桩基施工对既有通车隧道扰动影响分析

王洪德，全浩

(1.大连交通大学 土木工程学院，辽宁 大连 116028；2. 大连交通大学 隧道与地下结构工程技术研究中心，辽宁 大连 116028) *

桩基施工产生的应力波与列车经过隧道时产生应力波耦合作用对隧道产生的振动影响是一个较为复杂的问题.这种耦合作用对隧道造成的不利振动影响不可忽略.严重时，甚至会造成隧道衬砌出现裂缝、垮塌等扰动现象.因此，研究桩基施工对既有通车隧道振动影响的问题具有重要意义.

丁智[1]利用Plaxis软件构建了“桩-隧道”三维有限元模型，研究了桩基施工对既有地铁隧道影响的问题，得出了在隧道侧面进行桩基施工时，隧道会出现沉降较大的情况；丁智[2]通过模型试验、数值仿真等方法对近距离桥桩施工对地铁隧道的影响进行了理论分析，总结了研究该问题国内外的众多成果；吕宝伟[3]利用Midas/GTS软件建立了有关“桩-土-隧道”的有限元模型，采用数值模拟方法研究了桥梁桩基施工对隧道管片内力及变形的影响，得出了隧道发生变形的最大数值及变形的控制标准；杨敏[4]通过总结国内外关于桩基础与地铁隧道相互影响的研究现状，得出了非挤土桩对既有隧道影响小等结论；陈昭[5]利用Simpack软件建立了“车-线-隧道”的三维有限元模型，采用数值模拟的方法研究了地铁隧道在“车-随耦合”条件下的动力响应，认为隧道衬砌底部的动力响应程度较大；郭宏伟等[6]通过列车荷载激励公式，分析了耦合作用下随道结构的动力响应，得出了在仰拱与边墙连续处出现应力集中的结论；杨文波等[7]利用模型试验的方法研究了盾构隧道和邻近土体在列车通过情况下所受的动力响应，认为隧道结构的底部和顶部的动力响应频率最高；苟明中[8]采用数值模拟方法对列车影响下的重叠盾构隧道的受力进行了分析，给出了隧道上调管片的最大弯矩增量值；刘维宁等[9]通过振动转换公式和实测的振源数据，研究了列车区间预测点的振动响应，得出了预测点不同的振动频率；范思婷等[10]利用实测方法，对列车引起隧道振动进行了研究，认为隧道所受的中高频率振动方式主要有横向和竖向2种.

目前，国内外学者开始关注桩基施工对邻近既有通车隧道影响的研究工作.本文结合实际工程概况，建立“桩-土-隧道”的三维有限元模型.从三维方向上分析既有运营隧道在桩基施工情况下所受的动力响应，以便找出隧道不利振动区域和拉应力区域，以期为类似工程抗振安全技术措施的制定提供技术支持.

1 工程概况

某码头打桩工程所在区域属软土地质条件，邻近的既有通车隧道外径r1=9 m，内径r2=8.4m，衬砌厚0.6 m，隧道埋深为18 m[11].该条隧道主体采用装配式钢筋混凝土材料，混凝土强度为C60，抗渗等级为P10.桩基施工中桩的类型采用预制方桩的形式，桩桩基尺寸50 m×0.6 m×0.6 m[11]，断面配筋图如图1所示.

图1 桩基断面纵筋配置图

该桩基工程所在区域的土层参数见表1，工程地质参数见表2，实际工程中桩和隧道参数见表3.

表1 土层参数

表2 工程地质条件

表3 桩、隧道参数

2 计算模型

2.1 桩-土-隧道共同作用模型

为分析既有通车隧道在桩基施工作用下三维方向的动力响应，模型中的隧道深度取80m，土体模型尺寸200 m×80 m×124 m.“桩-土-隧道”三维数值模型如图2所示.

图2 桩、土、隧道的三维数值模型

2.2 桩-土-隧道的动力接触

通常情况下，相同介质间可忽略切向变形的影响，土与土之间的接触方式采用共节点接触方式；不同介质间(土与桩、土与隧道)应考虑不同介质接触时产生的切向变形影响，故土与桩、土与隧道的动力接触方式采用自动面面接触(ASTS)[12-13].阻尼对于应力波的传播效应具有重要影响，为达到仿真效果的真实性，将桩、土、隧道的阻尼均设为0.05[14].

2.3 模型参数

单元类型选择过程中，对于PART7部分的区域采用边长为2m的正三角形，其余均采用边长2m的四边形.

(1)桩顶荷载的施加

桩顶处施加F=150kN的集中荷载，作用时间取0.08s，加载方式为三角形，如图3所示.

图3 冲击力的加载曲线

加载的具体数组如表4所示.

