大直徑橋梁樁基施工對臨近既有隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

杜亞光,曾向往,向 毓

(1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 武漢市 430015;2.湖北省城建設(shè)計院股份有限公司 武漢市 430051)

0 引言

在城市高架橋建設(shè)過程中,經(jīng)常會與既有地鐵隧道相遇。高架橋樁基施工產(chǎn)生的擠土、挖土效應(yīng)以及樁基承受荷載后的樁土摩擦效應(yīng)都會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形狀態(tài)發(fā)生改變。大直徑樁基承受的樁頂荷載更大,擠土挖土量更大,擾動效應(yīng)更為顯著。

劉鵬等通過對實(shí)際工程進(jìn)行三維有限元分析,認(rèn)為樁基施工對區(qū)間結(jié)構(gòu)的豎向影響遠(yuǎn)大于水平影響[1];王立峰等研究了鋼套筒灌注樁施工對地鐵管片位移和附加應(yīng)力的影響趨勢,得出管片水平位移影響大于豎向位移的結(jié)論[2];丁智等采用數(shù)值分析方法分析了隧道埋深、樁基隧道凈距、樁徑等因素變化時,靜壓樁基施工對軟土地區(qū)既有地鐵隧道的影響[3]。上述研究表明,隨著樁基與隧道結(jié)構(gòu)間的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地質(zhì)條件、兩者間的相對位置關(guān)系等因素變化,樁基施工對既有隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際表現(xiàn)出的影響存在一定規(guī)律,但并無固定趨勢,最敏感參數(shù)也因工程特點(diǎn)而異。現(xiàn)有研究成果中,工程樁基直徑均較小,未能直觀反映出大直徑樁基的施工影響特征。

1 工程背景

某新建高架橋與既有城市地鐵區(qū)間平面交叉,橋梁主跨跨徑為96.0m,橋?qū)?0.5m,橋墩豎向荷載較大,故基礎(chǔ)采用4根直徑2.0m的鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ),同步建設(shè)天橋坡道基礎(chǔ),采用1.3m鉆孔灌注樁;相交地鐵區(qū)間段雙線布置,結(jié)構(gòu)斷面為圓形,外徑6.2m,采用盾構(gòu)法施工。平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 平面位置關(guān)系圖

主橋群樁基礎(chǔ)距離地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)外邊線最小凈距為7.06m,典型斷面如圖2所示。天橋樁基距離地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)外邊線最小凈距為14.4m。

圖2 典型剖斷面圖(單位:m)

橋梁樁基為嵌巖樁,持力層為(5a-2)中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖,區(qū)間結(jié)構(gòu)主要位于(2-5)粉質(zhì)黏土夾粉土、(2-6)粉質(zhì)黏土夾粉土和粉砂層。

通常,地下車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)50m范圍為控制保護(hù)區(qū)。該區(qū)域內(nèi)施工作業(yè)對既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響需進(jìn)行分析與監(jiān)測,再根據(jù)凈距情況判定接近程度,進(jìn)而確定施工作業(yè)對區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響等級[4]。

該工程主橋樁基礎(chǔ)及天橋部分樁基礎(chǔ)施工均處于控制保護(hù)區(qū)內(nèi),最小凈距為7.06m,介于1～2倍隧道結(jié)構(gòu)外徑范圍內(nèi),影響等級為一級。

2 有限元模擬

根據(jù)工程情況,應(yīng)用Midas GTS NX軟件建立整體分析三維計算模型,模擬高架橋樁施工全過程,重點(diǎn)分析高架橋樁施工過程中鄰近地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力情況,進(jìn)而評估地鐵結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全狀態(tài)。

按照基于模型計算范圍的控制原則,邊界條件不能過大地影響關(guān)鍵部位計算結(jié)果。選取模型計算范圍為長80m,寬80m,土層計算深度為80m。有限元模型見圖3和圖4。

圖3 有限元整體模型(單位:m)

圖4 結(jié)構(gòu)物有限元簡圖(單位:m)

為更好地模擬鉆孔灌注樁成樁過程,樁單元采用實(shí)體+界面單元的形式,樁土間設(shè)置摩擦接觸單元,盾構(gòu)管片采用板單元,結(jié)構(gòu)模型均為彈性本構(gòu)。通過樁周薄壁單元模擬滲透條件變化,通過修改單元屬性模擬混凝土硬化過程。

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邊界條件:模型底部約束豎向位移,模型前后兩面約束橫橋向位移,模型左右兩面約束縱橋向位移。

