刘金山

（中交隧道工程局有限公司，北京100102）

隧道开挖方法对邻近既有桥梁影响的数值分析

刘金山

（中交隧道工程局有限公司，北京100102）

结合大连地铁春光街车站工程，通过数值模拟方法，在隧道下穿既有运营桥梁过程中，首先在不进行围岩注浆加固的情况下，对比分析了“两台阶”、“三台阶”的开挖方法对桩基及承台的影响；继而在隧道内进行不同程度的加固条件下，对比分析了“两台阶”、“三台阶”的开挖方法对桩基及承台的影响；最后给出了适宜的洞内加固参数和开挖方法。

隧道施工；既有桥梁；洞内加固；位移；数值模拟

1　工程概况

春光街站位于大连市华北路与春光街交口处，为地下双层分离岛式车站，车站总长186.15m，标准段宽41.5m。车站主体结构附近受车站影响的桥桩共计13根，其中，右线墩号A351-2的桥桩边缘距离车站主体开挖边缘距离分别为1.75m和3.3m，为距离隧道开挖轮廓线最邻近桩。如图1所示。

图1　桩与隧道开挖轮廓线空间位置示意（单位：m）

城市地铁临近既有运营桥梁的施工一直是地铁建设的重、难点之一，也是工程建设研究的热点问题。

本文以大连地铁春光街车站隧道下穿既有运营桥梁为工程背景，采用数值模拟方法，分析了几种隧道施工工况对运营桥梁基础的影响。

2　数值模拟分析

2.1计算依据及计算方案的确定

本文将地基视为半无限空间，模拟隧道施工对邻近桩的影响，同时模拟在隧道内进行超前小导管注浆和锚杆加固的方法。由于岩土的非线性特点，其构成相当复杂，完全模拟岩土材料在施工过程中的应力应变特性非常不易，所以在明确了分析目的前提下，对计算模型进行适当简化。

地基土模型大小取用100m×100m×65m；右线A351-2墩基础为双桩-承台结构跨过暗渠；其2根桩直径均为1.5m，桩长为15.05m；承台尺寸6.75m（长）×2.5m（宽）×2.2m（高）；其桩与桥墩偏心距离分别为2.75m和1.5m。

材料的本构模型：在Ansys中首先运用Solid45单元进行建模并进行网格划分，然后将划分后的网格模型导入到FLAC3D中［1］。

三维数值模型图、网格划分图及桩基与承台的空间关系如图2、图3、图4所示。

图2　三维数值模型

图3　三维模型网格划分

图4　桩基与承台的空间关系

2.2计算模型参数的选取

桩身和承台采用线弹性模型。桩周及桩底土体为弹塑性模型，假定服从Mohr-Coulomb屈服准则。

根据大连市地铁2号线工程《春光街站岩土工程勘察报告》［2］及《工程岩体分级标准》（GB50218—1994）得到各土层参数，见表1。

表1　土层计算参数

数值分析中围岩按照中风化板岩考虑，并根据裂隙状态、渗水及泥夹层等地质体参数进行适当折减，分别取值为E0=0.5GPa，c=10MPa，φ=13°，μ=0.2，γ=28kN/m3。

桥桩，承台及隔离桩的混凝土等级为C30，分别取E0=30GPa，μ=0.3，γ=25kN/m3。

2.3模型荷载取值

本文模型承台所承受的恒荷载按照桥桩上部实际几何尺寸及混凝土重度选取，动荷载按照《城市道路和桥梁设计规范》（CJJ—2011）［3］选取，计算出承台承受的分布力大小为1000kN。隧道周围土体初始地应力场的模拟参数为

其中：k0为桩基的初始应力模拟参数，k0=μ/（1-μ）；μ为桩基的泊松比。

另外，由于隧道临近桩基开挖问题本身的复杂性，数值模拟暂不考虑地下水的影响。

2.4数值计算分析

2.4.1洞内加固数值模拟方法

目前，在隧道开挖前稳定掌子面及周边围岩主要采用的方法有超前支护或超前注浆、网喷混凝土及格栅或钢拱架。

在数值分析中，对于横通道和主洞，喷层作为弹性材料利用板壳单元来进行模拟；小导管超前注浆采用改善围岩参数的等效方法模拟；钢拱架的弹性模量采用等效的方法换算成混凝土的弹性模量。

下文针对两台阶、三台阶施工方法，按隧道内不同注浆加固方案分析桩基与承台的位移规律。

鉴于春光街车站暗挖隧道邻近既有桥梁，为确保施工安全，根据春光街站岩土工程勘察报告，并参考既有临近建筑物地铁隧道施工的经验［4-6］，春光街车站暗挖隧道施工拟采用“两台阶”或“三台阶”法施工，为此，采用两种不同暗挖施工方案对既有桥梁桩基的影响进行分析，确定合理的开挖方案。

2.4.2不采取加固措施时桩基及承台的位移情况

1）桩基与承台竖直方向沉降

桩基与承台竖直方向沉降云图见图5。

图5　竖直方向沉降云图（单位：m）

由图5可以看出，在不加任何措施的情况下，两台阶开挖桩基及承台最大沉降值为-12.24mm，而三台阶开挖桩基及承台最大沉降值为-9.97mm，比两台阶开挖减小2.27mm，减小18.5%。因此，三台阶开挖相比两台阶而言，能较好地控制土体的变位，对减少桩基沉降有一定效果，建议施工中尽可能采用三台阶施工。

