桥梁桩基近接既有隧道的数值模拟分析

龚 伦,马相峰,孔 超,梁振宁,吴金霖

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳 621010)

随着我国高铁建设和高速公路建设的迅速发展，高铁网络和高速公路网络不断完善，这也使得高铁与高速公路近接施工愈发普遍，尤其是高速公路桥梁桩基与既有隧道的近接问题，近些年成为近接施工研究的热点之一。桥梁桩基的开挖、施工以及后期的车辆荷载，必然会引起邻近既有隧道的附加变形和内力，对其造成不利影响[1-2]，如何科学预测近接施工中桥梁对既有隧道的影响，以确保既有隧道的正常使用和新建桥梁施工的顺利进行，对我国高铁建设和高速公路建设具有重要的指导作用[3]。

在隧道周围施工的卸、加载作用会使隧道上覆岩土“活化”，并对既有隧道结构造成影响，地下工程近接施工影响最本质的原因是新建工程的施工引起围岩应力状态再次重分布，从而导致一系列的力学行为变化[4]。不少专家学者对地下结构近接施工及影响分区进行了研究[5-20]，但大都集中在隧道与隧道或者隧道与既有建筑上，较少关注桥梁桩基近接既有隧道时的影响。

本文利用ANSYS将桩基与隧道简化为平面应变问题，在分析桩基与隧道结构净距的基础上，增加了隧道在桥梁桩基长度变化时的变形和内力分析。鉴于二维数值模拟不能得出围岩和支护结构在整个施工过程中的纵向力学效应，同时也不能完全将时间和空间效应模拟出来，因此对即将修建的宜毕高速公路斑竹林大桥上跨成贵铁路青岗脚隧道工程进行三维建模计算，与平面分析结果进行对比研究，并给出了桥梁施工的可行性评估和建议。

1 控制标准

鉴于混凝土抗压强于抗拉的特性，以既有隧道拱顶处容许拉应力为依据，确定隧道位移沉降的控制阈值。由沉降引起的既有结构变形规律可知，由于桥梁桩基的修建，产生“加载”作用，隧道内侧受拉较为严重。根据铁路隧道的正常使用要求，隧道在地层变位时所产生的变形应力不应超过其容许应力，建立隧道受施工影响的受力模型，见图1。

图1 下部隧道变形受力模型

由图1可以推得

(1)

将ΔL=[ε]Li代入式(1)可得

(2)

式中，[SP]为隧道拱顶处地层的最大垂直沉降；[ε]为容许应变，[ε]=[σ]/E，E为隧道衬砌混凝土弹性模量；Li为隧道计算单位长度。

二次衬砌按照刚性结构分析，由于刚性结构在受力变形过程中其每个单位长度的范围内变形是相同的，且在这个单位长度内超过极限变形结构就会开裂，故本次计算按单位长度(1 m)进行，取最小Li=1 m，由相关规范知，铁路隧道C35混凝土的容许弯曲拉应力为0.6 MPa，弹性模量为32.5 GPa，则由式(1)计算允许垂直沉降为Spmax=6.0 mm，考虑施工期间的安全性，建议取Spmax=2.0 mm。

考虑既有结构的健全度及容许位移富余度，其控制标准为：(1)线路轨道10 m弦测量的轨向偏差、高低偏差和三角坑均应小于3 mm；(2)隧道二衬结构压应力应小于26.0 MPa，拉应力应小于2.4 MPa；(3)二衬结构竖向位移应小于2 mm。

2 桩基与隧道近接影响研究

2.1 计算模型

将隧道与桩基近接简化为平面应变问题，采用有限元分析软件ANSYS对桩基造成邻近隧道的影响进行分析，围岩和桩基用Plane42单元模拟，二次衬砌用Beam3单元模拟。将决定隧道与桥梁位置关系的水平距离X和桩长L分别以隧道洞径D和埋深H进行替换表示[21]，计算工况见表1，计算工况的基本模型见图2。

