仇文革， 雷 勁

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室， 四川 成都 610031)

上軟下硬地層地鐵隧道與近接橋梁樁基的相互影響分區(qū)研究

仇文革， 雷 勁*

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室， 四川 成都 610031)

依托青島紅島—膠南城際軌道交通工程側(cè)穿多座橋梁的工程實例，采用有限元強(qiáng)度折減法，對上軟下硬地層樁基近接影響下的隧道安全系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明： 1)水平方向上，隨水平凈距增大，隧道安全系數(shù)增加，至1倍洞徑后，安全系數(shù)趨于穩(wěn)定； 2)豎直方向上，隨埋深增加，隧道安全系數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小； 3)樁基的存在將降低隧道安全系數(shù)，增加隧道達(dá)到最大安全系數(shù)所需的埋深。通過有無樁基對比，對不同相對位置關(guān)系下的地鐵隧道近接橋梁施工影響程度進(jìn)行判定： 1)總體上豎向的影響范圍和影響程度均大于橫向； 2)當(dāng)隧道埋深位于樁底以上時，近接施工幾乎只對隧道產(chǎn)生影響； 3)當(dāng)隧道埋深位于樁底以下時，近接施工對于隧道和橋梁樁基均有不同程度的影響，當(dāng)隧道位于樁底時達(dá)到最大。通過樣條函數(shù)插值補(bǔ)全和多重二次曲面擬合的方法，給出影響系數(shù)通用分區(qū)圖，并結(jié)合數(shù)值模擬下的樁基受力變形特征，得出影響系數(shù)0.8對應(yīng)的等值線為強(qiáng)影響區(qū)與弱影響區(qū)的分界線，影響系數(shù)1的等值線為弱影響區(qū)與無影響區(qū)的分界線。通過影響分區(qū)結(jié)論與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，驗證了研究成果的實用性。

隧道近接樁基； 上軟下硬地層； 強(qiáng)度折減法； 安全系數(shù)； 多重二次曲面擬合； 影響分區(qū)

0 引言

在我國現(xiàn)代化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，交通建設(shè)一直扮演著相當(dāng)重要的角色。在地理條件受到限制或需要更高精度運(yùn)行條件時，通常采用橋梁跨江越?；蛩淼来┥皆綆X[1]。隨著交通建設(shè)網(wǎng)的不斷擴(kuò)張，隧道與橋梁并行交叉的情況越來越多，其距離也越來越近。在隧道安全施工的同時保證既有橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定，降低兩者間的相互影響，將施工風(fēng)險降到最低成為一個亟待解決的問題[2]。

目前對于隧道工程近接橋梁樁基的研究已經(jīng)取得了一定的成果。鄭熹光等[3]利用數(shù)值模擬研究了城市盾構(gòu)隧道施工對鄰近橋梁1樁、2樁、4樁基礎(chǔ)的應(yīng)力與位移的影響；楊超等[4]通過三維數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隧道施工對臨近樁基的影響不僅與隧道施工工況有關(guān),而且也與樁基的位置、長度和數(shù)目緊密相關(guān)；王成等[5]通過有限元強(qiáng)度折減法計算了不同水平距離和樁基荷載下的隧道安全系數(shù)并對其分布變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

從現(xiàn)有的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，以往的學(xué)者多以隧道或橋梁樁基中的某一個體作為研究對象，而并非將兩者看成一個相互關(guān)聯(lián)的體系來討論； 且以往的研究對于兩者間的影響程度及范圍往往只給出了一個籠統(tǒng)的結(jié)論，缺乏系統(tǒng)定量的研究及對于兩者空間位置關(guān)系對應(yīng)的影響分區(qū)的深入討論。

本文結(jié)合青島地鐵R3線出現(xiàn)的隧道近接既有橋梁樁基工程實例，采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的方式，以基于強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)為基礎(chǔ)對工程影響區(qū)域進(jìn)行劃分，同時結(jié)合三維數(shù)值模擬隧道實際開挖過程中既有橋梁樁基的受力變形特征對影響分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，總結(jié)出上軟下硬地層地鐵隧道近接橋梁樁基的通用影響分區(qū)圖。

1 近接影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和理論基礎(chǔ)