表4 载荷及时间数组表

(2)地铁列车振动荷载的施加

2) SST的运动是有方向的，多帧积累后，其回波会呈现具有一定长宽比的、较规则的“线状”或“航迹状”形状，如图1(b)所示。

地铁列车经隧道时对轨道产生的竖向轮轨力大致分为3个频率范围(低频、中频和高频范围)[15].因相对运动作用，列车对悬吊部分产生的低频段在0.5～5 Hz内；列车车轮对钢轨的回弹作用产生的中频率段在30～60 Hz；轮轨与钢轨接触产生的抵抗作用频段在200～400 Hz内.列车运行过程中产生的竖向激振力：

F=P0+P1sinw1t+P2sinw2t+P3sinw3t

(1)

式中，P0为车轨静荷载，P1、P2、P3为振动荷载的典型值，且

Pi=M0aiwi2(i=1,2,3)

(2)

车速对应不平顺振动波长的圆频率：

wi=2πv/Li

(3)

式中，M0为列车簧下质量，ai为典型矢高，v为列车行驶速度，Li为典型波长.

若P0=8 000 N，M0=750 kg，L1=10 m，a1=3.5 mm，L2=2 m，a2=0.4 mm，L3=0.5 m，a3=0.08 mm，v=108 km/h，由以上各项参数可知列车竖向激振力F=92 kN[15].

地铁隧道加载列车荷载的示意图如图4所示.

图4 列车荷载施加的示意图

3 实例验证

为了保证建立“桩-土-隧道”模型的准确性，通过LS-DYNA模拟出距桩心5、10、20m处地表振速的曲线图如图5所示.

(a) 距桩中心5 m处

(b) 距桩中心10 m处

(c) 距桩中心2 m处图5 地表振速曲线

表5 实测与计算对比表

由表5可知，本模型距桩心5、10、20 m地表振速的计算值与资料距桩心5、10、20 m地表振速的实测值高度吻合，可判定所建模型是准确的.

4 列车荷载与桩基施工耦合作用下隧道动力响应

列车经隧道产生的振动荷载与桩基荷载耦合作用下，隧道所受的振动云图和应力云图如图6所示.

(a) 振动云图

(b) 应力云图图6 隧道所受的振动和应力云图

由图6(a)可以看出，隧道的不利振动区域主要集中在单元H384017～H384023、单元H383977～H383983、单元H384003～H384009和单元H384083～H384089区域内；由图6(b)可以看出，隧道所受拉应力大的区域为单元H384155～H384156、单元H384194～H384198和单元H384233、单元H384237范围内.为了减小振动荷载与冲击荷载耦合作用对隧道的不利影响，达到减振抗拉目的，在隧道振速和拉应力大区域加装阻尼结构或阻尼元件、增加壁厚等方法可起到减振、抗拉的效果.

隧道截面沿x、y方向和z方向的最大振速曲线如图7所示.

图7(a)表明，隧道截面在节点277405处达到振动速度的最大值，大小为4.6 mm/s.图7(b)为隧道沿z方向在节点275212处达到振动速度的峰值，大小为4.4 mm/s.隧道沿z方向达到最大振速的时间比隧道截面沿x、y方向达到最大振速的时间少0.5 s，说明隧道在振动荷载与桩基荷载耦合作用下，列车沿隧道z方向的振动荷载更易引起隧道产生不利的振动作用.振动荷载和桩基荷载引起隧道不利振动和拉应力的区域较隧道只在桩基荷载作用下的区域更加广泛，因此为了减小这些不利影响为隧道带来的危害，除了采取增加壁厚的方法外，结合屏障隔振的方法，在隧道底部安装波阻块，于隧道附近设置缓冲带和围栏桩等均可减少隧道不利扰动的影响.

(a) 隧道截面沿x、y方向

(b) 隧道沿z方向图7 隧道截面沿不同方向的最大振速曲线

5 结论

通过桩基施工对既有通车隧道的动力扰动响应分析，得出以下结论：

(1)桩基施工与通行列车的耦合作用导致既有通车隧道的最不利的振动区域集中在隧道底部单元H384017～H384023、单元H383977～H383983、单元H384003～H384009、单元H384083～H384089的范围内;

(2)耦合作用导致既有通车隧道最不利拉应力集中区域位单元H384155～H384156、单元H384194～H384198、单元H384233和单元H384237范围内;

(3)隧道截面沿x、y方向在节点277405处达到最大振动速度，其峰值4.6 mm/s；隧道截面沿z方向在节点275212处达到最大振动速度，峰值4.4 mm/s;

综上所述，对于隧道振动大的区域和拉应力集中地区域，应考虑安装波组块等减振措施以减少通车隧道所受的不利扰动影响.