樁基施工對既有通車隧道擾動影響分析

王洪德，全浩

(1.大連交通大學 土木工程學院，遼寧 大連 116028；2. 大連交通大學 隧道與地下結構工程技術研究中心，遼寧 大連 116028) *

樁基施工產生的應力波與列車經過隧道時產生應力波耦合作用對隧道產生的振動影響是一個較為復雜的問題.這種耦合作用對隧道造成的不利振動影響不可忽略.嚴重時，甚至會造成隧道襯砌出現裂縫、垮塌等擾動現象.因此，研究樁基施工對既有通車隧道振動影響的問題具有重要意義.

丁智[1]利用Plaxis軟件構建了“樁-隧道”三維有限元模型，研究了樁基施工對既有地鐵隧道影響的問題，得出了在隧道側面進行樁基施工時，隧道會出現沉降較大的情況；丁智[2]通過模型試驗、數值仿真等方法對近距離橋樁施工對地鐵隧道的影響進行了理論分析，總結了研究該問題國內外的眾多成果；呂寶偉[3]利用Midas/GTS軟件建立了有關“樁-土-隧道”的有限元模型，采用數值模擬方法研究了橋梁樁基施工對隧道管片內力及變形的影響，得出了隧道發生變形的最大數值及變形的控制標準；楊敏[4]通過總結國內外關于樁基礎與地鐵隧道相互影響的研究現狀，得出了非擠土樁對既有隧道影響小等結論；陳昭[5]利用Simpack軟件建立了“車-線-隧道”的三維有限元模型，采用數值模擬的方法研究了地鐵隧道在“車-隨耦合”條件下的動力響應，認為隧道襯砌底部的動力響應程度較大；郭宏偉等[6]通過列車荷載激勵公式，分析了耦合作用下隨道結構的動力響應，得出了在仰拱與邊墻連續處出現應力集中的結論；楊文波等[7]利用模型試驗的方法研究了盾構隧道和鄰近土體在列車通過情況下所受的動力響應，認為隧道結構的底部和頂部的動力響應頻率最高；茍明中[8]采用數值模擬方法對列車影響下的重疊盾構隧道的受力進行了分析，給出了隧道上調管片的最大彎矩增量值；劉維寧等[9]通過振動轉換公式和實測的振源數據，研究了列車區間預測點的振動響應，得出了預測點不同的振動頻率；范思婷等[10]利用實測方法，對列車引起隧道振動進行了研究，認為隧道所受的中高頻率振動方式主要有橫向和豎向2種.

目前，國內外學者開始關注樁基施工對鄰近既有通車隧道影響的研究工作.本文結合實際工程概況，建立“樁-土-隧道”的三維有限元模型.從三維方向上分析既有運營隧道在樁基施工情況下所受的動力響應，以便找出隧道不利振動區域和拉應力區域，以期為類似工程抗振安全技術措施的制定提供技術支持.

1 工程概況

某碼頭打樁工程所在區域屬軟土地質條件，鄰近的既有通車隧道外徑r1=9 m，內徑r2=8.4m，襯砌厚0.6 m，隧道埋深為18 m[11].該條隧道主體采用裝配式鋼筋混凝土材料，混凝土強度為C60，抗滲等級為P10.樁基施工中樁的類型采用預制方樁的形式，樁樁基尺寸50 m×0.6 m×0.6 m[11]，斷面配筋圖如圖1所示.

圖1 樁基斷面縱筋配置圖

該樁基工程所在區域的土層參數見表1，工程地質參數見表2，實際工程中樁和隧道參數見表3.

表1 土層參數

表2 工程地質條件

表3 樁、隧道參數

2 計算模型

2.1 樁-土-隧道共同作用模型

為分析既有通車隧道在樁基施工作用下三維方向的動力響應，模型中的隧道深度取80m，土體模型尺寸200 m×80 m×124 m.“樁-土-隧道”三維數值模型如圖2所示.

圖2 樁、土、隧道的三維數值模型

2.2 樁-土-隧道的動力接觸

通常情況下，相同介質間可忽略切向變形的影響，土與土之間的接觸方式采用共節點接觸方式；不同介質間(土與樁、土與隧道)應考慮不同介質接觸時產生的切向變形影響，故土與樁、土與隧道的動力接觸方式采用自動面面接觸(ASTS)[12-13].阻尼對于應力波的傳播效應具有重要影響，為達到仿真效果的真實性，將樁、土、隧道的阻尼均設為0.05[14].

2.3 模型參數

單元類型選擇過程中，對于PART7部分的區域采用邊長為2m的正三角形，其余均采用邊長2m的四邊形.

(1)樁頂荷載的施加

樁頂處施加F=150kN的集中荷載，作用時間取0.08s，加載方式為三角形，如圖3所示.

圖3 沖擊力的加載曲線

加載的具體數組如表4所示.

