隧道施工对邻近桥梁桩基变形影响及加固效果分析

花 杰

(苏交科集团检测认证有限公司 南京市 211100)

0 引言

城市地铁隧道工程建设过程中不可避免地会下穿既有高架桥等构筑物，当隧道与高架桥的桩基距离较近时可能会影响高架桥的安全，为了对这一问题进行分析，国内一些学者作了相关研究，例如，凌同华、赵文艺等人[1-2]依托某隧道下穿高速公路桥梁段，采用三维有限差分法研究隧道动态施工引起的地表沉降以及桥梁桩基变形的规律，将数值模拟结果与现场监测结果进行对比分析验证方法的正确性和有效性；杨赢、孟昭晖等人[3-4]以某项目为背景，采用ABAQUS有限元软件，通过二维和三维有限元模型对桥梁桩基施工全过程中地铁隧道及其周围土体的变形情况进行分析；许桂生、何海健等人[5-6]依托某实际工程，基于Abaqus软件建立桥-隧三维数值计算模型，对城市公路隧道近接桥梁桩基段施工进行模拟，得到大跨浅埋暗挖公路隧道施工对地层的影响规律，并研究高压旋喷桩加固措施对桥梁桩基变形的影响。

主要以某桥梁桩基邻近隧道施工为例，采用有限元软件PLAXIS进行建模分析，重点分析了采取隔离桩加固前后隧道开挖对邻近桩基变形影响变化规律。

1 工程概况

某城市地铁隧道工程下穿既有高架桥，由于高架桥的两个独立桩基邻近拟建隧道，因此需要考虑隧道施工对桥梁桩基的影响。图1为拟建隧道与既有桩基之间的位置示意图。已知拟建隧道外直径为6.0m，衬砌厚度为50cm，双隧道之间间距为15.0m，左右侧桩基均为10个Φ1.5m的钻孔桩构成，桩深约65m，且左右桩基与隧道最小距离均为8.5m。左右两侧拟采用20根Φ1.5m的钻孔隔离桩进行加固处理，参考文献[7]，隔离桩的桩心距取1.5m，总加固长度为30m，隔离桩距离隧道外围最近距离为2m，桩长为40m。

图1 隧道与桩基位置示意图

2 数值建模

如图2所示，采用有限元软件PLAXIS建立数值模型图，即采用隔离桩来减小双隧道开挖对桥梁桩基影响的模型图，模型的长、宽、高分别为120m、80m和80m，隧道中心埋深约为18m，土体从上至下厚度依次为1.2m、1.8m、26m、16m和35m，模型左右、前后边界以及底部均进行位移和边界约束。计算过程中土体的本构模型均采用摩尔-库伦本构模型。衬砌采用C60混凝土，衬砌厚度取50cm，表1给出了模型从上至下的土体和支护结构的物理力学参数。表2给出了衬砌、桩基的相关参数。

图2 数值模型

表1 土体的物理力学参数

表2 隧道结构力学参数

3 隔离桩的加固效果分析

为了验证本工程中隔离桩的加固效果，将左右桩基在有隔离桩和无隔离桩下的桩基位移进行对比分析。设立以下10种工况，对工程中的每一步工序进行评判，如表3所示。

表3 隧道结构力学参数

桩基的位移值是评判桩基安全与否的常用标准，主要包括沿桩基上部桥梁方向(称之为顺桥向，方向以向右为正)、沿垂直桥梁方向(称之为横桥向，以向隧道掘进方向为正)和沿桩基垂直方向(称之为垂直向，方向以向上为正)。

如图3所示，为有、无隔离桩时各工况下桩基顶部顺桥向位移图。由图可知，对于左侧桩基，发生向右侧的倾斜，在未设隔离桩时最大顺桥向位移为1.71mm，在设隔离桩后最大顺桥向位移为0.63mm，设隔离桩之后位移减小了63.2%。对于右侧桩基，发生向左侧的倾斜，在未设隔离桩时最大顺桥向位移为1.82mm，在设隔离桩后最大顺桥向位移为0.68mm，设隔离桩之后位移减小了62.6%。综上可知，相比于不采取加固措施，采取隔离桩加固措施以后，可以使得最大顺桥向位移减小62%以上。

图3 隔离桩对顺桥向位移影响

如图4所示，为有、无隔离桩时各工况下桩基顶部横桥向位移图。由图可知，对于左侧桩基，发生沿隧道掘进方向的倾斜，在未设隔离桩时最大横桥向位移为0.54mm，在设隔离桩后最大横桥向位移为0.52mm，设隔离桩之后位移减小了4.0%。对于右侧桩基，发生沿隧道掘进相反方向的倾斜，在未设隔离桩时最大横桥向位移为0.56mm，在设隔离桩后最大横桥向位移为0.53mm，设隔离桩之后位移减小了5.3%，且左右桩基在有、无隔离桩时位移变化曲线比较接近。综上可知，相比于不采取加固措施，采取隔离桩加固措施以后，对桩基的横桥向位移影响可以忽略不计。

如图5所示，为有、无隔离桩时各工况下桩基顶部垂直向位移图。由图可知，对于左侧桩基，发生向下的沉降，在未设隔离桩时最大垂直向位移为1.27mm，在设隔离桩后最大垂直向位移为0.49mm，设隔离桩之后位移减小了61.4%。对于右侧桩基，发生向左侧的倾斜，在未设隔离桩时最大垂直向位移为1.16mm，在设隔离桩后最大垂直向位移为0.41mm，设隔离桩之后位移减小了64.7%。综上可知，相比于不采取加固措施，采取隔离桩加固措施以后，可以使得最大垂直向位移减小61%以上。

图5 隔离桩对垂桥向位移影响

此外，采取隔离桩之后，桩基的各向位移均小于1mm，满足《高速铁路设计规范》的位移要求，说明本工程采用的隔离桩加固措施是有效的，能将桩基的变形控制在规范值范围内。

4 结论

以某桥梁桩基邻近隧道施工为例，采用有限元软件PLAXIS进行建模分析，重点分析了采取隔离桩加固前后隧道开挖对邻近桩基变形影响变化规

律，结论如下：

(1)左侧桩基在设隔离桩前后最大顺桥向位移分别为1.71mm和0.63mm；右侧桩基在设隔离桩前后最大顺桥向位移分别为1.82mm和0.68mm。相比于不采取加固措施，采取隔离桩加固措施以后，可以使得最大顺桥向位移减小62%以上。

(2)左侧桩基在设隔离桩前后最大横桥向位移分别为0.54mm和0.52mm；右侧桩基在设隔离桩前后最大横桥向位移分别为0.56mm和0.53mm。相比于不采取加固措施，采取隔离桩加固措施以后，对桩基的横桥向位移影响较小。

(3)左侧桩基在设隔离桩前后最大垂直向位移分别为1.27mm和0.49mm；右侧桩基在设隔离桩前后最大垂直向位移分别为1.16mm和0.41mm。相比于不采取加固措施，采取隔离桩加固措施以后，可以使得最大垂直向位移减小61%以上。

(4)采取隔离桩之后，桩基的各向位移均小于1mm，满足《高速铁路设计规范》的位移要求，说明本工程采用的隔离桩加固措施是有效的，能将桩基的变形控制在规范值范围内。