基于桩基础的城市明挖隧道支撑方案分析研究

基于桩基础的城市明挖隧道支撑方案分析研究

喻寄

深圳市综合交通设计研究院有限公司 广东省深圳市 518003

摘要：随着城市的经济快速发展，城市地下道路的交通方案越来越多的被采用，但特殊情况下城市地下道路采用明挖隧道时，往往不具备地基处理的条件，需要利用桩基础对隧道结构进行支撑。结合深圳市妈湾跨海通道工程，利用有限元软件MIDAS计算了不同桩基础布置方案下的桩基受力及主体结构受力，并对受力进行对比分析，得出了利用桩基础支撑城市明挖隧道时的一些结论，为类似工程提供了参考。

关键词：明挖隧道；桩基础；支撑方案；内力分析；

0．引言

随着经济的快速发展，城市交通正在逐渐向地下拓展，城市地下隧道以其极大的功能优势正在被越来越多的城市所采用。但很多城市地质条件并不是很好，尤其是沿海经济发达的地区，基底的承载能力往往不能满足设计要求，通常情况需要进行地基处理，比如预压及超载预压、搅拌桩或旋喷桩、注浆加固等，以提高地基承载能力。^[1]

但特殊情况下，项目实际情况不一定具备地基处理的条件，比如工期影响、进度影响或者外部条件的限制等等，此时就需要另外一种隧道结构的支撑方式。本文以深圳市妈湾跨海通道工程为背景，提出设置刚性桩基础的支撑方式，并对桩基础不同布置方式下的结构受力分布进行分析对比，以得出不同桩基布置方式下的桩基及主体结构内力变化趋势，为类似工程提供参考。

1.工程背景

妈湾跨海通道工程位于深圳市西部，南起于妈湾大道与月亮湾大道相交处，向北穿越前海湾海域，止于沿江高速大铲湾收费站及金湾大道与西乡大道相交处，路线全长约8.05km，其中前海段2.5km，海域段1.1km，大铲湾段4.45km。该项目规划等级为城市快速路，地下道路设计速度80km/h，横断面布设为双向6车道，地下隧道全长约6246.8m。隧道结构原设计采用PHC管桩复合地基，受施工工艺及工期影响，拟取消复合地基，改为桩基础支撑。本文将以CR03节段（结构横断面布置见图1，节段长度40m）为例进行桩基础支撑方案研究。

图1 横断面布置图（单位：cm）

根据地质勘察报告，该段明挖隧道基底以下主要为淤泥、黏土、淤泥质砂、淤泥质泥土、粗砂、砂纸粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩及微风化花岗岩等。由于本项目紧邻海边，根据水文勘察报告，抗浮设计水位按地表水位计算。

本项目主要依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60－2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3362-2019）、《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）^[2]等规范进行设计标准确定、荷载取值及设计验算。

2.桩基主要参数计算

本项目拟采用长24m直径1.2m桩基础进行支撑，桩底进入中风化花岗岩层，桩基主筋配24根直径32mm钢筋，钢筋采用HRB400级，混凝土采用C35级，桩基刚度作为主要参数计算如下。

根据李兰勇^[3]的抗拔桩简化模型推导，在桩身与桩周土体不发生相对位移的情况下，桩基的弹簧刚度即为桩基在轴力作用下的刚度，即桩基刚度K=EA/L，式中E为弹性模型，A为截面面积，L为有效桩长。

对于抗拔桩而言，根据吕培林^[4]关于桩基计算模式的研究，由于钢筋弹性模量远大于混凝土弹性模量，主要由钢筋承担桩身拉力，因此桩基在受拉模式计算其刚度时，E取钢筋弹性模量，A取钢筋截面面积，L为实际桩长。对于承压桩而言，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）^[2]第5.5.14条相关规定计算桩身压缩量，此时主要由混凝土承担桩身压力，因此桩基在受压模式计算其刚度时，E取混凝土弹性模量，A取混凝土桩身截面面积，L为实际桩长。