1.1 基于強(qiáng)度折減法的影響系數(shù)

安全系數(shù)的定義有多種形式，但在隧道工程中，一般采用基于強(qiáng)度儲備的安全系數(shù)[6]。由工程經(jīng)驗可知，靜力條件下土體破壞大多表現(xiàn)為剪切破壞[7]，在服從摩爾-庫侖準(zhǔn)則的前提下，對土體穩(wěn)定性影響最大的強(qiáng)度參數(shù)是黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ[8]。將土體原始黏聚力c和內(nèi)摩擦角的正切值tanφ同時除以一個系數(shù)ω，得到新的參數(shù)c′和tanφ′，再進(jìn)行計算，直到土體到達(dá)極限平衡狀態(tài)，此時這個系數(shù)ωcr就是強(qiáng)度折減的安全系數(shù)Fs[9-10]。其過程可以表示如下。

強(qiáng)度折減法在隧道領(lǐng)域中的適用性早已得到普遍認(rèn)可，本文選用位移突變作為收斂判據(jù)[11-12]。有研究成果表明，隧道安全系數(shù)隨著埋深的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的總體趨勢[13]。這表明隧道的破壞模式隨著所處空間位置的改變也將隨之產(chǎn)生變化，從理論上來講，在開挖工法、地層條件等因素不變的情況下，隧道安全系數(shù)發(fā)生變化則必然受到周邊建筑物及環(huán)境的影響[14-15]。

為了探究隧道近接橋梁樁基的影響規(guī)律并對其影響程度進(jìn)行量化，本文通過有無樁基對比，將近接橋梁樁基的隧道安全系數(shù)記為Fsi，相同位置同等條件下無橋梁樁基的隧道安全系數(shù)記為Fsi0，兩者安全系數(shù)之比Ki=Fsi/Fsi0稱為影響系數(shù)。通過影響系數(shù)Ki對影響程度進(jìn)行分區(qū)：Ki值越大，說明2種工況下隧道安全系數(shù)變化越小，橋梁樁基與隧道相互影響也越??；反之，Ki值越小，說明2種工況下隧道安全系數(shù)變化越大，橋梁樁基與隧道相互影響也越大。當(dāng)Ki減小到某一數(shù)值后，認(rèn)為橋梁樁基與隧道間的相互影響已相當(dāng)嚴(yán)重，可將其臨界值作為強(qiáng)影響區(qū)和弱影響區(qū)的分界值，本文先不妨假設(shè)為0.75。當(dāng)Ki達(dá)到最大值1時，認(rèn)為兩者互不影響，該情況下可視為2個獨(dú)立的建筑工程，故將1作為弱影響區(qū)和無影響區(qū)的分界值。

同時影響程度是相對的，相互影響卻是絕對的，對于橋梁樁基而言，受隧道近接施工影響，其樁頂沉降、樁體受力等也將發(fā)生改變，故通過橋梁樁基的受力變形特征對基于隧道影響系數(shù)的影響分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，可得到更具有普遍性的通用影響分區(qū)。

1.2 多重二次曲面擬合

多重二次曲面擬合是利用多個二次曲面根據(jù)一定的權(quán)重比例組合在一起，對已知數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合逼近的一種方法[16]?；径吻娴姆N類較多，通常情況下可選用圓錐曲面作為基本單元，其曲面方程式為

(1)

式中k為圓錐曲面的斜率。

若已知n個數(shù)據(jù)點(diǎn)zi(i=1,2,…,n),分別對應(yīng)于(xi,yi)。分別以這n個已知點(diǎn)為頂點(diǎn)，可得到多重二次曲面函數(shù)基本方程組

(2)

式中：i=1,2,…,n；j=1,2,…,n。

令

可將式(2)寫成矩陣形式

Z=AK。

(3)

將已知數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式(2)或式(3)，求解系數(shù)矩陣K，則可得到多重二次曲面擬合方程式。

