基于数值模拟的新建桩基对隧道影响分析

(1.神华准格尔能源有限责任公司 内蒙古 鄂尔多斯 010300)

(2.重庆市明科建设咨询有限公司 重庆 404100)

随着《交通强国建设纲要》的发布，交通建设事业日益兴起，我国的基础设施工程有着越来越大的发展空间。但是我国的安全建设问题也日益明显，在建设过程中会经常遇到各种结构物相互交叉的情况，本文以新建桥梁桩基础上跨在建隧道为背景，以隧道结构为研究对象，分析其在桥梁桩基础附加荷载作用下的工作情况，并优化了相应的监测控制方案。

一、项目概况

(一)隧道结构概况

本项目隧道属于在建项目，截面为圆形断面，内径6m，衬砌材料为C50防水钢筋混凝土结构。根据项目设计资料，道路建设范围内隧道结构埋深约23m，位于中风化砂岩中，围岩级别为Ⅳ级。沿线原始地形地貌基本为台地及台地间冲沟，局部为冲洪积阶地。沿线人工活动作用强烈，现状多为植被或农田覆盖，穿插分布厂房或居民区等。

(二)桥梁结构概况

区段内拟新建桥梁上部结构采用预制梁钢梁，桥墩为C40花瓶形双肢墩，基础形式为C35钢筋混凝土桩基础，基础直径为2.2m，桩长约32.0m，嵌入中风化岩层中,嵌岩深度约8.5m，以中风化岩层为持力层，隧道保护范围内P09、P10墩柱处基础基底标高，低于隧道结构底标高，无基础荷载传至隧道结构上。

桥梁桩基础采用旋挖成孔、钢护筒护壁，施工时要求钢护筒紧跟，严格控制水位变化，要求水位变化不超过5m。

(三)相互关系及建设时序

道路高架桥与隧道平面呈约60度斜交。保护范围内此段道路为高架桥结构，项目影响隧道段长度70m。拟建道路高架桥墩桩西侧基础与隧道结构最小平面距离为5.27m，东侧桥墩桩基础与隧道结构最小平面距离为6.92m。

选择桥墩与隧道结构净距最小处做剖面，描述拟建道路高架桥结构与隧道位置关系，如图1-1所示。此剖面中左线隧道轨面标高为2.954m，右线隧道轨面标高为3.071m。道路高架桥基础基底标高为0m，基础底与隧道结构底最小竖向距离为1.66m，无基础荷载传至隧道结构上。

图1 拟建项目与隧道位置关系剖面图

隧道工程施工已于2018年1月开工，预计2022年通车运营；拟建桥梁处于施工图设计阶段，根据两项目实施进度判断，此段范围高架桥后于隧道结构建设。

二、结构安全分析论证

(一)项目风险等级划分

根据相应隧道结构保护技术标准，对拟建项目建设对隧道风险等级判断如下：

表1 拟建项目接近程度判断

表2 拟建项目影响分区判断

表3 拟建项目影响等级划分

综上表分析，拟建项目对施工过程中隧道结构影响等级为特级。

(二)隧道结构安全指标控制值

根据相关工程案例及规范，隧道结构安全控制指标为：

①隧道结构外边线四周的3m范围内不能进行任何工程建设；

②管线、构筑物、其他设施需跨越、横穿或涉及隧道设施的，与隧道结构的垂直净距离原则上不应小于3米；

③隧道结构绝对沉降量及水平位移量≤10mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)；

④建(构)筑物竖向荷载及降水、注浆等施工因素而引起的隧道外壁附加荷载≤10kPa(≤1t/m2)；

⑤由于打桩振动、爆炸产生的震动，引起的隧道峰值速度≤1.2cm/s。

三、新建桥桩对结构的影响分析

根据拟建项目与隧道位置关系及建设时序，项目建设及运营可能地下结构带来的风险有：1.道路高架桥实施桩基础开挖及建成后桩基础加载，可能对隧道周围围岩进行扰动，影响结构变形，需判断此变形是否满足结构正常运营要求；2.项目建设及建成可能改变现有结构荷载，需判断此时隧道结构承载力及裂缝宽度是否满足要求。以下将分别对两部分进行计算及分析。