表1 计算工况

图2 计算工况模型示意

2.2 物理力学参数确定

宜毕高速公路叙永支线斑竹林大桥与成贵高铁青岗脚隧道所处地层物理力学参数和桥梁及隧道的相关参数见表2。参考工程地质勘察资料，考虑到桩基的荷载作用面均已进入持力层[22]，为方便计算，围岩均按中风化页岩。

表2 相关物理力学指标

2.3 计算结果分析

2.3.1 影响分区

为了正确模拟新建桥梁对既有隧道的影响，主要分4个阶段对这一过程进行模拟：①隧道开挖前地应力平衡；②模拟隧道开挖；③桩基施工；④施加桥梁结构及汽车荷载。

计算过程中隧道采用全断面一次开挖，围岩释放率取30%，考虑桩基上方桥梁、墩台和汽车荷载，根据设计资料和相关规范，估算单个桩基承受荷载约为1.5 MPa。

图3为距离隧道不同位置桥梁桩基对隧道水平和竖向位移的影响曲线，图4为距离隧道不同位置桥梁桩基对隧道最大压应力和最大拉应力的影响曲线，负值代表受压，正值代表受拉。其中，X为桩基距隧道边墙的距离，D为隧道洞径，H为隧道埋深。

图3 位移影响曲线

图4 应力影响曲线

由图3可知，桩基的施工对隧道水平位移的影响值最大为0.82 mm，竖向位移的影响值最大为4.08 mm，说明桩基对隧道水平方向的影响远小于竖直方向；随着桩基距离隧道位置的增加，桩基对隧道位移的影响逐渐减小后趋于稳定。

由图4可知，桩基施工造成隧道最大拉应力为1.23 MPa，最大压应力为9.45 MPa，符合混凝土受压强于受拉的特点；同位移变化一样，随着桩基距离隧道位置的增加，最大拉应力、最大压应力都逐渐减小后趋于稳定。

对比位移和应力变化曲线可以发现，在1.0倍洞径和2.0倍洞径左右，曲线斜率有较明显变化。 1.0倍洞径以内，斜率较大，说明此区域内隧道受桩基影响较大；1.0～2.0倍洞径之间，斜率较1.0倍洞径以内有所减小，说明此区域内，隧道受桩基影响相对减小；2.5倍洞径以外，斜率趋于水平，说明此区域桩基对隧道的影响趋于稳定，可以忽略。因此取1.0倍洞径为强影响区和弱影响区的分界，2.0～2.5倍洞径区域为弱影响区和无影响区的分界。

2.3.2 桩长影响

取强影响区0.5倍洞径位置，分析不同桩长对隧道竖向位移和最大压应力的影响，结果见图5。

图5 不同桩基长度对隧道的影响

由图5可以看出，在强影响区内，隧道位移和应力均随着桩基长度的增加而逐渐增大，说明桩长越长，对既有隧道影响越大；但是在桩长大于0.8倍隧道埋深时，位移和应力增加趋于平缓，说明此时桩长对隧道的影响程度趋于稳定，桩基继续加长对隧道的影响可忽略不计。

参照《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)[23]Ⅵ级围岩指标计算得出隧道为浅埋隧道，破裂面与水平方向的夹角为60°，隧道上方破裂面与桥梁桩基关系见图6。

图6 破裂面与隧道和桩基相对位置

由图6可知，0.5倍洞径处破裂区的深度为0.8H左右，恰好对应于图6中位移趋于平缓的转折点，桩基超过该深度时，隧道位移随着桩长的增加稍有增大，但趋势变缓。由此可以得出，一旦桩基伸入既有隧道潜在滑移破裂面以下，桩基继续加长对隧道的影响可忽略不计。

3 工程实例

3.1 工程概况

宜毕高速公路叙永支线在威信县城扎西镇南侧，于NK19+552.292处上跨在建的成贵高铁，交角为55°，交叉点位于成贵高铁青岗脚隧道上方距隧道出口约360 m。公路与铁路高差约49.8 m，铁路隧道埋深约25 m。叙永支线高速公路拟采用(45+65+45) m钢箱梁上跨成贵高铁青岗脚隧道，左右幅错孔布置，上跨隧道桥墩拟采用扩大基础。成贵高铁青岗脚隧道目前已修建完成，暂未投入运营。

