(杭州市运河综合保护开发建设集团有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

近年来，随着城市的高速发展，城市建设中高等级公路、地铁隧道以及桥梁等工程规模得到空前扩展，由于城市用地存在较大局限性，不可避免会出现桥隧相交问题[1]。桥梁桩基础施工过程会对既有隧道、建筑桩基以及施工区域周边土体的变形产生影响，若施工前对桩基施工的影响研究不足，极易给桥梁与隧道工程留下安全隐患。因此深入研究桩基础施工对桥隧相交工程的安全性具有重要意义[2-3]。

目前，国内外关于桥隧相交变形机理展开了大量研究[4]，如陈发东[5]讨论了盾构隧道施工对临近桥梁桩基及周围土体的影响，分析盾构掘进对既有桩基变形及沉降的影响机理，并对盾构引起周围土体变形破坏(塑性)区演变特征进行了研究。杨记芳[6]针对大直径盾构隧道施工对高层建筑及桩基影响进行数值分析，讨论了盾构侧穿和下穿不同桩长的桩基时建筑沉降及桩体变形差异。乔丽平[7]研究了地铁安保区桩基施工对临近地铁隧道的影响，计算分析了管桩沉桩施工挤土效应对地铁隧道的变形影响。吕宝伟[8]通过数值与实测分析探讨了超临界桥桩基施工对既有隧道影响，得出管片位移、盾构隧道拱顶最大沉降变形与径向收敛变形均未超过控制标准，模拟计算结果与现场监测数据基本相符。

由于地域和施工条件不同，新建桥梁工程对既有隧道的影响存在差异性，已有研究成果对特定工程的指导价值具有局限性[9-10]。因此，针对某明挖隧道近距离桩基础施工案例，基于有限元方法，模拟桥梁桩基础施工过程对既有隧道拱底变形、衬砌位移、地表沉降及桩周土体位移的影响，研究为确保该隧道的运营安全提供理论数据支撑。

1 工程概括

某城市主干道公路规划设计为双向四车道，行车荷载等级为公路Ⅰ级，主要连接南北向交通。修建过程中需跨越既有地铁隧道，该隧道施工方法为明挖法，隧道基础采用片石混凝土基础，并已进入运营阶段，整体沉降和受力已达到相对稳定状态。根据隧道施工记录数据显示，隧道拱顶距离地面仅4.5 m，若直接在隧道上方进行道路施工，后期运行时隧道结构不仅需要承受路基结构自重，还需要承受日益增大的行车荷载作用，在长期作用下极易对隧道结构稳定性造成影响，同时考虑公路使用年限要远远小于隧道使用年限，为防止后期路基维护及加固施工给隧道带来更大影响，拟采用跨隧架桥的方式。

桥梁设计全长32.5 m，桥面宽度为27 m，单幅桥宽度为12.5 m，包括2×3.75 m(行车道)+3.5 m(人行道)+1.5 m(绿化带)，预制箱梁顶板宽度为2.2 m，高度为1.8 m，支撑处顶板厚度为0.2 m，底板和腹板厚度为0.3 m，跨中处顶板、底板和腹板均为0.2 m，采用湿接缝连接小箱梁，在支点和跨中位置设置横梁。桩基础采用人工挖孔灌注桩，直径为1.5 m，桩长为18 m，开挖方式为每挖深1.5 m进行一次支护，直到达到设计长度，两侧桩基础距离隧道均为5.8 m，东西隧道宽度为6 m，间距为3.5 m，其结构布置如图1所示。

图1 桩基础与隧道结构布置图(单位：m)Figure 1 Pile foundation and tunnel structure layout(Unit:m)

2 有限元模型

为研究桥桩基础施工对地铁隧道的影响，通过运用有限元软件ANSYS建立桩基础与隧道数值模型，计算模型中X方向为公路行驶方向，选取宽度为60 m，Y方向为隧道行驶方向，选取长度为60 m，Z方向为桩基础竖直方向，选取深度为30 m，模型共包含13 818个单元、3 984个节点，其有限元模型如图2所示。