2 基于影響系數(shù)的影響區(qū)劃分

2.1 計算工況設(shè)置

基于平面應(yīng)變準(zhǔn)則，采用FLAC3D建立計算模型，模型兩側(cè)及底部邊界均大于5倍洞徑，土體采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，橋梁樁基采用彈性本構(gòu)模型，樁基和土體間建立接觸單元。結(jié)合青島地層“上軟下硬”的典型特征，模型從地表向下土體依次為素填土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖以及微風(fēng)化花崗巖。為探究一般規(guī)律，本文將地鐵隧道近接橋梁樁基工程抽象為如圖1所示的基本模型。樁頂荷載根據(jù)相關(guān)規(guī)范結(jié)合實際工程估算荷載集度p為2 MPa。在計算過程中，隧道毛洞采用全斷面開挖一次成型，不考慮初期支護(hù)、輔助工法等的影響。

(a) 整體模型輪廓(單位： m)

L為樁基長度；B為隧道跨度；D為隧道與樁基最外側(cè)間的水平凈距；H為隧道埋深；p為荷載集度。

(b) 模型細(xì)部

圖1 基本模型

Fig. 1 Basic models

材料物理力學(xué)參數(shù)參照相關(guān)地勘報告和規(guī)范進(jìn)行取值，如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

注： 樁基與土體的接觸面參數(shù)中法向、切向剛度均為對應(yīng)土體體積模量和剪切模量之和的10倍，黏聚力、內(nèi)摩擦角均為對應(yīng)土體的0.8倍。

將決定隧道與橋梁樁基空間位置關(guān)系的水平凈距D和埋深H分別以隧道跨度B和樁長L之比進(jìn)行替換，進(jìn)行量綱一化，設(shè)置的42組工況如表2所示。

表2 計算工況

2.2 安全系數(shù)分布規(guī)律分析

結(jié)合青島“上軟下硬”地層特點(diǎn)和工程實際情況，橋梁樁基礎(chǔ)多采用端承樁的形式，且多以中風(fēng)化花崗巖作為持力層。本文假設(shè)基本模型中橋梁樁長L為18 m，嵌入中風(fēng)化花崗巖5 m，樁徑為1.5 m，隧道跨度B為7 m。當(dāng)隧道洞身位于樁身、樁底以及超淺埋范圍內(nèi)時，無法采用常規(guī)工法進(jìn)行施工，需單獨(dú)進(jìn)行討論。

利用強(qiáng)度折減法，以隧道拱頂沉降為監(jiān)測對象，通過試算確定計算無法收斂時對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)范圍后，縮小折減系數(shù)步距再次計算，以獲得更加精確的計算結(jié)果。隧道拱頂沉降與強(qiáng)度折減系數(shù)關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 拱頂沉降與強(qiáng)度折減系數(shù)關(guān)系曲線

由圖2可知，隧道拱頂沉降在強(qiáng)度折減系數(shù)增大至2.436時發(fā)生了突變，可認(rèn)為該隧道的安全系數(shù)為2.436。分別對42種工況進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。

表3 安全系數(shù)計算結(jié)果

由隧道近接橋梁樁基的安全系數(shù)計算結(jié)果可知：

1)在埋深不變的情況下，隧道安全系數(shù)隨距離樁基的水平凈距增加在不斷增大。當(dāng)其距離超過某一范圍后，安全系數(shù)開始趨于穩(wěn)定，其原因在于橋梁樁基對隧道的影響隨著水平凈距的增大而不斷減弱。

2)隨著埋深的增加，隧道安全系數(shù)總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；但在一定深度范圍內(nèi)隧道與橋梁樁基水平凈距越小，這一趨勢反而越不明顯，說明在隧道近接橋梁樁基施工中，其相互影響程度在隧道安全系數(shù)中占主導(dǎo)地位。

3)隧道埋深位于樁底以上時，橋梁樁基對于隧道的安全系數(shù)影響較??；隧道埋深位于樁底以下時，隧道安全系數(shù)雖然因其埋深有一定增加，但樁體對于隧道安全系數(shù)的削弱程度也較前者有明顯增加。當(dāng)隧道埋深繼續(xù)增加，樁基對于隧道的近接效應(yīng)又開始逐漸減弱；當(dāng)埋深超過一定深度，隧道開挖的安全系數(shù)不再受樁基的制約。

