多隧道施工对铁路桥的桩基变形影响研究
2012-09-19 22:06
多隧道施工对铁路桥的桩基变形影响研究
摘 要:利用基于地层损失率的 FLAC2D 数值模拟方法，对武汉地铁 4，6 号线多隧道施工穿越铁路桥桩的两种不同的设计方案进行了计算与分析，并综合考虑了地层、桩隧分布、隧道与桩基结构性状等影响因素，确定了合理的设计方案，为类似工程提供合理且有效的参照。
关键词:隧道，桩基，FLAC2D，地层损失
0 引言
近年，随着城市快速发展，地下交通系统日益成熟与扩大，许多地铁工程开始兴建。这些项目往往沿着城市道路修建，穿行于各种路桥的基础桩群之间。Morton［1］通过模型试验发现隧道开挖会对邻近桩基产生很大影响，得出并控制邻近桩基变形是地下空间设计和施工中最重要的问题。因此，选择一个优秀的工程方案，不仅需要考虑工程量、技术、经济［2］等因素，还需考虑地铁隧道施工时既有桩基础的变形稳定。
盾构隧道施工时使周围一定区域内地层产生变形与位移，进而影响邻近的桩基础。张宏博等［3］认为隧道开挖引起的岩土变形是导致桩体受力产生变化的主要因素，变化值与其所处的围岩条件及桩位有关。何海健等［4］通过三维数值模拟得出桩基底面与隧道的水平中心线的相对空间位置关系直接决定桩基的沉降和侧向变位大小。王成等［5］则经过有限元强度折减法计算，认为当桩隧距离小于 1 倍洞径时，需研究桩隧之间的相互影响。可见隧道施工对邻近桩基的影响因素，既包含了地层变形的因素，如隧道相对位置关系、隧道埋深与直径、地层物理力学参数等; 又包含了桩与土体间的相互作用的因素，如桩隧相对位置关系、桩顶荷载、桩身条件等。因此，在确定合理的隧道穿行方案时，需要综合分析与考虑上述影响因素，从整体的角度把握隧道开挖引起的变形效应，并为工程实施提供切实有效的建议。
1 工程简介
武汉国铁铁路桥有四个桥墩，墩下是长约 10 m 的摩擦桩群。根据地铁线路平面线形设置，拟建的武汉地铁 4，6 号线左右线( 共四条隧道) 在下穿国铁铁路桥时设计了两种不同穿越桩群的方案( 见图1) 。四条隧道设计尺寸均为6 m 外径的圆形，为简化，分别以 A，B，C，D 表示。
方案Ⅰ中，A，B 隧道位于 3，4 号桥墩之间，C 隧道位于 2，3 号桥墩之间，D 隧道则位于 1 号桥墩外侧; 方案Ⅱ中，A，B，C 隧道均位于 1 号桥墩外侧，D 隧道则位于 2，3 号桥墩之间。对比桩隧分布图可知，两种方案特点如下:
1) 从桩隧间距来看，方案Ⅰ中隧道 A 与 3，4 号桥台相距近，分别为 1． 2 m 和 1． 0 m; 而方案Ⅱ中隧道 A 与 1 号桥台相距 5 m，两者桩隧间距前者小于后者。
2) 从隧道分布来看，方案Ⅰ中重叠隧道 A，B 净距仅为 2 m;方案Ⅱ中隧道 A，B 部分重叠，净距 3． 4 m; 另外，两个方案中，隧道群 A，B，C 与隧道 D 相对位置远，开挖引起的变形效应应以 A，B，C 隧道群为主。
3) 从隧道所处岩性来看，两个方案中 A，B 隧道埋深较浅且均处于粘土层中，C，D 隧道则大部分位于岩体中。由于岩体的整体稳定性优于粘土体，故隧道开挖引起的桩基变形效应会产生差异。
4) 从桥墩尺寸来看，方案Ⅰ和方案Ⅱ中邻近隧道的 3 号桩承台与 1 号桩承台整体刚度前者小于后者，因而受开挖影响程度会有所不同。
由上述分析可知，铁路桥断面处两种隧道穿行方案在地层、桩隧位置与桩基特点等方面都存在差异，为了进一步明确各类影响因素的综合效应，借助了有效的数值方法进行分析。
2 数值计算对比分析
