基于有限元数值模拟的穿越影响范围分析

韩佳君　雷恒　林峰　单常江　崔素敏　杨瑞　董晓娟　付立三　侯满宏　胡良君

关键词：穿越工程;影响区;数值模拟;桩基

近年来随着城市的发展，尤其是轨道交通及配套市政管线的兴建，越来越多的工程项目涉及穿越既有道路桥梁。根据赵龙等（2018）的研究，地面沉降为北京主要次生地质灾害。针对这方面问题，国内外不同学者对施工引起地层沉降从不同角度探讨过地层沉降分布特征。高程鹏（2021）研究发现，地下空洞上覆土层厚度越大，则其静力、动力稳定性越强。李涛等（2015）从分析破坏形式人手，发现地下空洞引起的软土地层地陷一般呈圆柱形破坏面，粗粒土地层地陷主要为圆形漏斗状塌陷，并结合数值模拟方法验证，为预测塌陷发展提供了很好的参考。卢春林（2016）针对隧道穿越桥梁工况改进Kent法用于评估风险。早期的研究有Peck（1969）沉降槽模型，认为沉降来源于土体损失，应用时可结合实际情况与后人对Peck公式的发展成果，选择合理模型。随着计算机计算能力的提升，数值分析方法在隧道、桥梁、道路、岩土、桩基等方面得到广泛应用，为同类工程的研究、设计、施工和评估提供了借鉴素材。房营光等（2003）在Peck公式基础上，假设地面下沉槽体积等于地层损失体积与土体密实度变化产生的体积增量之和，提出了改进的Peck公式，其实测结果与计算结果相当吻合。钱德玲等（2009）在桩土之间设置接触单元，结合当地工程实例，用模型拟合基桩静载试验曲线实测值，得到的接触单元能较好地模拟桩土相互作用，较好地反映桩土间作用力的传递规律的认识。上述研究聚焦土体受施工扰动后自稳能力、破坏形式、沉降分布特征和结构与土相互作用，为解决实际问题提供了宝贵的经验。但是，对于实际工程的一类特定工况，即对工程下穿（侧穿）桥梁下部结构工况下施工影响特征的讨论，相对较少。奚灵智等（2021）研究发现隧道穿越桥梁工况，表现出两种类型的沉降分布，即大范围沉降槽和局部似“拱形”。目前，北京地区对于此类特定工况，一般是参考DB 11/T 716-2019《穿越既有道路设施工程技术要求》划分主、次要影响区（以下简称“标准法”）。该规范在穿桥工况中的应用，存在两个主要问题：1）拟建工程“与桥梁下部结构接近关系判别定义不清”;2）拟建工程“对桩周土扰动范围按无桩情况套用的适宜性评价”。本次研究进行标准法与模拟条件下的数值分析方法（以下简称“数值法”）对比研究，讨论下穿（侧穿）桥梁下部结构工况下的施工影响特征，研究成果可为类似工程涉及到的开挖课题提供参考。

1工程概况

拟建暗挖隧道中线位于某南北向道路的中线以西23m，该道路被某东西向桥梁上跨，桥梁下部结构中承台、桩基平面位置见图1;隧道初支边缘距离该桥的承台边缘约5.3 m，11.6 m。穿桥段桥下路面标高46.84 m。

隧道顶板位于粉质黏土层③，覆土厚度约11.6 m，黏聚力27.4 kPa，内摩擦角18.4°，压缩模量E_s=6.7 MPa，标贯击数N=6.5击。隧道路由主要穿越粉细砂③₁，黏聚力0.0 kPa，内摩擦角25°;标贯击数N=28.3击。

既有S路道路设施重要性等级为A类（特别重要），穿越工程与Z桥2号轴桥桩接近关系为一般，与过街地下通道桥的接近关系为不接近，工程风险等级为二级。桥梁和地下通道被暗挖隧道侧穿，地层必然损失、应力释放，又因各结构部件与拟建隧道空间关系差异巨大，故必然造成不同范围与程度的影响。

研究工程对既有结构产生的影响，对保护周边设施安全稳定运营具有重要意义。为此，对工程穿越的影响进行标准法与数值法对比分析。

2影响评价的标准法

根据前述安全等级二级的判定结果，结合工程自身暗挖施工方式，按照对应的分类确定主、次要影响区（图2）。

主要影響区：自毛洞设计宽度的底部外缘斜向上引致地面形成交线，交线与毛洞外缘的水平距离为毛洞埋深H的0.6倍，两交线与毛洞设计宽度的底部外缘形成的区域为主要影响区。

