暗挖电力隧道对邻近既有桥梁桩基的影响分析

姬永红，冯栋梁

（上海市政工程设计研究总院集团有限公司，上海市 200092）

0 引言

为了满足城市供电需求、美化城市景观、集约城市用地，很多城市都将高压电缆下埋，开挖电力隧道。隧道选线往往不能避开既有建筑物，如桥梁桩基、高层建筑桩基，出现隧道近距离穿越桩基的情况，这给设计和施工带来了很大的困难。

国内外有许多学者都针对这一问题进行了理论和试验[1-4]研究。伴随着大型通用有限元程序和计算机硬件的日渐成熟，有限元法已逐渐成为一种被广泛使用且经济有效地分析方法，如王丽、郑刚[2]、朱逢斌等[4]都采用了这一方法分析了隧道开挖对邻近桩基的影响问题。

本文以成都蜀都大道东段道路综合整治工程220 kV电力隧道工程为背景，利用ANSYS有限元软件，建立了二维有限元模型分析了不同隧道埋深、不同隧道与桩基中心距条件下，隧道开挖对桥桩的影响规律。

1 工程概况

拟建隧道埋深Ht=3.7～10.7 m，内径为Dt1=2.6 m，外径为Dt2=3.7 m，从成都双桥子立交旁穿过，隧道与立交桥桩基最小中心距为D0min=2.7 m，最小中心距处为引桥段，采用单桩基础，桩间距LP=20 m。桥桩桩底埋深HP=18.5 m，桩径为DP=1.2 m。隧道与桩基相互关系见图1、图2。

土层分布由上至下分别为素土层、粘土层、粉质粘土层、粉土层、细砂层、松散卵石层、稍密卵石层、中密卵石层、强风化泥岩层、中风化泥岩层。

图1 隧道与桩基剖面位置图

图2 隧道与桩基平面图

2 数值模型与参数选择

2.1 数值模型

由于隧道为细长结构，邻近桥桩近似平行分布于隧道一侧，简化为桩墙考虑，因此，选用平面应变模型分析隧道开挖对桥桩的影响。模型计算深度取10Dt1，左右边界距离隧道中心取10Dt2。模型底部设置竖向位移约束，两侧边界设置水平位移约束。隧道衬砌、桩基及土体均采用线弹性模型，利用衬砌及土体采用Plane82单元模拟，桥桩采用Beam3单元模拟，忽略结构与土体间的滑移。其中，桥桩断面尺寸按照刚度等效到每延米的原则取值。

为了分析隧道埋深和隧道与桩中心距的影响，选取了隧道不同埋深、不同桩隧中心距进行组合设计模型，隧道埋深及桩隧中心距取值及编号见表1，模型编号为MIJ，表示该模型隧道埋深编号为I，桩隧中心距为J。如M12表示该模型隧道埋深编号为1，桩隧中心距编号为2。

表1 隧道埋深及桩隧中心距编号

2.2 计算参数选择

土层、衬砌、桥桩参数选取分别见表2、表3。

表3 衬砌及桥桩参数

2.3 模拟方法

首先施加土体及结构自重应力，模拟初始地应力场，分以下两个步骤模拟开挖过程：

步骤一：开挖。杀死隧道断面内土体单元，模拟开挖过程；

步骤二：完成支护。激活隧道衬砌单元，模拟开挖支护过程。

3 计算结果与分析

3.1 开挖步骤对桩基工作性状的影响

图3和图4为模型M11和M42在步骤一和步骤二中桥桩的水平向变形和弯矩分布图。模型M11埋深为3.7 m，桩隧中心距为2.7 m；模型M42埋深为10.7 m，桩隧中心距为6.4 m。

从以上曲线可以得出：

（1）对于M11模型，开挖面在桩顶附近，使得桩顶结构约束较弱，产生了较大的水平位移。通过步骤一与步骤二的对比，发现增加支护后，桩顶约束增加，桩顶位移从7 mm降至2 mm，最大弯矩从64.4 kN·m降至 50.0 kN·m。

图3 不同开挖工况对桥桩水平向变形的影响

图4 不同开挖工况对桥桩弯矩的影响

（2）对于M42模型，开挖面位于桩底附近，使得桩底产生了向隧道一侧的位移，由于桩顶附近约束较弱，使得桩顶位移背离开挖侧。增加支护后提高了桩底约束，使最大位移从1.7 mm减小至0.9 mm，最大弯矩从42.9 kN·m降至19.9 kN·m。

