跨線橋樁基施工對既有高鐵隧道的影響研究

【摘要】近年隨著高鐵建設的蓬勃發展，新建橋梁由于受線路規劃、地理空間等原因，有時不可避免地需要跨越高鐵隧道。而大多數橋梁采用樁基礎，這些樁基礎可能位于隧道側面甚至上方。樁基礎在施工時會擾動樁周土體，使周圍土體和隧道發生相互作用，嚴重者將引起鐵路軌道傾斜，圍巖變形襯砌開裂滲水，發生重大工程事故。而目前國內外對這方面的研究較少，因此研究樁基礎施工對既有高鐵隧道的影響具有十分重要的工程意義。

【關鍵詞】跨線橋樁基；高鐵隧道；影響

樁基施工將擾動樁周土體，使土體發生位移和應力的變化，這種變化會進一步影響相鄰的隧道，使得樁-土-隧之間相互影響。而不同的成樁方法對周圍土層的擾動和排擠程度不同，將直接影響臨近隧道的受力和變形情況。若采用擠土樁，在成樁過程中將造成大量擠土，引起地面隆起和土體側移，使樁周土體受到嚴重的擾動，土的工程性質有很大的改變。若采用部分擠土樁，引起部分擠土效應，樁周土體也將受到一定程度的擾動。若采用非擠土樁，由于成樁過程是挖孔將等體積土體排出，對周圍土體影響最少，但也要考慮土體排出、地下水流失對樁周土體的影響。

1、樁基礎施工對既有高鐵隧道影響的數值模擬分析

1.1 ANSYS建模

本文采用ANSYS14.0建立數值分析模型，ANSYS軟件大型的通用的有限元分析軟件。軟件主要包括三部分，前處理，分析計算和后處理。其中前處理模塊提供了強大的實體建模及網格劃分工具，與FLAC3D需要用戶自行編寫模型程序相比，ANSYS為用戶提供了便于鼠標鍵盤操作的窗口，用戶可以利用實體建模技術，由點-線-面-體的方法建立三維幾何模型。在建立隧道襯砌，樁等模型方面簡單、高效且不易出錯。在ABAQUS、ANSYS、FLAC3D等幾個常用數值分析軟件中，ANSYS的前處理功能最強大，便捷。故本文采用ANSYS建立實體模型并進行網格劃分，而后轉化為FLAC3D可以讀入的文件格式（*.flac3d）。

實際工程中，由于巖土體是非連續介質，本構關系復雜，初始應力場難以測定以及邊界條件復雜，因此在數值計算中要因地制宜、抓主要矛盾、宜粗不宜細、易簡不易繁。故對模型進行如下簡化：（1）由于樁基礎施工前，隧道早已完工，可以認為地應力已經重新分布完畢。因此建模時不考慮隧道的開挖。（2）由地勘報告知地層中地下水較少，故計算時不考慮地下水作用。（3）樁基開挖前須土方開挖60×26×3m3，由于在建模時未考慮土體開挖，所以在計算中采樣等效作用力替代考慮。具體做法為：在土方開挖區先施加豎直向下的與開挖土體自重等效的作用力（3×19kNm3？=5.7kNm2），在模型自重應力計算完之后，再撤銷施加的作用力，通過這個過程模擬開挖。（4）樁基礎的開挖在模擬中采用空模型（null）來模擬。

2、數值模擬計算結果分析

2.1 樁基礎施工對隧道拱底的影響

模擬時重點監控隧道拱底的變形，因為拱底的變形直接影響著高鐵軌道的平整度。圖3.6為隧道拱底右側監測點在不同開挖工序時的拱底位移曲線圖，其中監測區域對應隧道里程DK24+830～DK24+710，樁基施工區域對應里程為DK24+800～DK24+740。由圖可知：當隧道上方一部分覆土開挖完，由于隧道上方土體卸載使得隧道拱底產生輕微上抬變形。當隧道兩側樁基開挖時，隧道兩側土體卸載引起隧道圍巖應力釋放，圍巖向樁方向變形并使隧道拱底繼續上抬變形。當樁開挖至第4步（即樁雙側開挖至3m）時，樁深接近隧道拱頂處，隧道拱底上移至0.068mm；當樁開挖至第9步（即樁雙側開挖至7.5m）時，樁深接近隧道拱腰處，隧道拱底上移至0.135mm，變形達到最大值；當樁開挖至第15步（即樁雙側開挖至12m）時，樁深接近隧道拱底處，隧道拱底上移值為0.106mm，拱底變形部分恢復；當樁開挖完成時，隧道拱底最終上移0.12mm。整個變形趨勢成拋物線變化，主要集中在樁基施工區域。變形量較小，說明在樁基施工時，隧道處于安全穩定狀態。

由圖1可知隧道上移值最大處位于隧道里程方向DK24+764左右，故接下來研究DK24+764橫斷面處拱底兩點隨樁基開挖步的累計位移曲線。

由圖2可知拱底位移變化隨樁基開挖進度先向上快速增大后部分回縮最后緩慢增長趨于穩定。具體而言：樁開挖至第4步時樁底接近隧道拱頂處，位移變化的斜率最大；樁開挖到第9步時，樁底接近隧道拱腰處，位移達到最大值0.135mm；樁開挖到第15步時，樁底位于隧道拱底，此時出現拱底位移回縮，而后隨著樁基進一步開挖，樁底位于隧道拱底以下，拱底緩慢向上變形最后趨于穩定。整個樁基施工過程對隧道拱底的變形影響都較小，隧道始終處于穩定狀態。

2.2 樁基礎施工對隧道襯砌的影響

由上一節的應力云圖得知樁基開挖時，隧道拱腰處出現應力集中。故沿隧道里程方向DK24+800～DK24+740范圍在隧道拱腰左右兩側共布置14個監測點，每側7個點，間距10m。下圖為樁開挖至第30步（即樁雙側開挖至22.5m）時，沿隧道里程方向拱腰收斂曲線圖。由圖3.12可知：樁基開挖時，由于卸載作用，使樁周土、巖層的壓應力減小，同時，隧道襯砌應力也相應減小，造成隧道左右兩側向外輕微變形。樁基施工時，沿隧道里程方向DK24+770處，隧道拱腰變形最大。取沿隧道里程方向DK24+770處橫斷面，研究樁基施工時對隧道橫斷面的變形影響。圖3.13表明圍巖變形沿拱頂呈對稱分布，在拱腰處變形最大，其值約為0.033mm。樁基開挖使得隧道襯砌向外變形，但變形非常小。

結語：

由于依托工程中樁基礎采用人工挖孔工藝，對土體擾動影響較小，數值分析中未考慮樁孔周邊土體軟化，樁孔與土體間滲透性的影響，對施工過程的有限元模擬還過于粗略，對于這些影響有待進一步研究。

參考文獻：

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作者簡介：

沈杰（1984-），男，甘肅天水人，講師，工程師，研究方向：隧道及地下工程施工與維護。