基于數值模擬對隧道工程中雙排鋼管樁的研究

何凡

（江西安源路橋集團有限公司，江西 萍鄉 337000）

0 引言

隨著經濟的快速發展，我國的城鎮化進程不斷加快，交通問題成為城市的重點問題。為解決交通問題，開發地下空間，修建地下隧道成為一種有效的措施，但在修建地下隧道時受城市密集的建筑群的影響，因此需要對地下隧道開挖方法進行研究。其中，鋼管樁支護結構具有施工速度快、施工簡單、支護效果好等特點被廣泛應用。

許多學者對鋼管樁支護結構也進行了相關的研究，其中，趙斌等[1]對微型鋼管樁在復合土釘墻支護體系中的應用進行研究，提出可采用微型鋼管樁對邊坡進行加固；孫劍平等[2]對微型鋼管樁進行研究，提出微型鋼管樁的承載力計算公式；郭維衛[3]基于實際的工程對具有內支撐與微型鋼管樁相結合的支護結構的支護效果進行研究；龔健等[4]對在軟土地基中采用微型樁支護的效果進行研究，結構表明微型樁有較好的抵抗水平荷載的能力；畢孝全等[5]對超前鋼管樁在深基坑支護中的應用進行研究，為工程提供參考價值；吳新光等[6]對鋼管樁注漿體系進行研究，結構表明鋼管樁注漿體系具有較好的支護較好。現在有的研究已取得一定的成果，但在采用數值模擬對不同雙排鋼管樁影響因素的研究還存在不足。為此本文對雙排鋼管樁支護結構的水平承載力計算公式進行分析，基于實際的工程案例借助有限元軟件MIDAS/GTS 建立相應的三維模型，對不同樁間距、不同壁厚情況的隧道雙排鋼管樁支護效果進行研究。

1 雙排鋼管樁支護結構水平承載力的計算

對雙排鋼管樁支護結構進行水平承載力的計算時，需將排樁簡化為一個豎向放置的彈性地基梁，可以采用整體等值梁法、分段等值梁法、有限元法或彈性法（“m 法”）等進行計算，在工程中一般采用彈性法進行計算，關于彈性法的計算公式如式（1）所示[7-9]：

式（1）中：K表示土體的彈簧剛度，（kN/m4）；b表示各土層的厚度，（m）；l表示基礎的計算寬度，（m）；m表示地基土的比例系數；s表示各個土層的中點到地面的距離，（m）。

在基坑以下的支點土體作用可以采用彈簧來進行等效，這些彈簧的剛度可以按照上述式（1）進行計算，而支撐或錨桿的作用則可以用具體的具有剛性系數的彈簧來代替。

2 雙排鋼管樁有限元分析

2.1 工程概況

某工程為某市中心的城市隧道，為保持隧道的淺埋暗挖，對其增加豎井，用于暗挖段施工機械的進出及隧道土方的開挖，豎井的內徑南北長度為35m，東西長度為11m，深度為19.5m，在豎井的東側是人行道及宿舍樓，西側為主路地面，地下埋有污水管、供熱管及電信綜合管線等，該隧道的右線距離豎井基坑最近的距離為5m，隧道頂距離地面的高度為10m。隧道所處的地質情況包括填土、黃土、粉質黏土、黏土及風化石灰巖，關于具體的土層參數見表1。

表1 隧道的土層參數表

2.2 有限元模擬的建立

采用MIDAS/GTS 巖體有限元分析軟件建立模型進行模擬計算，該軟件相較于ANSYS、ABAQUS 等有限元軟件，能更好地對土體及巖石的材料屬性定義，并且具有更為全面的本構模型，關于MIDAS/GTS 軟件中常見的本構模型主要有以下幾種（見表2）。

表2 MIDAS/GTS 本構模型關系表

在此次淺埋暗挖隧道豎井基坑的支護形式為雙排鋼管樁子再結合基坑的內支撐，在模型中的土層按實際情況進行輸入，待模型建立完成，實體幾何進行布爾運算，接著對模型進行網格劃分，最終的三維模型見圖1 所示[10]。

圖1 有限元模型

2.3 有限元結果分析

2.3.1 樁身的水平位移結果分析

該工程設置的是雙排的鋼管樁，因此其支護結構的整體剛度相對來說會更加穩定，根據有限元模擬的結果中樁的應力云圖對樁身的水平位移進行匯總，具體結果見表3。

表3 鋼管樁的水平位移結果表

由表3 中可見，雙排鋼管樁中，在相同的樁深，相同的開挖深度下，后排鋼管樁的水平位移值比前排的水平位移值小，主要是因為雙排鋼管樁尋找樁土接觸作用，使得前排鋼管樁所受土壓力較大，起到主要的支擋作用，而后排樁所受的土壓力較小，使得后排鋼管樁的水平位移值較小。

2.4 不同參數對雙排鋼管樁的影響

2.4.1 不同的樁間距影響分析

從上述內容可知，在雙排鋼管樁中，前排的鋼管樁是主要的受力構件，然而對于樁基而言，樁與樁之間的樁間距將會影響整體的剛度穩定性，為此對前排的鋼管樁分別設置不同的鋼管樁樁間距進行研究，在上述模型的基礎上分別設置樁間距為3d、4d 及5d（d為鋼管樁的直徑）三種情況進行對比研究，通過模型模擬得到相應的樁身水平位移值，具體見表4。

表4 不同樁間距的樁身水平位移值

從表4 可以看出，在一定的開挖深度下，在相同的樁間距情況下隨著樁身的長度增加其水平位移值逐漸減小；對比在相同的樁深情況下，隨著樁間距的增大，水平位移值逐漸增大，因此，對于雙排鋼管樁其樁間距不宜過大。根據此次的模擬結果表明，樁間距的間距應當為3d 時效果最佳。

2.4.2 不同壁厚的影響分析

對于雙排鋼管樁，當壁厚與樁徑達到最佳比例時，不僅可以節省經濟成本，還能最大程度地發揮鋼管樁的支護作用，本文為對鋼管樁壁厚進行分析，對前排的鋼管樁分別設置不同的鋼管樁壁厚進行研究，在上述模型的基礎上分別設置壁厚為4mm、8mm、12mm 及20mm 四種情況進行對比研究，通過模型模擬得到相應的樁身水平位移值，具體的見表5。

表5 不同樁間距的樁身水平位移值

從表5 中可以看出，在一定的開挖深度下，在相同的壁厚情況下，隨著樁身的長度增加其水平位移值逐漸減小；對比在相同的樁深情況下，不同壁厚之間的樁水平位移值隨著壁厚的增大而增大，但變化的值不大，說明鋼管樁的壁厚對樁身水平位移的影響不大。因此，在考慮一定的經濟要求后，對于樁的壁厚區可取4～6mm。

3 結語

綜上所述，文章通過對雙排鋼管樁進行理論分析并計算，并基于實際的工程案例借助有限元軟件MIDAS/GTS 建立相應的三維模型，對其在不同樁間距、不同壁厚情況下對隧道的支護效果進行了研究，研究結果表明：在雙排鋼管樁中前排樁對基坑的支護起主要作用，并且發現隨著樁間距的增加，樁身的水平位移將隨之增大，當樁間距為3d（d 為樁直徑）時支護效果較佳；對于樁的壁厚對樁身的水平位移影響較小，樁的壁厚區可取4～6mm。