图2 桥桩基础施工有限元示意图Figure 2 Finite element diagram of pile foundation construction of bridge

由于岩土体为非连续介质，其本构关系和边界条件均比较复杂，在进行竖直模拟是需对模型进行以下简化：建模时不考虑隧道开挖的影响，采用等效作用力代替土方开挖的作用；计算时不考虑地下水的作用。模型中采用摩尔-库仑模型模拟地层，各向同性弹性模型模拟隧道衬砌，桩基础开挖采用空模型模拟。建模时根据地质分布情况进行网格划分，由上而下依次划分为5 m粉质粘土层、3.5 m碎石土层、6.5 m粉土层以及15 m泥质粉砂岩层，土体材料参数如表1所示。

表1 土体材料参数表Table1 Soilmaterialparametertable土层重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)弹性模量/kPa泊松比粉质粘土193016280.27碎石土201930210.2粉土193318230.3泥质粉砂岩252245650.22

3 桩基础施工对隧道的影响

通过运用有限元软件建立桩基础开挖深度分别为0、6、12、18 m的数值模型，并针对不同桩基础开挖深度的隧道拱底、隧道衬砌、地表以及桩周土体的变形规律展开对比分析，具体分析过程如下。

3.1 隧道拱底变形分析

为研究桩基础施工对隧道拱底变形的影响，分别针对不同施工阶段东西双向隧道拱底位移变化情况进行对比分析，得到隧道拱底位移变化曲线如图3所示。

图3 隧道拱底竖向位移变化曲线Figure 3 Variation curve of vertical displacement of tunnel arch bottom

根据图3可知，桩基础未进行开挖时，隧道拱底出现较小的竖向位移变化，最大值约为0.4 mm，这是由于上部土方开挖引起的。东向隧道随着桩基础开挖深度的增大，隧道拱底的竖向位移呈先增后减趋势变化，其中越靠近桩基础施工区域，隧道拱底隆起变形越大。桩基础开挖至6 m时，隧道拱底竖向位移变化趋势出现一定程度增大，最大值约为0.7 mm，相对于未开挖时隧道拱底竖向位移增大了约0.3 mm，桩基础开挖至12 m时，隧道拱底竖向位移增大趋势较为明显，最大值达到1.2 mm，相对于开挖至6 m时增大了约0.5 mm，分析原因是桩基础施工至12 m左右深度范围时，右边距离隧道较近，因此在该区域开挖对隧道拱底竖向位移影响最大，桩基础开挖至18 m时，隧道拱底竖向位移变化趋势有所降低，最大值约为0.95 mm，相对于施工至12 m时减小了约0.25 mm，说明在靠近隧道区域进行桩基础施工时隧道拱底变形较大。西向隧道不同桩基础开挖过程中隧道拱底竖向位移变化规律与东向隧道呈对称分布，隧道拱底变形趋势大致相似。

3.2 隧道衬砌位移的影响

以两幅桥梁中心线为基准，隧道左右延伸距离为±30 m，分别针对不同施工阶段东西双向隧道衬砌位移变化情况进行对比分析，得到东西隧道左右拱腰位移变化曲线如图4所示。

图4 隧道左右拱腰位移变化曲线Figure 4 Displacement curve of left and right arch waist of tunnel