根据上述原则计算，本项目中桩基在承受拉力时，桩身轴向抗拉刚度为160768KN/m，在承受压力时，桩身轴向抗压刚度为1483650KN/m。

3.桩基布置方案

根据本项目实际工程特点，结合桩基尺寸，对桩基进行以下几种设计方案：方案一采用横向四排桩均布布置；方案二采用横向四排桩近侧墙矩形布置；方案三采用横横向四排桩近侧墙梅花型布置；方案四采用横向两排桩布置；以上四种方案中，桩基纵向均采用4m间距布置。方案一至方案四平面布置图见图2~图5。

图2 横向四排桩均布布置图（单位：m） 图3 横向四排桩近侧墙矩形布置图（单位：m）

图4 横向四排桩近侧墙梅花型布置图（单位：m） 图5 横向两排桩布置图（单位：m）

桩基布置纵向间距均为4m，方案一~方案三横向间距分别为6.4m、3.0m及2.0m，实际桩基间距均满足《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3362-2019）中关于桩基间距的相关要求。

4.方案对比分析

4.1有限元计算模型

结构计算采用有限元分析软件MIDAS CIVIL进行，模型采用空间结构计算模拟，根据地质勘查报告持力层特性，考虑实际地基弹性支撑刚度（仅受压），桩基模拟采用节点弹性支撑刚度，同时建立桩基仅受压弹性刚度及仅受拉弹性刚度，桩基刚度按前文计算取值，根据程序设定，当桩基受压时，桩基节点受拉刚度不发挥作用，仅受压刚度发挥作用，同理，当桩基受拉时，桩基节点受压刚度不发挥作用，仅受拉刚度发挥作用。

根据结构实际可能发生工况，结构考虑无水及有水两种工况，其中无水工况发生于隧道结构施工完毕且覆土回填时地下水位仍低于底板以下工况，有水工况发生于运营期间地下水位回升至常水位工况。有限元模型见图6。

图6 方案一有限元模型（以方案一为例）

4.2计算结果

在本项目中，仅研究不同桩基布置情况下的桩基反力及底板内力对比分析，因此在计算结果讨论时，仅对施工期间无水工况下的桩基反力、运营期间有水工况承载能力极限下的桩基反力以及运营期间有水工况承载能力极限下的底板横向内力进行对比分析。

施工期间无水工况及运营期间有水工况下的桩基反力结果见图7~图8。图中数值为正代表桩基受压，数值为负代表桩基受拉。运营期间有水工况下的底板横向内力结果见图9。

图7无水工况桩基反力（方案一为例）（单位：KN） 图8 有水工况桩基反力（方案一为例）（单位：KN）

图9底板横向内力（方案一为例）（单位：KN.m）

根据计算结果，可以发现桩基沿结构纵向布置的变化较小，这主要是由于对于闭合框架结构而言，结构内力主要沿横向传递，而纵向为次要受力方向^[5]，因此对于同一纵排桩基来说，变化较小是符合规律的。相反，不同的桩基横向布置对桩基反力以及结构底板横向内力的影响较大，因此，本文仅对不同桩基横向布置下的桩基反力最大值（或最小值）以及结构底板横向内力最大值（或最小值）进行比较分析。见图10~图12。

图10 施工期间无水工况桩基反力对比图 图11 运营期间有水工况桩基反力对比图

图12 运营期间有水工况底板横向内力对比图

4.3 计算结果分析

根据以上计算结果及统计，可以发现以下几点规律：

1. 无水工况下，四种方案桩基反力均为正值，这是因为在没有底板水压力的作用下，所有桩基均呈受压状态，均参与结构支撑作用。

2. 有水工况下，双排桩方案桩基亦均呈受压状态，全部参与结构支撑作用，但是在四排桩方案下，跨中排桩基均呈受拉状态，这是由于在底板水压力作用下，底板发生向上的变形趋势，底板变形带动桩基发生上拔趋势，因此靠跨中排桩基呈受拉状态。

3. 有水工况下，方案一至方案三中，随着跨中排桩基距离侧墙的间距减小，跨中排桩基的拉力逐渐减小，这是由于底板在跨中的位置变形最大，两侧位置变形最小，因此桩基越靠近跨中，其上拔力越大，桩身所受到的拉力也就越大。同时还发现，跨中排桩基所受到的拉力越大，侧墙底桩基桩基所受到的压力就越大，其绝对值基本成正相关关系。根据牛顿第一定律，任何一个物体在不受外力和受平衡力的作用时，总是保持静止状态或匀速直线运动状态，反之亦然。