次要影响区：位于主要影响区外，交线外扩至L₂等于H的1.5倍，与毛洞设计宽度的底部外缘围成的位于毛洞两侧的楔体范围。

隧道西侧分布一既有过街地下通道，尺寸为5m×2.5m，根据隧道埋深划定影响范围交路面情况（图3、图4），显示出过街涵洞位于穿桥段隧道次要影响区以外。

3有限元数值模拟方法

根据穿越工况利用Midas GTS NX软件进行有限元法数值模拟，为使得模型计算精度与速度相互协调，并且可以满足准确定性分析和一定程度的定量参考需要，对下穿工程进行一定程度的概化。

三维模型（图5）X方向长度70m，Y方向长度37.4 m，Z方向55 m。桥梁下部结构为盖梁双柱墩，每个墩柱配一双桩承台，承台尺寸2m×4.5m，桩径1.2m，桩长30m。隧道为直墙圆拱形式，外轮廓毛洞尺寸3.03m×3.38m。涵洞尺寸5m×3m。地层界面建为平面。模型所需地层参数参考地勘报告建立，不考虑泥浆等液体渗漏的影响。地层、盖梁、墩柱、承台及路基采用实体单元，地层及路基使用MM-C本构关系模拟，盖梁、墩柱和承台使用弹性本构。初支采用板单元，使用弹性本构模拟。桩基为梁单元，使用弹性本构模拟。桩土接触面摩擦作用采用桩单元，桩端单元可以在植入式梁单元的端部生成如图6所示，桩端单元表现出的是实体和节点的接触，类似在桩单元和桩端节点之间增加轴向弹簧刚度。边界条件采用位移边界条件。荷载考虑自重、路面通行均布荷载（15kPa）。模拟施工阶段依次为施工前相关设施及地质体在位移边界结合自重条件下的状态（位移清零），施加交通荷载，空（位移清零）、隧道施工。

4结果与分析

4.1数值模拟结果

竖向位移结果是隧道暗挖施工、地质体和既有桥梁及过街通道协同分析的重要指标。施工后桥墩最大沉降值为2.2 mm，双柱墩内横向差异沉降不大于0.2 mm，同幅内两轴顺桥向差异沉降不大于0.7 mm，桥下路面沉降5.0 mm（图7）。水平位移结果是评价基础倾斜的基本数据，数值计算桥梁双柱墩水平位移后换算墩柱倾斜最大值0.26‰。

节点的总位移结果为其X、Y、Z三方向位移绝对值的和，总位移数值大小，显示出受影响程度;其分布的空间范围，展示出受影响范围。模拟条件下总位移结果0～11.1 mm（图8）。

4.2对比分析

将根据标准法的结果与数值法计算结果对比得到：

1）标准法划分出的主、次要影响区范围与数值法在地表处结果分布基本吻合（图9），影响区分界位置自西向东依次结果为1.6mm，3.7 mm，3.0 mm，0.9 mm（图10）。

2）按照标准法划分，西侧桩基入主要影响区0.0m，西侧桩基人次要影响区6.8 m;东侧桩基入主要影响区5.1 m，人次要影响区5.8 m。在以数值法总位移结果2.5 mm区分主、次要影响区边界的条件下，西侧入主要影响区深度较标准法增加4.9 m，东侧入主要影响区深度较标准法增加5.8 m。在以数值法总位移结果0.9 mm区分次要影响区与非影响区边界的条件下，西侧桩基人次要影响区深度较标准法增加13.6 m，东侧桩基人次要影响区深度增加6.5 m。见图9。

3）过街通道桥按照标准法划分位于次要影响区外;按照数值法总位移结果0.9 mm區分次要影响区与非影响区边界的条件下，其位于次要影响区中，但受影程度较小。

4）数值法显示，西侧桥桩受影响范围（6.8 m+13.6 m=20.4 m）较东侧桥桩（5.1m+5.8m+6.5m=17.4 m）大，但就主要影响区范围而言，西侧（4.9 m）较东侧（5.1 m+5.8 m=10.9 m）小。也就是说，西侧桥桩较东侧受影响范围大、程度小，东侧桥桩较西侧受影响程度大、范围小。

标准法显示，西侧桥桩较东侧受影响范围小、程度小，东侧桥桩较西侧受影响程度大、范围大。

即，影响程度的判定，两种方法基本一致;影响范围的判定，结果不同。

5）主要影响区边线（1：0.6）和次要影响区边线（1：1.5）上点的总位移数值计算结果，与其所在位置坐标具规律性。越靠拟建工程，影响越大（图11）;在距离拟建工程一定距离的空间上存在受影响程度突变带，即曲线斜率变化大的带（图12）。

5结论

1）受桥桩进入地层较深影响，穿越影响范围较标准法所针对的非桥工况有所增大;穿越影响程度方面，与标准法主要影响区评价的结果基本一致。

2）施工扰动桩周土的影响，按无桩情况套用相关标准的划分方法是基本适用的，但对于有更高精度要求的工程，扩大影响区域范围似乎更加适用。

3）建议相关标准针对侧穿桥梁下部结构工况，进一步明确与桥梁的接近关系判定、两种影响区判定等内容细节。