城市地铁明挖隧道对高架桥桩基影响的数值分析

吴超俊（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）

城市地铁明挖隧道对高架桥桩基影响的数值分析

吴超俊
（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）

为评估明挖地铁区间隧道施工对高架桥的影响，结合重庆轨道交通环线某区间隧道施工，采用有限元分析软件MIDAS-GTS建立了隧道及桥墩的三维模型进行数值模拟，分析了隧道开挖对桥墩、围岩的应力及位移影响.结果表明：隧道开挖后围岩和桥墩沉降的不同，桥梁桩身将受到围岩的负摩擦力作用；隧道开挖在桥墩距隧道近端引起的桩基位移向下，在远端引起的竖向位移向上；开挖荷载对桩基应力影响不仅与桥墩到开挖隧道之间的距离有关，还与桥梁桩基高度有关，隧道支护锚杆最大轴力为7.07 kN能满足安全稳定性的要求.

地铁隧道；明挖；桩基；沉降；数值模拟

随着城市地铁的发展，地铁线路不可避免要穿越或靠近城市立交桥，隧道的开挖会对立交桥的桥墩内力及形变产生不同程度的影响，甚至影响到上部结构的稳定[1].许多学者采用不同的数值计算方法对暗挖隧道开挖对周边环境的影响进行了研究[2-6]，而明挖隧道的施工工艺与暗挖有着很大的差异，本文以重庆市轨道环线某区间隧道明挖段为工程背景，采用数值模拟方法分析工程施工对附近跨线桥桥墩的影响.

1 工程概况

1.1 位置关系

重庆轨道交通环线某区间隧道与高架桥呈15°走向，高架桥位于该明挖段的西侧，其间有高架桥4#～9#桥墩.高架桥基础位于隧道结构底板以下，4#～9#桥墩基础与隧道开挖面最小距离为12.17 m.如图1、2所示.

2 三维有限元模型的建立

根据工程图纸及结合实际情况，模拟尺寸XYZ 3个方向分别取为200 m× 1 85 m× 50 m.模型中围岩、桥台均采用实体单元，锚杆采用线单元，喷射混凝土采用板单元.其中喷射混凝土采用析取的方式建模，锚杆采用植入式桁架.模型底部进行竖向约束，前后左右施加法向约束，顶部为自由面.其岩土体物理力学参数见表1，具体计算模型如图3所示.1.2 隧道结构形式及设计支护参数

图1 区段局部关系平面示意图

图2 区段局部关系立面图（单位：m）

此段均为双侧放坡开挖，基坑西侧放坡比例为1:0.7，中部有1.5 m宽的放坡平台，基坑东侧放坡比例为1:0.7，无放坡平台，两侧坡面均采用200 mm× 200 mm 双层Φ8钢筋，100 mm厚的C25喷射混凝土面层，直径为42 mm且与水平方向呈15°角的注浆钢花管@1.2 m× 1 .2 m梅花形布置支护加固.基坑底部采用200 mm厚的C20混凝土垫层，基坑坡脚布置深400 mm，宽500 mm的排水沟.

1.3 工程地质条件

区间隧道结构底板以上以填土为主，土层平均厚度约10 m，中间有1 m厚度的粉质粘土，结构底板以下由砂岩和砂质泥岩不等厚的正向沉积韵律层组成.以紫红色砂质泥岩为主，夹浅灰色、灰白色薄层至中厚状砂岩.出露的地层由上而下依次可分为第4系全新统填土层（Q4ml）、残坡积层（Q4el+dl）和侏罗系中统沙溪庙组（J2s）沉积岩层，围岩级别为Ⅳ级，岩体整体稳定.

表1 模型参数取值

图3 有限元模型网格划分

3 数值分析结果

3.1 围岩位移分析

隧道开挖不可避免会对土体造成扰动，根据文献[7]的理论分析，隧道开挖对地表沉降的影响由近至远依次减小呈高斯分布，随着支护的施作，围岩位移趋于稳定，隧道开挖完成后围岩水平方向位移云图和竖直方向位移云图如图4、5所示，为了更好地反映出隧道在不同开挖步序对高架桥动态影响，在高架桥提取7#、8#桥墩基础上台阶的4个角点A、B、C、D 4点位移的数值计算结果，具体位置如图6所示.