在研究隧道开挖引起的变形效应的诸多方法中，数值分析法能综合考虑施工过程、土体性状、隧道与邻近桩基结构性状等因素，因而具有较强的适用性。本文选用 FLAC2D 数值模拟法，相对三维数值方法计算速度更快; 并在模拟隧道开挖的过程中引入地层损失的概念，简化开挖步骤，将重点放在考虑隧道开挖引起的地层与邻近建筑的变形效应上，相较而言更能为工程实际提供快捷与准确的预测信息。
2． 1 数值模型建立
如图 1 所示，考虑边界效应及模型完整性，取计算区域为地下空间 140 m ×41 m( 宽度 × 深度) 。根据现场岩土勘察报告，考虑岩层属性及网格划分，将土层等效为 7 层，其中③，④和⑤层为老粘土地层，⑥，⑦层则同为中风化灰岩，设计隧道最终直径 D =6． 0 m，其余位置参数见图 1。
计算时土体采用摩尔—库仑模型。隧道衬砌结构则按匀质连续材料考虑，设为 32 节点梁结构单元; 隧道与衬砌接触面切向刚度 Ks= 1． 5e7N /m ～ 3． 0e7N /m，法向刚度 Kn= 1． 5e7N /m ～3． 0e7N /m。铁路桥桥墩分布按设计图估计，采用实体网格模拟;桩长取近似值 10 m，以桩结构单元表示。
另外，从不同地层损失率与不同开挖顺序角度可将两种方案下隧道开挖分为 28 种工况，具体工况参见表 1。
2． 2 隧道开挖对桩基变形的影响分析
2． 2． 1 隧道开挖对桩基变形影响的控制标准
隧道开挖引起的桩基沉降常采用允许位移值来控制。根据GB 50157-2003 地铁设计规范规定的墩台沉降量不超过 5． 0 cm，以及相邻墩台的差异沉降不超过 2． 0 cm［4］作为标准。此外，北京地铁国贸站桩隧最近距离 1． 9 m，其沉降控制标准为单墩台最大沉降值2． 5 cm，相邻墩台差异沉降不超过2． 0 cm［5］。结合本工程的实际模拟环境，可取2． 0 cm 为单墩最大沉降值以及相邻墩台最大差异沉降值，并制定桩基沉降警戒值为极值的 70%，桩基预警值为极值的 30%作为控制标准，如表 2 所示。
2． 2． 2 隧道开挖对桩基变形的影响分析
经计算，隧道开挖会引起桩基水平向变形与竖向变形，其中竖向变形更为显著。在方案Ⅰ工况 1 ～ 工况 12 下，3 号与 4 号桩承台受开挖影响较大，对应桩体则以 14 号 ～ 19 号桩体变形较显著; 工况 13、工况 14 下以 2 号和 3 号桩承台及 14 号 ～16 号桩体受影响较大。在方案Ⅱ中，工况 15 ～ 工况 26 下，1 号桩承台受开挖影响较大，桩体 1 号 ～ 6 号变形较大; 工况 27、工况 28 下则以2 号和 3 号桩承台以及 14 号 ～ 16 号桩体受影响较大。桩基变形分析主要以不同工况下桩体累积变形值来讨论隧道开挖的影响效应。具体分析如下:
1) 受隧道开挖以及桩隧位置影响，桩身水平向变形出现上段向隧道靠拢，中段远离隧道，下段向隧道靠拢的变形特性。方案Ⅰ和Ⅱ在地层损失率均为 1． 5% 时，桩体最大水平向变形分别为－ 1． 5 cm 和 － 1． 2 cm，前者桩体受开挖影响变形大于后者，但均小于允许位移值 2． 0 cm。
2) 桩体竖向变形受隧道开挖影响更为显著。方案Ⅰ和Ⅱ在地层损失率为 1． 5% 时，桩体最大竖向变形分别为 － 3． 80 cm 和－ 1． 4 cm，前者桩体变形受开挖影响大于后者，且方案Ⅰ最大竖向变形大于允许位移值 2． 0 cm，不满足安全要求。
