大直径桥梁桩基施工对临近既有隧道结构的影响分析

杜亚光,曾向往,向 毓

(1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司 武汉市 430015;2.湖北省城建设计院股份有限公司 武汉市 430051)

0 引言

在城市高架桥建设过程中,经常会与既有地铁隧道相遇。高架桥桩基施工产生的挤土、挖土效应以及桩基承受荷载后的桩土摩擦效应都会导致隧道结构的受力和变形状态发生改变。大直径桩基承受的桩顶荷载更大,挤土挖土量更大,扰动效应更为显著。

刘鹏等通过对实际工程进行三维有限元分析,认为桩基施工对区间结构的竖向影响远大于水平影响[1];王立峰等研究了钢套筒灌注桩施工对地铁管片位移和附加应力的影响趋势,得出管片水平位移影响大于竖向位移的结论[2];丁智等采用数值分析方法分析了隧道埋深、桩基隧道净距、桩径等因素变化时,静压桩基施工对软土地区既有地铁隧道的影响[3]。上述研究表明,随着桩基与隧道结构间的结构构造、地质条件、两者间的相对位置关系等因素变化,桩基施工对既有隧道结构实际表现出的影响存在一定规律,但并无固定趋势,最敏感参数也因工程特点而异。现有研究成果中,工程桩基直径均较小,未能直观反映出大直径桩基的施工影响特征。

1 工程背景

某新建高架桥与既有城市地铁区间平面交叉,桥梁主跨跨径为96.0m,桥宽20.5m,桥墩竖向荷载较大,故基础采用4根直径2.0m的钻孔灌注桩群桩基础,同步建设天桥坡道基础,采用1.3m钻孔灌注桩;相交地铁区间段双线布置,结构断面为圆形,外径6.2m,采用盾构法施工。平面位置关系如图1所示。

图1 平面位置关系图

主桥群桩基础距离地铁区间结构外边线最小净距为7.06m,典型断面如图2所示。天桥桩基距离地铁区间结构外边线最小净距为14.4m。

图2 典型剖断面图(单位:m)

桥梁桩基为嵌岩桩,持力层为(5a-2)中风化粉砂质泥岩,区间结构主要位于(2-5)粉质黏土夹粉土、(2-6)粉质黏土夹粉土和粉砂层。

通常,地下车站及区间结构外边线外侧50m范围为控制保护区。该区域内施工作业对既有区间结构的影响需进行分析与监测,再根据净距情况判定接近程度,进而确定施工作业对区间结构的影响等级[4]。

该工程主桥桩基础及天桥部分桩基础施工均处于控制保护区内,最小净距为7.06m,介于1～2倍隧道结构外径范围内,影响等级为一级。

2 有限元模拟

根据工程情况,应用Midas GTS NX软件建立整体分析三维计算模型,模拟高架桥桩施工全过程,重点分析高架桥桩施工过程中邻近地铁区间结构的变形及内力情况,进而评估地铁结构和运营安全状态。

按照基于模型计算范围的控制原则,边界条件不能过大地影响关键部位计算结果。选取模型计算范围为长80m,宽80m,土层计算深度为80m。有限元模型见图3和图4。

图3 有限元整体模型(单位:m)

图4 结构物有限元简图(单位:m)

为更好地模拟钻孔灌注桩成桩过程,桩单元采用实体+界面单元的形式,桩土间设置摩擦接触单元,盾构管片采用板单元,结构模型均为弹性本构。通过桩周薄壁单元模拟渗透条件变化,通过修改单元属性模拟混凝土硬化过程。

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边界条件:模型底部约束竖向位移,模型前后两面约束横桥向位移,模型左右两面约束纵桥向位移。

工况分析:主要分为10个工序,见表1。通过工序3,位移场清零,模型中位移结果仅计入新建桥梁结构的影响;通过分阶段模拟桩基的开挖和灌注,主桥与天桥桩基分阶段施工,可进一步分离出各施工环节的影响效应。

表1 施工工序划分

3 影响分析

3.1 位移分析

通过数值计算得出,高架桥施工完成时区间结构水平最大位移为0.379mm(向靠近桩基方向移动),竖向最大位移为1.668mm(向下),总位移最大值1.67mm,总位移云图如图5所示。

图5 上部结构施工完成后区间结构总位移云图(单位:mm)

各工况下地铁区间结构的横向位移、竖向位移及总位移变化趋势见图6。

图6 各施工阶段区间结构位移

针对该工程,对比《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202-2013)[4]中的城市轨道交通结构安全控制指标值可以发现,桩基施工对区间结构造成的位移较明显,但满足相关要求。其中对竖向位移的影响明显大于对水平位移的影响。

水平位移在主桥桩基开挖阶段影响最为显著,桩基施工完成后基本收敛,位移方向朝向桩基开挖一侧。

竖向位移在桩基施工阶段影响较大。后期桥梁上部结构施工期间,桩基承受巨大的竖向力,并通过桩土作用传递至隧道区间结构,从而导致该阶段竖向位移发生显著变化。结构各点位移随距离桩基的位置增大而减小。

3.2 内力分析

高架桥施工完成时隧道结构单元的弯矩及内力云图分别见图7、图8。

图7 上部结构施工完成后区间结构弯矩云图(单位:kN·m)

图8 上部结构施工完成后区间结构轴力云图(单位:kN)

统计各施工阶段区间结构内力值变化情况,如表2所示,相对桥梁施工前的初始状态,区间结构弯矩值累计增加约4.9%,轴力值累计增加约1.75%。

表2 施工阶段区间结构内力值统计表

可以看出,在整个施工阶段,区间结构弯矩及轴力的增幅均较小,其中轴力增幅低于2%,该内力增量对结构受力破坏的威胁近似可以忽略。

此外,天桥桩基施工对隧道结构的位移和内力影响均较小,这表明相对于主桥桩基,天桥桩基与隧道结构净距增加约7m后,施工影响效应的削减非常明显,净距属于施工影响非常敏感因素。

4 结论

通过建立三维有限元模型,分析了桥梁大直径桩基施工阶段既有隧道结构位移及内力变化趋势,得出以下结论:

(1)桩基施工对既有隧道区间结构影响显著。该阶段桩基钻孔开挖对土体有应力释放作用,为降低应力释放效应的不利影响,防止塌孔可能导致的不利影响进一步扩大,既有隧道附近施工桩基宜采用护筒跟进并穿越隧道结构所在土层,以保证桩基施工中孔壁稳定,制约桩基施工影响,避免区间结构出现不可控变形。

(2)根据计算结果可知,桩基施工引起既有隧道结构物内力的增量很小,实际工程中通常可忽略不计;位移变化量较明显,其中竖向位移为最敏感点。

(3)现有研究成果显示,桩基近接施工时既有隧道结构发生的水平位移较竖向位移更明显,而文章基于大直径群桩桥梁工程的分析反映出竖向扰动为最敏感点,这表明隧道结构位移方向敏感程度并无固定规律。大直径桩基往往承受巨大竖向荷载,如文章所示高架桥主跨达到96m,墩顶反力达到35000kN,产生的桩土摩擦效应对既有隧道结构影响显著,超过了桩基开挖的挖土挤土扰动效应,该现象应引起同类工程重视。