基于ABAQUS的某大桥桩基施工对邻近地铁隧道的影响研究

贾立夫

（东北林业大学 工程咨询设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150040）

为了缓解近些年城市交通压力越来越大的情况，各大城市均大力发展城市高架桥和地铁工程［1-4］。而城市高架桥与地铁隧道工程在施工过程中难免产生交叉，从而造成两者的相互影响［5-6］。尤其是城市高架桥在桩基施工时，其对周围的地铁隧道影响较大，对相关工程实例和研究总结可知［7-10］，由于高架桥桩基施工引起的地铁隧道变形较多，甚至会破坏地铁隧道结构，对公共财产和人员安全形成了巨大隐患［11-13］。因此，研究高架桥桩基施工对既有地铁隧道的影响具有重要意义。本文基于工程实例，基于有限元仿真计算的方式，深入研究了高架桥桩基施工对既有地铁隧道变形的影响，并得到有益结论。

1 工程概况

某城市高架桥全长6 980 m，桥梁标准宽度为23.5 m，双向6车道。该桥梁上跨城市2个地铁站、2条河和6条街。该高架桥上部结构共采用以下3种结构形式：连续钢箱梁、管制钢混组合梁和简支钢箱梁。该桥梁K2＋340～K5＋702段与该城市在建某地铁站平行且距离非常近。经过统计发现，共有近10处高架桥桥梁桩基与地铁隧道距离较近，其中106＃桥墩距离地铁隧道最近，其墩台的长和宽均为6.5 m，矩形承台的厚度为2.5 m，桩间距3 m，共计4个桩，桩径均为1.5 m，其中两个桩长为45 m，另外两个为55 m，在承台的角部对称分布，其与地铁隧道最小的距离为2.46 m。经过现场的地形质地资料，106＃桥墩所处的地形较为平坦，其地下地层种类繁多且各部分厚度较为均匀，其中地下水基本上为孔隙潜水。本高架桥桩基施工时，为了尽可能地减小对既有地铁隧道的影响，拟采用的施工方法为通过旋挖钻机全套管的工法［14］，具体为对孔壁利用套管进行支撑，同时为了出现缩径和塌孔等现象，取土在套管内完成。桥梁桩基施工的具体顺序为：测量放线→钻机等设备就位→埋设套管→搓入套管→旋转掏土→吊放钢筋笼→灌注混凝土。

2 有限元模型的建立

本文基于大型有限元软件ABAQUS建立三维有限元仿真模型研究高架桥桩基施工对既有地铁隧道稳定性和安全性的影响。本文选用摩尔-库伦模型［15］和线弹性模型［16］作为本构模型。桥梁桩基的桩径为1.5 m，桩长为45 m和55 m，采用C30钢混凝土。承台采用C40混凝土，护筒的钢材为Q345C。根据地勘资料，106＃桥墩地下各个土层的土体参数如表1所示。

表1 具体各土层土体参数Table 1 Soil parameters of specific soil layers

根据桥梁桩基施工的总体方案和进度来看，为了准确研究桩基施工对既有地铁隧道的影响，本文选取了3个关键的施工节点，分别将其定义为工况1、工况2、工况3：

a.工况1：桩基B施工成孔。在桩基施工时首先进行施工测量，确定桩基的位置，然后将护筒打入地层中，再利用钻机施打桩基B。

b.工况2：承台开挖。当完成4根桩基后，下一步为承台的开挖，在其施工过程中需去掉多余的桩基长度。

c.工况3：施加上部荷载于桩基上。当完成桥墩、承台和上部结构的施工后，基于设计院提供的图纸和桥梁稳定计算书，可计算得到桩基承受的应力，即每个桩为3 556.23 kN／m2。

本文基于有限元软件ABAQUS建立的有限元模型如图1～图4所示。

3 有限元计算结果分析

3.1 路面点沉降位移分析

根据有限元计算结果，可得3种工况下不同路面点位置的位移变化值如图5所示。

图1 桩基础及隧道有限元模型Figure 1 Finite element model of pile foundation and tunnel

图2 承台有限元模型Figure 2 FEM model of the cap

图3 施加荷载有限元模型Figure 3 Loaded finite element model

由图5可知，3种工况下路面沉降位移值的趋势均为逐渐减小，即越远离桩基的正上方，其位移值越小，其中3种工况下的最大位移值均出现在桩基B的正上方，其位移值分别为-1.568、-6.076、-4.901 mm。横向对比3种工况可知，工况2的位移值最大，其原因为由于开挖承台，将原有的应力平衡状态破坏，使得土体产生了向基坑方向的倾斜，其对路面沉降值的影响最大。