拟建桥梁桩基长40～45 m，基本对应于平面计算中的1.6H，桩基与成贵高铁青岗脚隧道最近约为20 m，宜毕高速公路叙永支线斑竹林大桥与成贵高铁青岗脚隧道平面关系及立面关系见图7，即X/D=1.4，根据平面分析结果，在弱影响区内，会对隧道的稳定性产生影响，因此进行三维建模计算加以评估。

图7 桥梁与隧道相互位置关系示意(单位：m)

3.2 三维计算模型

根据工程实际情况建立模型，模拟计算采用FLAC3D有限差分通用程序。沿纵向取150 m，沿横向取240 m，深度取隧道仰拱下方60 m；前后、左右边界受水平约束，垂直方向底边界受竖向约束，顶面为自由表面；计算中桥梁桩基、上部结构、隧道衬砌等均采用弹塑性实体单元模拟，在整个计算模型中，采用六面体单元映射划分。三维数值计算模型及桥、隧相对位置关系见图8，物理力学参数见表2。

图8 三维模型及网格划分

计算施工工序分为以下7步，见表3。

表3 施工工序

3.3 结果分析

3.3.1 计算结果

各个施工工序下，隧道二衬最大竖向位移和水平位移、最大压应力和最大拉应力变化见表4。

表4 各工序下位移和应力变化

由表4可知，桥梁施工引起的隧道二衬最终位移为1.67 mm，小于2 mm；根据计算结果，提取轨道10 m弦的最大偏差为0.11 mm，远小于3 mm；隧道二衬最大压应力为4.47 MPa，远小于青岗脚隧道衬砌极限抗压强度26.0 MPa，最大拉应力为1.19 MPa，小于青岗脚隧道衬砌极限抗拉强度2.4 MPa。位移和内力均满足控制标准要求。

3.3.2 结果对比

宜毕高速公路叙永支线斑竹林大桥中跨钢箱梁左右两端桩基分别距成贵高铁青岗脚隧道28 m、20 m左右，即X/D介于1.4～2.0。由表5可知，三维计算结果与平面分析结果基本一致。

3.3.3 施工建议

为了确保成贵高铁青岗脚隧道既有结构及后续运营安全，建议上跨高速公路桥梁施工期间对隧道结构进行监测，并根据监测资料即时判断青岗脚隧道的工作状态，一旦监测数据异常，立即停止斑竹林大桥的施工，启动事故应急预案处理，分析监测结果预警的原因，研究对策，提出整改措施后再进行施工。

表5 平面计算与三维计算结果对比

由表4位移变化可知，施工步6(桥梁上部结构施工)引起了较大位移变化，因此在桥梁上部结构施工时，应严格控制施工过程，增加对隧道的监测频率；此外，在桥梁运营前期，宜对青岗脚隧道轨道变形继续进行监测。

4 结论及建议

通过ANSYS平面计算和FLAC3D三维建模分析，得出了桥梁桩基与既有隧道近接施工时的影响规律，对宜毕高速公路斑竹林大桥近接成贵高铁青岗脚隧道工程进行了可行性评估。

(1)桥梁桩基近接既有隧道施工时，依据桥梁桩基与既有隧道的距离，可划分为强影响区、弱影响区和无影响区，强影响区和弱影响区分界为1.0倍洞径，弱影响区和无影响区分界为2.0～2.5倍洞径区域。

(2)桥梁桩基近接既有隧道施工时，桩基越长，对隧道影响越大，一旦桩基伸入既有隧道潜在滑移破裂面以下，桩基继续加长对隧道的影响可忽略不计。

(3)斑竹林大桥桩基长度约为1.6倍隧道埋深，X/D=1.4，在弱影响区内，会对成贵高铁青岗脚隧道造成一定影响，但是隧道衬砌位移和应力均小于控制标准，满足结构受力要求。

(4)为了确保成贵高铁青岗脚隧道既有结构及后续运营安全，斑竹林大桥施工及后续运营过程中，宜对隧道结构和轨道变形进行监测，尤其在桥梁上部结构施工时加强监测频率，以便根据监测资料准确判断青岗脚隧道的稳定状态。