（3）根据以上分析不难看出，开挖步骤二增加了衬砌支护，使得桩的位移和内力减小，提高了桩的安全性。由于步骤一围岩应力完全释放，步骤二围岩由衬砌支撑，因此，步骤一对桥桩的工作性状影响更大。从安全性的角度考虑，以下分析均基于各开挖模型的步骤一进行。

3.2 桩隧中心距对桩基工作性状的影响

不同桩隧中心距下，开挖对桥桩工作性状影响见图5和图6。模型 M11，M12，M13，M14，M15埋深均为3.7 m，桩隧中心距分别为2.7 m（D0min），6.4 m（D0min+Dt2），10.1 m（D0min+2Dt2），13.8 m（D0min+3Dt2），18.5 m（5Dt2）。

对比模型M11和M13，桩隧中心距从2.7 m增大到10.1 m，桩基最大水平变形由7.32 mm减小至1.78 mm，降幅76%，最大弯矩由64.4 kN·m减小至19.6 kN·m，降幅70%。当桩隧中心距大于10.1 m（约3Dt2）时，隧道开挖对桩基的影响随中心距继续增大变化不大，对其影响可忽略不计。当桩隧中心距小于3Dt2，应对桩周及隧道周围土体提前加固。

图5 不同桩隧中心距对桥桩水平向变形的影响

图6 不同桩隧中心距对桥桩弯矩的影响

3.3 隧道埋深对桩基工作性状的影响

不同隧道埋深对桩基工作性能的影响见图7和图8。模型 M13、M23、M33、M43桩隧中心距均为10.1 m，隧道埋深分别为 3.7 m、5.7 m、7.7 m、10.7 m。

图7 不同隧道埋深对桥桩水平变形的影响

图8 不同隧道埋深对桥桩弯矩的影响

根据以上曲线，可以看出，随着隧道埋深越深，桥桩最大水平变形和最大弯矩逐渐下移且数值逐渐增大，在M23模型(埋深5.7 m，约0.3倍桩长)达到最大，随后继续下移但数值开始逐渐减小。

由于开挖面附近的土体受到卸荷作用最为明显，从而导致附近桩基位置内力和变形最大，随着隧道埋深下移，桩基最大内力和变形的位置也随之逐渐下移。另外，以上曲线还出现了最大水平变形和最大弯矩随隧道埋深先增加后减小，在隧道中上部达到最大的现象。这是由于隧道位于中部时对整个桩长范围的影响大于隧道在桩某一侧时（桩顶或桩底）对整根桩的影响，加之桩基上部的约束较小，隧道浅埋时地表沉降又较大，这些原因共同导致了最大水平变形和最大弯矩出现最大值的位置在桩中部偏上的位置。

4 结论

对成都蜀都大道东段道路综合整治工程220 kV电力隧道工程中隧道穿越邻近立交桥桩基问题建立了模型，分析了不同桥桩与隧道中心距及不同隧道埋深下隧道穿越对桩基的影响规律。分析结果对工程设计与施工具有以下指导意义：

（1）通过开挖步骤一和步骤二的对比表明，开挖面的地应力释放是隧道开挖对桩基产生影响的直接原因，通过减少地应力释放，可以有效地控制的桩基变形，减小应力。施工过程中，应选用更合理的开挖方法，当隧道开挖面邻近桩基时，应对土体加固，减小开挖进尺，及时围护，以达到减小地应力释放的目的。

（2）根据以上对不同桩隧中心距的分析，可知在桩隧中心距小于一定范围时，开挖对桩基的影响很大。当埋深为3.7m时，这一范围约为3倍的隧道外径。在穿越时，可根据不同桥桩与隧道的距离不同，制定相应的应对措施，以达到经济和安全的平衡。

（3）通过对隧道埋深对桥桩工作性能的影响分析，可以得出，当隧道埋深位于桩中上部(约0.3倍桩长)时，桩身内力和桩身水平变形较大。不同隧道埋深时，桩身最大变形和最大内力的位置随着隧道埋深变化而变化。

[1]L.T.Chen,H.G.Poulos,N.Loganathan.Pile responses caused by tunneling[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1999,125(3):207-215.

[2]王丽,郑刚.盾构法隧道施工对邻近摩擦单桩影响的研究[J].岩土力学,2011,32(增刊2):621-627.

[3]N.Loganathan.Centrifuge model testing of tunneling-induced ground and pile foundations[J].Geotechnique,2000,50(3):283-294.

[4]朱逢斌,杨平,C.W.ONG.盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分析[J].岩土工程学报,2008,30(2):298-302.