图4 模型的网格划分Figure 4 Meshing of the model

图5 不同路面点位置的位移变化图Figure 5 Displacement changes of different pavement points

图6为工况2整体竖向的位移云图。

图6 竖向位移云图Figure 6 Vertical displacement cloud diagram

由图6可知，工况2的基坑侧壁水平变形较大且坑底处出现了回弹的现象，上浮的最大值为1.79 mm，坑外侧土体的最大变形值为10.98 mm，坑外侧路面位移值分别为-6.076、-3.136、-1.764、-0.960、-0.990 mm。其变化趋势为距离桩基越近竖向位移越大，距离桩基越远竖向位移越小。

3.2 隧道拱圈沉降位移分析

隧道拱圈在3种工况下的位移变化如图7所示。

图7 3种工况下的位移变化图Figure 7 Displacement changes under three operating conditions

由图7可知，3种工况下位移值均为负值，其表示位移方向竖直向下，其中工况3的位移值最大，工况2次之，工况1最小。其中3种工况下，监测点4均发生了位移值变大，其中工况1时，其位移值为0.240 mm；工况2时，位移变大值较小，仅0.010 mm；在工况3时，其位移值相对较大，为0.882 mm。为了对其进一步研究，将监测点1和监测点4的数据单独进行分析，如图8所示。

图8 不同工况下监测点1、4的位移变化Figure 8 Displacement changes of monitoring points 1 and 4 under different working conditions

监测点4位于隧道的拱顶上，对其进行分析可知隧道拱顶的位移变化值。由图8可知：①监测点4的位移值变化为先减小后增大，其最大值为0.882 mm。②在工况1时，隧道拱顶发生竖直向下的位移，而后其位移值逐渐减小，其原因为由于承台开挖，土体产生了卸荷的现象，失去了原有的土压力平衡，释放了隧道土压力，使得隧道产生了上浮的现象。工况3时，由于进行了加载，隧道拱顶又产生了下沉的现象，其原因为上部荷载通过桩体进行了荷载传递，将荷载传递至周围的土体，土体挤压并将力传输至隧道上部，引起了变形。③隧道拱顶位移值变化较大出现在工况2和工况3，因此在施工时需特别注意。

监测点1位于隧道的侧壁上，对其进行分析可知隧道侧壁的位移变化值。由图8可知：①与拱顶变化趋势相同，其位移变化值也为先变小后增大，其中最大值为0.931 mm。②工况2隧道侧壁的上浮量稍小于拱顶的上浮量。工况3隧道侧壁的上浮量稍大于拱顶的上浮量，其主要原因为桥梁的桩基距离隧道侧壁更近，施加荷载之后，通过桩基传递至桩基的周围土压力，由于更近，其挤压力更大。③与拱顶位移变化相同，在施工时应特别注意工况2和工况3。

工况2和工况3的隧道竖向位移云图分别如图9、图10所示。

图9 工况2隧道竖向位移云图Figure 9 Cloud diagram of vertical displacement of tunnel in case

图10 工况3隧道竖向位移云图Figure 10 Cloud diagram of vertical displacement of tunnel in case

3.3 隧道水平收敛分析

根据有限元计算结果可知，隧道在3种工况下的水平收敛值如图11所示。

本文共选取了3个点 （sp1～sp3）进行隧道水平收敛研究，由图11可知：①随着施工的进行3个监测点的水平位移均逐渐减小，其表示隧道水平的净空值随着施工的不断进行先变大后逐渐恢复。其中sp1～sp3监测点分别为0.421 mm变化为0.196 mm、0.451 mm变化为0.118 mm、0.421 mm变化为0.216 mm。②水平位移的最大值出现在工况1，其原因为桩基开挖导致护筒挤压周围土体，相应地，周围土体也会产生挤压护筒的压力。从而出现了隧道一侧土体产生了位移。工况2和工况3的水平位移变小，其原因为施加上部荷载和完成了桩基混凝土的浇筑。水平收敛有限元云图见图12。

图11 3种工况下的水平收敛值Figure 11 Horizontal convergence values under three operating conditions

图12 地铁隧道水平收敛有限元云图Figure 12 Horizontal convergence finite element cloud map of the metro tunnel

4 结论

为了研究某城市高架桥桩基施工对既有临近地铁隧道的影响，本文采用有限元软件ABAQUS进行了有限元仿真计算分析，研究3种工况下关键剖面路面沉降、隧道拱圈沉降和水平收敛的变化规律，具体结论如下：①距离桩基越近，路面沉降值越大，路面沉降值的变化幅度为-0.147～6.076 mm；路面沉降的最大值出现在工况2开挖承台时，最大值为6.076 mm。②隧道拱顶和拱壁的沉降规律相同，均为先下沉、再上浮、最后由于上部荷载的施加再下沉。③地铁隧道的水平收敛变化规律为先变大、再变小、最后趋于稳定；水平位移的最大值出现在工况1，最大值为0.451 mm，最小值出现在工况3，最小值为0.18 mm。