4. 有水工况下，四种方案的底板横向内力均发生了变化，跨中排桩基越越靠近侧墙时，底板跨中横向负弯矩越大，侧墙底处的正弯矩也越大，这个结果是符合实际规律的，因为桩基的设置相当于减小了结构净跨径，同时跨中弯矩对侧墙底处的正弯矩造成了相应的影响。但值得一提的是，方案一与其他方案的跨中弯矩及侧墙底弯矩差别均较大，而方案二~方案四的跨中弯矩及侧墙底弯矩差别较小，可以认为，当在侧墙底设置双排桩或单排桩时，对结构底板的内力影响并不大。

以上分析仅针对桩基内力及底板内力进行了对比分析以发现其规律，在实际设计时，仍需注意以下几个方面：

1. 在实际地质与设计桩长下，桩基抗压及抗拔承载能力等能否满足设计要求^[6]，本文实例方案一中，桩身承受抗拔承载能力2086KN，经验算，该桩长设计下其抗拔承载能力无法满足其实际抗拔承载能力，因此需要加长桩长、加大桩径或减小桩基纵向间距以满足要求；

2. 在实际内力、桩身尺寸及配筋设计下，桩身承载能力以及裂缝等能否满足设计要求，本文实例方案四中，桩身压力11342KN，超出了桩身实际抗压承载能力极限值，因此该方案无法实施；

3. 在实际内力及主体结构尺寸设计下，主体结构承载能力及裂缝等通过配筋能否满足设计要求；

4. 本文未针对桩基纵向布置间距作比较，在实际情况中，纵向布置间距越小，桩基所有内力将越小，可以调整纵向布置间距以使桩基受力达到最优；

5. 本文未针对各方案实际造价进行对比，在实际情况中，除了需将不同方案下的结构就桩基造价进行对比外，还需与复合地基方案下进行对比造价对比，以求经济效益最大化。

5. 结论与建议

本文通过工程实例，利用有限元分析软件，研究了城市明挖隧道采用桩基础支撑以替代复合地基处理时，不同桩基布置下的桩基及主体结构的受力状态，并对不同桩基布置方案下的受力状态进行对比分析，主要结论如下：

1. 利用桩基支撑明挖隧道结构以替代复合地基处理的方案是基本可行的；

2. 桩基的横向布置将对桩基受力和结构横向受力产生较大影响，桩基布置越靠近侧墙，桩基受力越有利，但结构底板横向受力越不利，反之亦然；

本文所讨论的城市明挖隧道桩基布置，尤其适用于明挖隧道与城市其他地下构筑物（比如地铁）并行且明挖隧道处于上层空间而无法进行地基处理时的情况，可以通过方案二或者方案三的方式进行隧道支撑而减小对其他构筑物的影响。本文仅针对桩基内力及底板内力进行了对比分析，为类似工程提供参考，实际工程中，仍需结合工程实际情况，研究分析桩基承载能力及裂缝、主体结构承载能力及裂缝以及综合造价等方面，以得出受力最优、造价最经济的工程方案。

参考文献

[1]谢迎前, 陈明贵. 城市隧道地基处理浅析[J]. 山西建筑, 2011, 037(021):42-43.

[2]中国建筑科学研究院. 建筑桩基技术规范[M]. 中国建筑工业出版社, 2008.

[3]李兰勇, 何英雷, 何培勇,等. 地下结构抗浮设计中抗拔桩的简化模型及其应用[J]. 科学技术与工程, 2012, 12(014):3528-3531.

[4]吕培林. 设置抗拔桩条件下地道敞开段底板计算模式的研究[J]. 城市道桥与防洪, 2014(7):130-134.

[5]冷锋. 明挖隧道异形闭合框架结构分析[J]. 特种结构, 2017, 034(004):66-70.

[6]姚晓励. 地下道路抗浮桩设计思考[J]. 市政技术, 2017, 35(002):34-36.

作者简介：喻寄；性别：男；民族：汉族；职称：工程师；学历：本科；主要从事：桥梁与隧道专业；单位：深圳市综合交通设计研究院有限公司。

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