根据图4可知，东、西隧道中的左、右拱腰位移变化均呈对称分布，隧道拱腰变形趋势大致相似。东向隧道随着桩基础开挖深度的增大，隧道右拱腰的水平位移呈先增后减趋势变化，其中越靠近桩基础施工区域，隧道拱腰水平变形越大。桩基础未进行开挖时，隧道右拱腰出现较小的水平位移变化，最大值约为1.2 mm，这是由于上部土方开挖引起的，桩基础开挖至6 m时，隧道右拱腰水平位移变化趋势出现一定程度增大，最大值约为2.2 mm，相对于未开挖时隧道右拱腰水平位移增大了约1 mm，桩基础开挖至12 m时，隧道右拱腰水平位移增大趋势较为明显，最大值达到3.7 mm，相对于开挖至6 m时增大了约1.5 mm，分析原因是桩基础施工至12 m左右深度范围时，右边距离隧道较近，因此在该区域开挖对隧道右拱腰水平位移较大，桩基础开挖至18 m时，隧道右拱腰水平位移变化趋势有所降低，最大值约为3 mm，相对于施工至12 m时减小了约0.6 mm，说明在离隧道较远区域进行桩基础施工时对隧道衬砌变形影响较小，而在靠近隧道区域进行桩基础施工时隧道衬砌变形较大。

3.3 地表沉降的影响

以东西隧道中心线为基准，桩基础施工范围为40 m，分别针对不同施工阶段地表沉降变化情况进行对比分析，得到地表沉降变化曲线如图5所示。

图5 不同开挖深度-地表沉降变化曲线Figure 5 Variation curve of ground subsidence with different excavation depth

根据图5可知，随着桩基础开挖深度的增大，地表施工区域沉降值呈不断增大趋势变化，其中靠近桩基础施工区域地表沉降值较大。当桩基础开挖至6 m时，施工区域地表沉降出现较大幅度的增大，最大达到-7.5 mm，相对于未开挖时增大了约-6.6 mm，桩基础开挖至12 m时，地表沉降值再次出现增长，最大值为-9.8 mm，相对于开挖至6 m时增长了约-2.3 mm，当桩基础开挖深度超过12 m后，地表沉降值不再随开挖深度而变化，说明桩基础开挖对施工区域地表沉降具有一定影响，但桩基础开挖达到一定深度后，地表沉降将不再受开挖深度的影响。

3.4 桩周土体位移的影响

以隧道左右两边桩基础设计长度为基准，针对不同开挖深度桩基础周边土体的水平位移进行对比分析，得到桩周土体水平位移变化曲线如图6所示。

图6 桩基础周边土体位移变化曲线 Figure6 Displacementcurveofsoilaroundpilefoundation

根据图6可知，随着桩基础开挖深度的增加，左、右桩基础周边土体水平位移呈对称分布。当桩基础开挖深度小于11 m时，桩周土体水平位移均随着桩基础开挖深度的加深而增大，开挖深度为6、12、18 m时，桩周土体最大水平位移均出现在地表位置，最大值分别为4、4.5、4.9 mm，说明桩基础开挖对靠近地表的桩周土体水平位移影响较大。桩基础开挖深度超过12 m时，左、右桩基础周边土体水平位移均不再受开挖深度的影响，说明桩基础开挖进行至隧道下方后，桩基础施工对桩周土体水平位移不再有影响。

4 结论

以某桥梁跨越地铁隧道工程为研究背景，通过运用有限元软件模拟桥桩基础开挖过程，并针对桩基础不同开挖深度对隧道拱底、隧道衬砌、施工区域地表以及桩周土体变形展开对比分析，得到以下结论：

a.在桥梁桩基础施工过程中，东西双向隧道拱底、隧道左、右拱腰以及桩基础周边土体变形规律均呈对称分布；随着桩基础开挖深度的增大，隧道拱底竖向位移和隧道拱腰水平位移均呈先增后减趋势变化，在靠近隧道附近开挖时对隧道拱底和拱腰的变形影响最大；桩基础开挖深度小于12 m时，地表沉降随着开挖深度的增大而变大，开挖深度超过12 m后，地表沉降受开挖深度的影响较小。

b.桩基础开挖深度小于12 m时，桩周土体水平位移均随着桩基础开挖深度的加深而增大，开挖深度超过12 m时，左、右桩基础周边土体水平位移均受开挖深度的影响较小。该研究成果可为类似桥梁跨越隧道工程提供参考与借鉴。