(一)分析计算原则

结构取纵向每延米拱形平面结构计算，初衬和二衬结构按破损阶段法计算，分别采用地层结构法、荷载-结构法模型，应用通用有限元程序Midas GTS，按平面有限元法对隧道结构进行计算和分析。

(二)桩基础施工对隧道变形影响分析

选择前述典型坡面进行分析，该剖面左侧P09号桥墩桩基与隧道左洞间距为5.27m，右侧P10号桥墩桩基与隧道右洞间距为6.92m，左线隧道行车面标高为2.954m，右线隧道行车面标高为3.071m。道路高架桥基础基底标高为0m，基础底与隧道结构底最小竖向距离为1.66m。

本次计算采用二维平面应变模型，所得变形量应较结构实际变形量略大；上部结构荷载直接施加于桩顶处，计算模型如下图3-1所示。

图2 计算模型

计算分析步骤如下：(1)地应力场计算平衡；(2)隧道开挖；(3)施做桥梁桩基；(4)施加高架桥基础荷载。

根据施作桥梁桩基础时地层及隧道结构变形云图。此时，隧道结构最大竖向变形为2.05mm，位于右线结构顶部，方向为向下沉降；隧道结构最大横向变形为0.77mm，位于左线左拱腰，方向偏向P09桥墩方向。

根据桥梁桩基础施做完成后，结构荷载时地层及隧道结构变形云图。此时，隧道结构最大竖向变形为2.84mm，位于右线结构顶部，方向为向下沉降；隧道结构最大横向变形为0.85mm，位于左线左拱腰，方向偏向P09桥墩方向。

(三)绿梓大道建设对隧道结构承载力及裂缝宽度影响分析

根据图2典型剖面，拟建项目影响范围内，项目建设前、后隧道顶距离地面竖向距离均为23.7m，项目实施完成后，高架桥桩基基础与隧道结构最小平面距离为5.27m；此外，高架桥基底低于隧道结构，采用钢护筒护壁，桩基础与周围土体作用力微弱，项目建设无附加荷载加至隧道结构上；因此，拟建项目建设前后不改变隧道结构受力状态，能够满足原承载力及裂缝宽度要求。

(四)监测措施优化

根据前述数值计算分析，优化隧道施工监测方案，如下：

1.监测控制指标

(1)隧道结构绝对沉降量及水平位移量≤10mm；

(2)隧道纵向变形曲线的曲率半径R≥15000m；

(3)隧道的相对变曲≤1/2500；

2.监测断面布置

桩基影响范围内每条隧洞应每8m布置一个监测断面，每个断面布置5个监测点。

3.监测预警

监测的实际变形值达到最大允许变形值的60%时，应向申请人、监理单位、建设管理单位发出预警；当达到最大允许变形值80%时，须发出报警。

四、结论

以实际工程为背景,采用有限元软件分析了后建桥梁桩基础对既有隧道结构的影响。在建模过程中,依据实际工程地质条件和结构施工图建模,采用合理的本构模型,得出了相应结论,可以为类似工程设计提供参考。

根据上述桥梁桩基施工对既有隧道的影响研究，得出以下结论，1.高架桥桩基础与隧道结构最小平面距离为5.27m(>3m)，桥梁梁底与隧道结构顶竖向距离约34.4m(>3m)，满足控保范围内设计技术要求；2.根据计算可知，拟建项目建设及建成使用所引起隧道结构变形均小于规范要求控制值10mm；3.拟建项目建设不改变原隧道结构设计荷载，隧道结构仍满足承载力及裂缝宽度要求。