而且通过计算可知，在没有采取任何加固措施的前提下，地层损失率大于 0． 8%时，方案Ⅰ隧道开挖引起的桩基最大变形超过允许位移值 2． 0 cm，不满足安全要求; 而方案Ⅱ桥桩基础受隧道开挖影响较小，在地层损失率 2． 0% 以内桩基变形均处于安全范围。
2． 3 隧道开挖对桩基变形影响的控制模拟
设想采取预先加固未挖隧道周边土体的措施来降低方案Ⅰ中地层损失率为 1． 5% 时邻近桩基的变形量。以工况 7 为背景，对计算模型进行如下修改:
1) 设定埋深浅且与桩体接近的隧道 A 周边 4 m 范围内为灌浆加固区域; 2) 通过文献查阅了解［6］，考虑隧道周边原有土体力学性质以及浆液强度等因素，取隧道 A 周边加固区域力学参数为原有土层参数的 5 倍( 该取值偏小) 。
经计算，方案Ⅰ下地层损失率为 1． 5% 时加固前后两种情况下，桩体最大竖向变形由 －3． 80 cm 降为 －3． 03 cm。鉴于实际灌浆效果更显著，预先加固后开挖隧道对邻近桩基变形影响应当更小。
3 结语
1) 本文以多隧道施工引起的变形效应为研究重点，以武汉在建地铁 4，6 号线在国铁铁路桥断面处的两种方案为例，从桩隧相互作用的角度，并结合基于地层损失率的数值模拟方法，综合分析了地层、桩隧分布、隧道与桩基结构性状等影响因素下多隧道开挖对邻近桩基础的变形影响，确定了合理的工程实施方案，为多隧道安全施工的类似问题提供了合理的技术参照。
2) 武汉拟建地铁 4，6 号线在国铁铁路桥断面处的两种方案经数值计算与分析，主要结论如下: a． 从桩隧分布、隧道间距以及桩承台整体性等各方面来看，方案Ⅰ中隧道开挖引起的铁路桥桩基变形效应大于方案Ⅱ; b． 经数值模拟计算可知，在未采取任何加固措施下，方案Ⅰ在地层损失率 0． 8%以内，方案Ⅱ在地层损失率 2%以内时，隧道开挖引起的邻近桥桩的变形均能满足安全要求。此外，通过对地层损失率 1． 5% 时两种方案下隧道开挖引起的变形效应的对比，方案Ⅱ下铁路桥桩基受开挖产生的变形效应要远小于方案Ⅰ; c． 采取预先加固隧道周边土体的措施时，方案Ⅰ能够有效降低开挖隧道所引起的邻近桩基变形量。此时，配合控制开挖地层损失率，方案Ⅰ亦可应用于实际施工中。
参考文献:
［1］ H Morton，J． D． ，King，et al． Effects of tunnelling on the bearing capacity and settlerruent of piled foundations［J］． Proc． ，Tun-nelling’79，IMM，London，1979( 8) : 57-68．
［2］ 罗国耀． 山区高速公路桥梁隧道方案比较［J］． 铁道勘测与设计，2005( 6) :31-34．
［3］ 张宏博，黄茂松，王显春，等． 浅埋隧道穿越建筑物桩基的三维有限元分析［J］． 同济大学学报，2006，34 ( 12) : 1587-1591．
［4］ 何海健，项彦勇，刘维宁，等． 地铁车站隧道群施工对邻近桥桩影响的数值分析［J］． 北京交通大学学报，2006，30( 4) :54-59．
［5］ 王 成，徐 浩，郑颖人． 隧道近接桩基的安全系数研究［J］． 岩土力学，2010，31( 2) :260-264．
［6］ JGJ 94-94，建筑桩基技术规范［S］．
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［8］ 王观海． 盾构施工地层沉降预测及对策研究［D］． 西安: 西安科技大学硕士学位论文，2007．