2）桩基水平位移

柱基平行于横通道、正洞的水平位移分别如图6、图7所示。

图6　平行于横通道方向位移云图（单位：m）

图7　平行于正洞方向位移云图（单位：m）

由图6、图7可以看出，隧道开挖对于桩基及承台的水平方向影响最大的为平行于正洞方向的水平位移。在两台阶、三台阶开挖中，平行于横通道方向的桩基水平位移最大值分别为-1.4，-1.0mm；平行于正洞方向的桩基水平位移最大值为-6.96，-5.69mm。因此，开挖中对于水平方向的位移控制主要考虑平行于正洞方向的位移变化。

2.4.3两台阶开挖不同注浆效果对桥桩的影响分析

在模拟隧道洞内加固的过程中，采用简化的方法，用提高围岩弹性模量参数的方法来模拟，在隧道开挖轮廓外侧一定范围内构筑一个加固圈。并将此加固圈的弹性模量提高0～150%。为了表示方便，用0，0.3，0.5，1.0，1.5分别代表将围岩弹性模量提高0，30%，50%，100%，150%。注浆加固效果如图8所示。

由图8（a）可以看出，在隧道洞内超前注浆加固中，数值沉降最大点为承台右上角，最小点为远桩底。弹性模量提高1.5倍后，承台右上角沉降值从-11.7mm减小到-8.26mm，累计减小29%；远桩底沉降值从-8.07mm减小到-5.91mm，累计减小27%。邻桩顶和远桩顶累计位移均大于桩底，说明在隧道开挖中，桩顶沉降大于桩底沉降，弹性模量调高1.5倍后，桩顶沉降减小29%左右；邻桩位移大于远桩位移，说明在隧道开挖中，邻桩对远桩的遮拦效果比较明显。另外，从图8（b）中还可以看出，弹性模量从0.5倍提高到1.0倍，加固效果显著，从1.0倍提高到1.5倍，加固效果变化不大。所以，就抑制桩基与承台竖直方向沉降而言，提高1.0倍是适合的。

2.4.4三台阶开挖不同注浆效果对桥桩的影响分析

三台阶开挖不同注浆加固效果对桥桩的影响分析如图9所示。

由图9（a）可知，在不提高围岩参数三台阶开挖时，沉降最大点主要分布在邻桩顶和承台右上角，沉降值都在-9mm以上，弹性模量提高1.5倍后，各项监测值最大为-7.02mm。其中，承台右上角监测值从-9.42mm减小至-6.88mm，累计减小27%。且从图9（b）中可以看出，弹性模量从0.3倍提高至0.5倍时，加固效果提升幅度最大。从0.5倍至1.5倍后，沉降减小幅度减弱。

图8　桩与承台在竖直方向位移及位移减小百分率（两台阶法）

图9　桩与承台在竖直方向位移及位移减小百分率（三台阶法）

3　结论和建议

本文就大连地铁春光街车站施工中，对邻近既有桥梁桩基的影响进行了分析，主要结论为：

1）通过注浆加固改变围岩的弹性模量可以减小桥墩的沉降，随着围岩弹性模量的改变桥墩水平位移值也随之减小，说明通过改变围岩的参数，可以减小桩基和承台的不均匀沉降，但随弹性模量增大，减小趋势变缓；也说明在工程中应用超前支护和注浆对于稳定掌子面和上部土层有着积极的作用。提高围岩的弹性模量对于平行于主洞方向的桩基位移控制不是特别显著，不过此方向的位移较小，对于整体隧道穿越影响不是很大。另外，注浆加固达到原有围岩刚度1倍以上时，注浆加固效果的提高对桥基桩基础变形的影响将不再明显，因此建议以加固效果达到原刚度的1.0倍为控制标准。

2）对比分析了两台阶、三台阶开挖方法对桩基变形影响，结果表明三台阶开挖方法能较好地控制土体变位，减少桩基变形。建议采用三台阶开挖方法施工。

［1］李围.ANSYS在土木工程中的应用［M］.北京：水利水电出版社，2007.

［2］大连市勘察测绘研究院有限公司.大连市地铁2号线工程《香工街站岩土工程勘察报告》［R］.大连：大连市勘察测绘研究院有限公司，2009.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ—2011城市道路和桥梁设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［4］李波.盾构施工对高速铁路桥梁桩基的影响分析及防护措施［J］.铁道建筑，2014（5）：75-78.

［5］王妍.隧道开挖引起的地层沉降及对近接桥桩的影响［D］.北京：北京工业大学，2007.

［6］张汎，刘军，萧岩，等.隧道施工引起的地层位移对桥梁桩基的影响分析［J］.市政技术，2005，23（增）：86-89.

AbstractNumerical simulation was carried out based on the project of Chunguang Street Station of Dalian Subway.T he tunnel went through beneath the existing bridge in service.Different excavation methods were compared.Firstly，the effects of two-bench and three-bench excavation on piles and platform were analyzed in the case of non-reinforced surrounding rock with grouting.Secondly，the effects were analyzed in the case of reinforced surrounding rock with grouting.Based on the comparison，appropriate parameters for inner reinforcement were proposed and proper excavation method was suggested.

Numerical Simulation Analysis of Influence of Tunnel Excavation Method on near Existing Bridge

LIU Jinshan
（CCCC Tunnel Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

Tunnel construction；Existing bridge；Inner reinforcement；Displacement；Numerical simulation

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.16

1003-1995（2016）04-0060-04

（责任审编孟庆伶）

2016-01-08；

2016-02-04

刘金山（1975—），男，高级工程师，硕士。