某桥梁桩基施工对高铁隧道影响分析

某桥梁桩基施工对高铁隧道影响分析

作者姓名：张豪杰

单位：中铁上海工程局集团有限公司第一机械化分公司

省市：江苏省南京市

邮编：211100

摘要：近些年来，结合各自施工工程项目，有大量科研工作者和设计人员对桩基施工对周边结构物的扰动做了大量研究：采用GTS值方法，对钻孔灌注桩对临近桩基的影响进行了数值模拟；采用PLAXIS对冲孔桩施工对桥梁桩基的动力影响进行了分析；通过按照弹性地基梁理论，推导了盾构施工过程中土体对现状构筑物的内力和挠曲影响的计算公式；等针对隧道施工对既有桩基的影响，进行了三维有限元数值模拟。目前关于桩基施工对高铁隧道的影响还不多见本文结合工程实例，通过三维有限元软件MIDAS GTS对桩基进行数值模拟，研究分析了桩基施工各个阶段对高铁隧道的影响，可用于工程施工参考。

关键词：桥梁桩基；高铁隧道

1 工程概况

某工程新建桥梁位置受限，需要在高速铁路隧道两边设置桩基，桩基最近距离隧道结构边线最近处约7.8 m。新建桥梁桩基采用钻孔灌注桩，桩径2 m，按照嵌岩桩设计，桩长80 m，其中14号墩桥梁桩基距离隧道结构边线最近约7.8 m，隧道为单洞隧道，埋深约15 m，隧道直径约14 m。桥梁桩基在施工时对既有隧道有一定影响，应对桩基施工周边的土体和隧道的变形和受力变化进行分析，评估施工过程对既有隧道的影响。

2 计算建模

2.1 整体模型

采用MIDAS GTS建立桩基和隧道三维有限元模型。

根据圣维南原理，建模时选取足够大尺寸的模型，模型尺寸为长（Y）×宽（X）×高（Z)=240 m×180 m×120 m，共有258 373个单元，45 055个节点。模型中，隧道采用2D壳单元，土层和桩体采用3D实体单元，土体采用Drucker-Prager屈服准则，桥桩采用线弹性本构模型。

2.2 计算参数选取

边界条件：模型采用位移边界条件，底面为固定约束，侧面为法向约束。

土体由上至下共分为5层，最下面一层为岩层，每层参数按照勘察报告中选取，见表1、表2。

表1 土体参数表

表2 钢筋混凝土结构参数

2.3 计算工况

为了模拟桩基施工对高铁隧道的影响，本次计算选取如下2个工况进行分析：

工况1：桩基成孔过程中；

工况2：桥梁运营后。

3 分析结果

3.1 工况1

3.1.1 承台周边变形分析

由上述地层竖向和横向位移云图可知，在工况1情况下，地层位移主要由于桩基开挖导致，由于桩基成孔以及承台开挖施工，导致承台处在周边地层应力作用下，产生了隆起，竖向最大隆起为9.3 mm；最大沉降0.2 mm，在桩基周边。横向由于桩基成孔，在地层应力作用下，桩位处产生了横向位移，最大为9.0 mm，位于桩底。

3.1.2 隧道变形分析

由上述隧道竖向和横向位移云图可知，在工况1情况下，隧道受桩基旋挖施工影响，在临近桩基位置出现较大位移。竖向最大隆起为0.4 mm，位于拱腰。最大沉降为0.2 mm，位于拱顶。横向最大位移为0.9 mm，位于拱腰。纵向最大位移为0.1 mm，位于拱腰。

3.1.3 隧道内力分析

由上述隧道横向和纵向弯矩云图可知，在工况1情况下，隧道横向最大正弯矩为398.9 k N·m，位于拱脚，最大负弯矩为401.6 k N·m，位于拱底；隧道横向最大轴力为2 030.5 k N，位于拱脚。

3.2 工况2

3.2.1 桩基周边变形分析

由上述桩基周边地层位移云图可知，在工况2情况下，在运营阶段，桩基在承受桩顶力工况下，会产生竖向变形，从而导致周边土产生一定的隆起，竖向最大隆起为3.5 mm，位于桩基承台周边处；同时桩基底部由于桩身自身受压弹性变形，导致周边土体也发生沉降，最大沉降4.6 mm。桩基由于竖向变形在桩底同时也产生横向变形，最大为9.0 mm。

3.2.2 隧道变形分析

由上述隧道位移云图可知，在工况2情况下，隧道竖向最大变形为1.0 mm，位于拱腰。横向最大位移为0.8 mm，位于拱腰。

3.2.3 隧道内力分析

由上述隧道位移云图可知，在工况2情况下，隧道横向最大正弯矩为417.4 k N·m，位于拱脚，最大负弯矩为409.2 k N·m，位于拱底；隧道横向最大轴力为2 031.8 k N，位于拱脚。

4 隧道受力分析

由工况1和工况2的分析可知，隧道在工况1和工况2的作用下，都会产生一定的横向和纵向弯矩，该弯矩主要是由于桩基施工所导致的。由于在进行GTS分析时，是单独将工况1和工况2分开分析的，实则在最终运营状况下工况1和工况2是受力叠加的过程，工况2是在工况1内力和变形已经发生的基础上进一步的发生变形和内力。故在进行隧道受力分析时，应综合考虑两个阶段的变形和内力，鉴于工况2成桩后，对周边土体变形有一定的抑制作用，在此为了方便分析，将工况1和工况2产生的内力和变形进行叠加来对隧道受力进行分析。

隧道主要受力模式与变形为横向变形，在此根据上述工况1和工况2的计算结果，隧道在横向弯矩作用下。

由以上计算可知，隧道在工况1和工况2条件下，隧道在拱脚处产生较大的裂缝，最大裂缝约0.19 mm。可以看出，裂缝虽小于规范要求的0.2 mm，但已经比较接近，设计和施工时建议对地层考虑预先加固措施。。

5 结语

由以上分析可见，受桩基施工的影响，从桩基开挖至施工完成，地层及隧道结构的受力均有一定变化。主要表现在以下几个方面：

（1）工况1下桩基成孔施做阶段，由于基坑开挖，导致周边土产生隆起，故建议在工况下基坑开挖时做好支护。

（2）就地层而言，地层最大变形均发生在桩基处，竖向隆起减小，竖向沉降增大。横向变形及纵向变形变化不明显。隧道结构最大位移始终出现在临近桩基区域。当桩基开挖时，隧道结构上同时存在隆起及沉降位移，而桩基施做完成后，隆起消失，最大沉降位移增大。隧道横向及纵向位移变化不明显。

（3）就隧道内力而言，随着桩基施做完成，隧道横向轴力略有增大。隧道纵向整体沉降趋同，纵向轴力有所减小。隧道横向、纵向弯矩均略有增加。

综上可见，相对于桩基的开挖半径，桩基与隧道结构的间距较大，桩基开挖与施做对隧道结构的影响有限。隧道受力和变形影响基本在规范和铁路部门允许范围内。以后类似桥桩与地下结构物较近的工程项目，采用MIDAS GTS进行三维实体分析，不失为一种有效的方法。

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