工況分析:主要分為10個工序,見表1。通過工序3,位移場清零,模型中位移結(jié)果僅計入新建橋梁結(jié)構(gòu)的影響;通過分階段模擬樁基的開挖和灌注,主橋與天橋樁基分階段施工,可進(jìn)一步分離出各施工環(huán)節(jié)的影響效應(yīng)。

表1 施工工序劃分

3 影響分析

3.1 位移分析

通過數(shù)值計算得出,高架橋施工完成時區(qū)間結(jié)構(gòu)水平最大位移為0.379mm(向靠近樁基方向移動),豎向最大位移為1.668mm(向下),總位移最大值1.67mm,總位移云圖如圖5所示。

圖5 上部結(jié)構(gòu)施工完成后區(qū)間結(jié)構(gòu)總位移云圖(單位:mm)

各工況下地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的橫向位移、豎向位移及總位移變化趨勢見圖6。

圖6 各施工階段區(qū)間結(jié)構(gòu)位移

針對該工程,對比《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202-2013)[4]中的城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值可以發(fā)現(xiàn),樁基施工對區(qū)間結(jié)構(gòu)造成的位移較明顯,但滿足相關(guān)要求。其中對豎向位移的影響明顯大于對水平位移的影響。

水平位移在主橋樁基開挖階段影響最為顯著,樁基施工完成后基本收斂,位移方向朝向樁基開挖一側(cè)。

豎向位移在樁基施工階段影響較大。后期橋梁上部結(jié)構(gòu)施工期間,樁基承受巨大的豎向力,并通過樁土作用傳遞至隧道區(qū)間結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致該階段豎向位移發(fā)生顯著變化。結(jié)構(gòu)各點(diǎn)位移隨距離樁基的位置增大而減小。

3.2 內(nèi)力分析

高架橋施工完成時隧道結(jié)構(gòu)單元的彎矩及內(nèi)力云圖分別見圖7、圖8。

圖7 上部結(jié)構(gòu)施工完成后區(qū)間結(jié)構(gòu)彎矩云圖(單位:kN·m)

圖8 上部結(jié)構(gòu)施工完成后區(qū)間結(jié)構(gòu)軸力云圖(單位:kN)

統(tǒng)計各施工階段區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)力值變化情況,如表2所示,相對橋梁施工前的初始狀態(tài),區(qū)間結(jié)構(gòu)彎矩值累計增加約4.9%,軸力值累計增加約1.75%。

表2 施工階段區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)力值統(tǒng)計表

可以看出,在整個施工階段,區(qū)間結(jié)構(gòu)彎矩及軸力的增幅均較小,其中軸力增幅低于2%,該內(nèi)力增量對結(jié)構(gòu)受力破壞的威脅近似可以忽略。

此外,天橋樁基施工對隧道結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力影響均較小,這表明相對于主橋樁基,天橋樁基與隧道結(jié)構(gòu)凈距增加約7m后,施工影響效應(yīng)的削減非常明顯,凈距屬于施工影響非常敏感因素。

4 結(jié)論

通過建立三維有限元模型,分析了橋梁大直徑樁基施工階段既有隧道結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力變化趨勢,得出以下結(jié)論:

(1)樁基施工對既有隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)影響顯著。該階段樁基鉆孔開挖對土體有應(yīng)力釋放作用,為降低應(yīng)力釋放效應(yīng)的不利影響,防止塌孔可能導(dǎo)致的不利影響進(jìn)一步擴(kuò)大,既有隧道附近施工樁基宜采用護(hù)筒跟進(jìn)并穿越隧道結(jié)構(gòu)所在土層,以保證樁基施工中孔壁穩(wěn)定,制約樁基施工影響,避免區(qū)間結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可控變形。

(2)根據(jù)計算結(jié)果可知,樁基施工引起既有隧道結(jié)構(gòu)物內(nèi)力的增量很小,實(shí)際工程中通常可忽略不計;位移變化量較明顯,其中豎向位移為最敏感點(diǎn)。

(3)現(xiàn)有研究成果顯示,樁基近接施工時既有隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的水平位移較豎向位移更明顯,而文章基于大直徑群樁橋梁工程的分析反映出豎向擾動為最敏感點(diǎn),這表明隧道結(jié)構(gòu)位移方向敏感程度并無固定規(guī)律。大直徑樁基往往承受巨大豎向荷載,如文章所示高架橋主跨達(dá)到96m,墩頂反力達(dá)到35000kN,產(chǎn)生的樁土摩擦效應(yīng)對既有隧道結(jié)構(gòu)影響顯著,超過了樁基開挖的挖土擠土擾動效應(yīng),該現(xiàn)象應(yīng)引起同類工程重視。