表4 載荷及時間數組表

(2)地鐵列車振動荷載的施加

2) SST的運動是有方向的，多幀積累后，其回波會呈現具有一定長寬比的、較規則的“線狀”或“航跡狀”形狀，如圖1(b)所示。

地鐵列車經隧道時對軌道產生的豎向輪軌力大致分為3個頻率范圍(低頻、中頻和高頻范圍)[15].因相對運動作用，列車對懸吊部分產生的低頻段在0.5～5 Hz內；列車車輪對鋼軌的回彈作用產生的中頻率段在30～60 Hz；輪軌與鋼軌接觸產生的抵抗作用頻段在200～400 Hz內.列車運行過程中產生的豎向激振力：

F=P0+P1sinw1t+P2sinw2t+P3sinw3t

(1)

式中，P0為車軌靜荷載，P1、P2、P3為振動荷載的典型值，且

Pi=M0aiwi2(i=1,2,3)

(2)

車速對應不平順振動波長的圓頻率：

wi=2πv/Li

(3)

式中，M0為列車簧下質量，ai為典型矢高，v為列車行駛速度，Li為典型波長.

若P0=8 000 N，M0=750 kg，L1=10 m，a1=3.5 mm，L2=2 m，a2=0.4 mm，L3=0.5 m，a3=0.08 mm，v=108 km/h，由以上各項參數可知列車豎向激振力F=92 kN[15].

地鐵隧道加載列車荷載的示意圖如圖4所示.

圖4 列車荷載施加的示意圖

3 實例驗證

為了保證建立“樁-土-隧道”模型的準確性，通過LS-DYNA模擬出距樁心5、10、20m處地表振速的曲線圖如圖5所示.

(a) 距樁中心5 m處

(b) 距樁中心10 m處

(c) 距樁中心2 m處圖5 地表振速曲線

表5 實測與計算對比表

由表5可知，本模型距樁心5、10、20 m地表振速的計算值與資料距樁心5、10、20 m地表振速的實測值高度吻合，可判定所建模型是準確的.

4 列車荷載與樁基施工耦合作用下隧道動力響應

列車經隧道產生的振動荷載與樁基荷載耦合作用下，隧道所受的振動云圖和應力云圖如圖6所示.

(a) 振動云圖

(b) 應力云圖圖6 隧道所受的振動和應力云圖

由圖6(a)可以看出，隧道的不利振動區域主要集中在單元H384017～H384023、單元H383977～H383983、單元H384003～H384009和單元H384083～H384089區域內；由圖6(b)可以看出，隧道所受拉應力大的區域為單元H384155～H384156、單元H384194～H384198和單元H384233、單元H384237范圍內.為了減小振動荷載與沖擊荷載耦合作用對隧道的不利影響，達到減振抗拉目的，在隧道振速和拉應力大區域加裝阻尼結構或阻尼元件、增加壁厚等方法可起到減振、抗拉的效果.

隧道截面沿x、y方向和z方向的最大振速曲線如圖7所示.

圖7(a)表明，隧道截面在節點277405處達到振動速度的最大值，大小為4.6 mm/s.圖7(b)為隧道沿z方向在節點275212處達到振動速度的峰值，大小為4.4 mm/s.隧道沿z方向達到最大振速的時間比隧道截面沿x、y方向達到最大振速的時間少0.5 s，說明隧道在振動荷載與樁基荷載耦合作用下，列車沿隧道z方向的振動荷載更易引起隧道產生不利的振動作用.振動荷載和樁基荷載引起隧道不利振動和拉應力的區域較隧道只在樁基荷載作用下的區域更加廣泛，因此為了減小這些不利影響為隧道帶來的危害，除了采取增加壁厚的方法外，結合屏障隔振的方法，在隧道底部安裝波阻塊，于隧道附近設置緩沖帶和圍欄樁等均可減少隧道不利擾動的影響.

(a) 隧道截面沿x、y方向

(b) 隧道沿z方向圖7 隧道截面沿不同方向的最大振速曲線

5 結論

通過樁基施工對既有通車隧道的動力擾動響應分析，得出以下結論：

(1)樁基施工與通行列車的耦合作用導致既有通車隧道的最不利的振動區域集中在隧道底部單元H384017～H384023、單元H383977～H383983、單元H384003～H384009、單元H384083～H384089的范圍內;

(2)耦合作用導致既有通車隧道最不利拉應力集中區域位單元H384155～H384156、單元H384194～H384198、單元H384233和單元H384237范圍內;

(3)隧道截面沿x、y方向在節點277405處達到最大振動速度，其峰值4.6 mm/s；隧道截面沿z方向在節點275212處達到最大振動速度，峰值4.4 mm/s;

綜上所述，對于隧道振動大的區域和拉應力集中地區域，應考慮安裝波組塊等減振措施以減少通車隧道所受的不利擾動影響.