图4 隧道开挖完后围岩竖向位移云图

图5 隧道开挖完后围岩水平位移云图

根据施工方提供的施工方案将施工步分为11步，第1步为初始地应力场的计算，第2、3步模拟4#～5#桥墩所在区段土体的开挖和支护，第4、5步模拟5#～6#桥墩所在区段土体的开挖和支护，第6、7步模拟6#～7#桥墩所在区段土体的开挖和支护，第8、9步模拟7#～8#桥墩所在区段土体的开挖和支护，第10、11步模拟8#～9#桥墩所在区段土体的开挖和支护.

4#～6#桥墩区段隧道的开挖深度小于6#～9#桥墩区段.围岩最大竖直方向位移为8.82 mm，最大水平方向位移为1.86 mm，均位于8#～9#桥墩区段围岩，表明围岩位移与隧道开挖深度有很大关系，开挖深度越大围岩位移也将越大.结合7#桥墩的A点和8#桥墩的C点数值计算结果以及A、C正上方地表沉降值与地表沉降监测数据得出沉降变化折线图如图7所示，随着开挖的靠近，桥墩和地表的沉降值逐渐增大，A、C正上方地表沉降值的监测数据最大值分别为1.80 mm、1.90 mm，略大于数值计算结果的1.17 mm、1.36 mm，监测数据与模型计算结果变化基本吻合，趋势都是随着隧道开挖的靠近而增大，符合隧道开挖变化的一般规律.A、C两点在整个施工过程中地表沉降值大于桥墩沉降，区间隧道的开挖将导致桥墩由原来的受正摩擦力转换为受土体的负摩擦力作用，对桥墩的受力将十分不利，必须采取措施减小地表沉降.

图6 4#～9#桥墩沉降取点

图7 隧道施工引起的沉降

3.2 桥墩位移分析

桥墩位移云图如图8、图9所示，该段隧道开挖后，在侧向围岩压力的作用下，导致4#～9#桥墩及基础产生一定的水平位移和竖直位移，隧道开挖后 4#～9#桥墩水平移动最大值为0.81 mm，位于9#桥墩底部，随着桥墩与隧道距离的减小水平位移逐渐增大.9#桥墩的竖向位移发生在靠近开挖区间隧道的一侧，位移向下，最大沉降量为0.50 mm，桥墩远离开挖的一侧竖向位移向上，最大值为0.35 mm，竖向最大位移与水平最大位移均发生在9#桥墩.

图8 4#～9#桥墩竖向位移图

图9 4#～9#桥墩水平位移图

A、B、C、D 4点的沉降变化曲线如图10所示.不同开挖步对桥墩的影响各不相同，第2步到第5步的开挖与支护虽然施工范围较大，但与7#桥墩、8#桥墩相距较远，桥墩受到的影响较小.第6步开挖至7#桥墩，A、B两点的沉降明显增大，第7步支护的进行桥墩沉降趋于稳定，随着隧道开挖的进行，第8步和第9步的施工在8#桥墩上表现出同样的沉降规律.A、C两点的沉降值大于B、C两点，A点沉降值为0.42 mm，小于C点沉降值0.46 mm，表明桥墩离开挖区越近所受到的影响将会越大.

图10 7#、8#桥墩位移动态分析图

3.3 桥墩应力分析

地铁区间隧道开挖后桥墩基础顶面竖向应力和水平应力值见表2，6#桥墩桩身长度是9#桥墩的1.008倍，6#桥墩与明挖隧道之间的距离为 9 #桥墩的1.2倍，6#桥墩的竖向应力与水平应力分别为9#桥墩的0.62 倍、0.34倍，表明桥墩应力与开挖区的距离有关；7#桥墩与明挖隧道之间的距离为6#桥墩的1.015倍，7#桥墩的高度为6#桥墩的1.08倍，7#桥墩的竖向应力与水平应力分别为6#桥墩的1.27倍、1.44倍，表明桥墩应力与桥墩桩身长度有关.

