地铁明挖法隧道结构下部增设工程桩的受力分析研究

高 鲲

(中铁二院工程集团有限公司， 四川成都 610031)



地铁明挖法隧道结构下部增设工程桩的受力分析研究

高 鲲

(中铁二院工程集团有限公司， 四川成都 610031)

文章采用MIDAS_GEN结构计算软件，研究分析了城际铁路矿山法隧道下穿地铁明挖法隧道施工，为了保证地铁明挖法隧道的安全，在明挖隧道底板下方增设工程桩，由此导致明挖隧道结构的内力重分布。在分析中，根据不同的边界条件建立了不同的模型。对比分析得知：在建模计算时，可采用将桩基模拟为竖向约束来进行受力计算和配筋，相比于不设置桩基的边界条件，边支座要加强配筋，跨中适当减弱配筋； 应将桩基模拟为固定支座的计算结果与不设桩基的计算结果互相验算，包络设计；同时应验算桩头配筋是否能够承受桩头弯矩。

地铁； 明挖法隧道； 矿山法隧道； 工程桩

随着我国城市地铁建设的飞速发展，地铁隧道施工的外部边界条件也变得越来越复杂。其中，地铁隧道下穿既有建构筑物或其它隧道下穿地铁隧道等，均为研究的热点和难点。

本文以实际工程为例，运用MIDAS_GEN结构计算软件建立模型，分析计算因某城际铁路矿山法隧道下穿地铁明挖法隧道，而引起的内力重分布特性。

1 工程概况

在东莞地铁R2线某站区间，设置有一段明挖法隧道。在此明挖法隧道段下方为拟建某城际铁路项目的矿山法隧道，平面关系如图1所示。城际铁路矿山法隧道与地铁明挖法隧道围护结构桩底最小竖向距离约0.7 m，与地铁明挖隧道底板最小竖向距离约6.5 m，夹层土主要为<6-3>硬塑状粉质粘土，纵断面关系如图2所示。由于矿山法隧道施工进度滞后等原因，造成很难满足矿山法隧道施工在前、地铁明挖法隧道施工在后的工序要求；经研究与协调，拟变更为明挖隧道先做，矿山法隧道后做，明挖隧道增设工程桩为矿山法隧道下穿通过提供条件。工程桩沿明挖结构的侧墙及中隔墙等间距布置，并在桩顶设置了纵向连梁，标准断面如图3所示。

图1 上部明挖法隧道与下部矿山法隧道平面关系

图2 上部明挖法隧道与下部矿山法隧道纵剖面关系

图3 明挖隧道结构增设工程桩典型断面(单位:mm)

2 建模思路及分析

上部为明挖法隧道结构，下部为矿山法隧道，而且先上后下施工，为了防止下部矿山法施工的影响，在明挖主体结构下部增设工程桩是有必要的，但是，增设工程桩之后，对主体结构的内力分布影响较大，且由于边界条件为假设，存在不可确定性；计算中，只能选取最不利工况，即：矿山法隧道溜塌导致明挖隧道底板下部土体塌空，因为设置桩基之后，即使是矿山法隧道施工中沉降控制在规范允许的范围内，也会导致明挖隧道主体结构与地基土体脱离。

为了进行对比分析研究，首先根据边界条件的不同，建立不同的计算模型，模型的具体分类如下：

(1)模型1：原始条件，无桩，下部土体稳定，如图4所示。

(2)模型2：变更后，设桩，并将桩模拟为竖向约束，下部土体塌空，如图5所示。

(3)模型3：变更后，设桩，并将桩模拟为固定支座，下部土体塌空，如图6所示。

(4)模型4：变更后，设桩，模拟无刚度折减的桩，下部土体塌空，如图7所示。

(5)模型5：变更后，设桩，模拟刚度折减后的桩，下部土体塌空，如图8所示。

图4 模型1

图5 模型2

图6 模型3

图7 模型4

图8 模型5

设置桩以后较未设桩前，顶板的边支座、侧墙的上边支座弯矩有一定程度增加，增加幅度约20 %；底板边支座弯矩是增大还是减小，与桩的刚度有直接关系，刚度极大则增加，刚度有限则适当减小。顶板跨中弯矩均减小约9 %，底板跨中弯矩减小约30 %。

3 存在的问题

由于桩基是按照嵌岩桩设计，因此在模型计算中，桩基模拟过程中长度的选取存在一定问题。明挖隧道下部塌空不可能一直塌空到桩底。计算模型中，桩长模拟多少存在不可确定性(模型4、模型5均按照夹层土塌空模拟桩长)。

设置工程桩后，桩基除了按照建筑、桥梁等桩基设计规范设计之外，由于桩基与主体结构是刚性连接的关系，因此还应充分考虑桩头的配筋是否能够满足弯矩计算要求。

桩基设置在侧墙及中隔墙下方，间距约6 m均匀布置。这可能导致明挖隧道结构墙体变为跨度为6 m的深受弯构件，此问题有待进一步分析研究。

4 结束语

明挖隧道结构下部设置工程桩，在模型计算时，可采用将桩基模拟为竖向约束来进行受力计算和配筋。相比于不设置桩基的边界条件，边支座要加强配筋，跨中适当减弱配筋。同时，应将桩基模拟为固定支座的计算结果与不设桩基的计算结果互相验算，包络设计。最后，还应验算桩头配筋是否能够承受桩头弯矩。

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[定稿日期]2017-02-19