倍后，承臺右上角沉降值從-11.7mm減小到-8.26mm，累計減小29%；遠樁底沉降值從-8.07mm減小到-5.91mm，累計減小27%。鄰樁頂和遠樁頂累計位移均大于樁底，說明在隧道開挖中，樁頂沉降大于樁底沉降，彈性模量調高1.5倍后，樁頂沉降減小29%左右；鄰樁位移大于遠樁位移，說明在隧道開挖中，鄰樁對遠樁的遮攔效果比較明顯。另外，從圖8（b）中還可以看出，彈性模量從0.5倍提高到1.0倍，加固效果顯著，從1.0倍提高到1.5倍，加固效果變化不大。所以，就抑制樁基與承臺豎直方向沉降而言，提高1.0倍是適合的。

2.4.4三臺階開挖不同注漿效果對橋樁的影響分析

三臺階開挖不同注漿加固效果對橋樁的影響分析如圖9所示。

由圖9（a）可知，在不提高圍巖參數三臺階開挖時，沉降最大點主要分布在鄰樁頂和承臺右上角，沉降值都在-9mm以上，彈性模量提高1.5倍后，各項監測值最大為-7.02mm。其中，承臺右上角監測值從-9.42mm減小至-6.88mm，累計減小27%。且從圖9（b）中可以看出，彈性模量從0.3倍提高至0.5倍時，加固效果提升幅度最大。從0.5倍至1.5倍后，沉降減小幅度減弱。

圖8　樁與承臺在豎直方向位移及位移減小百分率（兩臺階法）

圖9　樁與承臺在豎直方向位移及位移減小百分率（三臺階法）

3　結論和建議

本文就大連地鐵春光街車站施工中，對鄰近既有橋梁樁基的影響進行了分析，主要結論為：

1）通過注漿加固改變圍巖的彈性模量可以減小橋墩的沉降，隨著圍巖彈性模量的改變橋墩水平位移值也隨之減小，說明通過改變圍巖的參數，可以減小樁基和承臺的不均勻沉降，但隨彈性模量增大，減小趨勢變緩；也說明在工程中應用超前支護和注漿對于穩定掌子面和上部土層有著積極的作用。提高圍巖的彈性模量對于平行于主洞方向的樁基位移控制不是特別顯著，不過此方向的位移較小，對于整體隧道穿越影響不是很大。另外，注漿加固達到原有圍巖剛度1倍以上時，注漿加固效果的提高對橋基樁基礎變形的影響將不再明顯，因此建議以加固效果達到原剛度的1.0倍為控制標準。

2）對比分析了兩臺階、三臺階開挖方法對樁基變形影響，結果表明三臺階開挖方法能較好地控制土體變位，減少樁基變形。建議采用三臺階開挖方法施工。

［1］李圍.ANSYS在土木工程中的應用［M］.北京：水利水電出版社，2007.

［2］大連市勘察測繪研究院有限公司.大連市地鐵2號線工程《香工街站巖土工程勘察報告》［R］.大連：大連市勘察測繪研究院有限公司，2009.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.CJJ—2011城市道路和橋梁設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［4］李波.盾構施工對高速鐵路橋梁樁基的影響分析及防護措施［J］.鐵道建筑，2014（5）：75-78.

［5］王妍.隧道開挖引起的地層沉降及對近接橋樁的影響［D］.北京：北京工業大學，2007.

［6］張汎，劉軍，蕭巖，等.隧道施工引起的地層位移對橋梁樁基的影響分析［J］.市政技術，2005，23（增）：86-89.

AbstractNumerical simulation was carried out based on the project of Chunguang Street Station of Dalian Subway.T he tunnel went through beneath the existing bridge in service.Different excavation methods were compared.Firstly，the effects of two-bench and three-bench excavation on piles and platform were analyzed in the case of non-reinforced surrounding rock with grouting.Secondly，the effects were analyzed in the case of reinforced surrounding rock with grouting.Based on the comparison，appropriate parameters for inner reinforcement were proposed and proper excavation method was suggested.

Numerical Simulation Analysis of Influence of Tunnel Excavation Method on near Existing Bridge

LIU Jinshan
（CCCC Tunnel Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

Tunnel construction；Existing bridge；Inner reinforcement；Displacement；Numerical simulation

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.16

1003-1995（2016）04-0060-04

（責任審編孟慶伶）

2016-01-08；

2016-02-04

劉金山（1975—），男，高級工程師，碩士。