表2 开挖后桥墩应力值

3.4 锚杆支护应力分析

环线隧道开挖导致围岩变形，使岩体应力重分布，围岩开挖后锚杆对隧道的加固与支护有着十分重要的作用.隧道开挖后锚杆轴力云图如图11所示.由云图可知锚杆轴力随着区间隧道开挖深度的增加而增加，整个区间隧道锚杆所受最大轴力为7.07 kN，小于《公路隧道设计规范》[8]要求，锚杆轴力处于安全状态.

图11 锚杆轴力云图

4 结论

通过三维有限元模型对明挖隧道施工过程进行数值模拟计算，结合实际监测数据分析其对邻近高架桥桩基的影响，可以知道：1）A、C两点正上方地表沉降值的计算分析结果与监测数据基本吻合，地表沉降值随着开挖的靠近而增大，随着隧道支护的施作而逐渐趋于稳定.2）隧道开挖对围岩和桥墩有着不同程度的影响，围岩沉降远大于桥墩沉降，这种沉降差将导致在整个施工过程中桥墩将受到土体的负摩擦力作用，使桥墩受力处于十分不利状态，必须及时对围岩进行支护减小围岩变形从而减小桥墩受到的负摩擦力.3）隧道开挖对同一桥墩两侧位移有不同的影响，开挖区近端位移向下，远端位移向上，桥墩的不均匀沉降将引起桥面发生倾斜，从而影响桥梁的受力.4）桥墩应力不仅与开挖隧道的距离有关还与桥梁桩基长度有关，隧道开挖时应对长桩身桥墩和近距离桥墩加强监控.综上，隧道离桥墩越近，工程对桥墩的位移、应力影响越明显.因此，近距离施工时应减慢开挖速度，及时进行围岩支护，对地表沉降进行监测.本文未分析桩身长度和桥墩与开挖区距离两个因素分别对桥墩的影响规律，今后研究可以结合桥墩的现场监测数据对二者的不同影响程度进行进一步分析.

[1]KITIYODOM P,MATSUMOTO T,KAWAGUCHI K.A simplified analysis method for piled raft foundations subjected to ground movements induced by tunneling[J].International Journal for Numerical&Analytical Methods in Geomechanics,2005,29(15):1485-1507.

[2]任建喜，李庆园，郑赞赞，等.盾构诱发的地表及邻近建筑物变形规律研究[J].铁道工程学报，2014(1): 69-75.

[3]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，2011,38(2):621-628.

[4]姜玉龙，蔡邦国.海堤与高架桥叠交对桥桩影响与优化设计研究[J].公路，2015(12):82-89.

[5]孙阳，张倩，姜清辉，等.地铁隧道开挖对邻近车站雨篷柱的影响预测[J].施工技术，2015,44(S2):365-369.

[6]童立元，张德富，余威，等.新建隧道超近距离穿越既有地铁隧道变形规律分析[J].地下空间与工程学报，2013,9(S2):1940-1945.

[7]马灵.基于数据控掘的遂道施工地表沉降规律研究[D].武汉：华中科技大学，2013：60-66.

[8]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范：JTG D70—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[责任编辑：韦 韬]

A Numerical Analysis of the Impact of Urban Open Excavation of Subway Tunnels on the Viaduct Pile Foundation

WU Chao-jun
(College of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

In order to evaluate the impact of open excavation of subway tunnels on viaducts,in light of the construction of a tunnel in a certain section of the Chongqing rail transit loop line,this study constructs a three-dimensional model of the tunnel and bridge piers using the finite element analysis software MIDAS GTS to analyze the impact of the tunnel excavation on bridge piers,stress of the surrounding rock and displacement.Results show that after the excavation of the tunnel,the settlement of the surrounding rock and the piers is different and the bridge piles will be subject to negative friction effect of the surrounding rock;the pile foundation displacement is downward where the tunnel excavation occurs close to the pile and the pile foundation displacement is upward when the excavation occurs at a distance from the pile;the stress effect of the excavation load on the pile foundation is not only related to the distance between the bridge pile and the tunnel being excavated but also to the height of the bridge pile foundation;the maximumaxial force of the tunnel supporting is 7.07 kN and can meet the requirement of safety stability.

subway tunnels;open excavation;pile foundations;settlement;numerical simulation

U465.33

A

1006-7302（2016）03-0030-05

2016-04-06

吴超俊（1992—），男，湖南娄底人，在读硕士生，主要从事隧道及地下工程方面的研究.