2.3 影響分區(qū)劃分

由2.2節(jié)計算結(jié)果可得到影響系數(shù)Ki的分布規(guī)律，如表4所示。

表4 影響系數(shù)分布情況

使用Matlab自帶griddata函數(shù)中的4格點(diǎn)樣條函數(shù)內(nèi)插[17]，對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充(即加密數(shù)據(jù)點(diǎn))，同時根據(jù)影響系數(shù)Ki的定義將插值結(jié)果中大于1的加密點(diǎn)進(jìn)行修正，然后對所有已知點(diǎn)(原始數(shù)據(jù)點(diǎn)和加密點(diǎn))進(jìn)行多重二次曲面擬合，可得到影響系數(shù)空間分布規(guī)律圖，如圖3所示。同時，可通過Matlab將擬合結(jié)果進(jìn)行可視化，如圖4所示。

圖3 影響系數(shù)空間分布圖

圖4 影響系數(shù)插值擬合結(jié)果

由圖3和圖4可以看出： 1)總體上樁基在豎向產(chǎn)生的影響范圍和影響程度均大于橫向； 2)隧道受影響范圍隨埋深增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)隧道埋深等于L時，受影響范圍最大； 3)當(dāng)隧道位于樁底以上時，水平凈距大于1B后，樁基對于隧道的影響可忽略不計； 4)隧道距離樁底越近，受影響程度越大。

通常情況下，任何擬合算法對于已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量和分布情況都比較敏感，故對于多重二次曲面擬合效果有必要進(jìn)行精度與誤差檢驗。重新選取5組工況，對數(shù)值模擬和擬合公式得到的影響系數(shù)進(jìn)行對比，如表5所示。

表5 擬合精度分析

結(jié)果表明，通過樣條函數(shù)插值補(bǔ)充的多重二次曲面擬合算法具有較高精度，能夠滿足工程精度要求。

3 基于樁基受力變形特征的分區(qū)優(yōu)化

3.1 近接施工過程模擬

計算模型土體尺寸為100 m×80 m×40 m，分別約束模型的四周和底面，地表為自由面。土體及初次襯砌采用摩爾-庫侖彈塑性模型，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用彈性實體單元模擬，樁基礎(chǔ)采用pile單元模擬土體與樁之間的相互作用。按照實際施工工序建立主要的施工階段，如表6所示。

表6 施工工序表

根據(jù)橋梁樁基與隧道的相對位置關(guān)系，分別建立隧道埋深為1L和2L時，水平凈距為0.25B、0.5B、0.75B、1B、1.5B和2B；水平凈距為0.25B和2B時，隧道埋深為0.5L、0.75L、1.5L和2L以及無隧道施工干擾下的橋梁共19組不同工況，示意圖如圖5所示。

模型空間位置圖和建模分析圖如圖6所示。

3.2 計算結(jié)果分析

為了避免邊界效應(yīng)，選取距隧道最近的5#樁作為研究對象。隧道開挖完成后，各工況下的樁頂附加沉降和樁頂附加軸力如表7所示。樁基沉降和軸力曲線如圖7所示。

(a) 工況分布

(b) 承臺及樁基尺寸(單位： m)

(a) 空間位置圖

(b) 內(nèi)部透視圖

Fig. 6 Sketches of relative relationship between tunnel and pile foundations

表7 各工況橋梁樁基計算結(jié)果

Table 7 Calculation results of pile foundations in different working conditions

工況 位置樁頂附加沉降(沉降相對值)/mm樁頂附加軸力(軸力相對值)/kN水平凈距0.25B不同埋深水平凈距2B不同埋深埋深1L不同水平凈距埋深2L不同水平凈距0.5L0.75(0.32)21(0.26)0.75L1.02(0.44)43(0.53)1L2.34(1.00)81(1.00)1.5L2.18(0.93)62(0.77)2L0.37(0.16)17(0.21)0.5L0.15(0.94)2(1.00)0.75L0.15(0.94)2(1.00)1L0.15(0.94)2(1.00)1.5L0.16(1.00)2(1.00)2L0.16(1.00)2(1.00)0.25B2.34(1.00)81(1.00)0.5B1.46(0.62)35(0.43)0.75B1.03(0.44)24(0.30)1B0.84(0.36)13(0.16)1.5B0.27(0.12)5(0.06)2B0.15(0.06)2(0.02)0.25B0.37(1.00)17(1.00)0.5B0.29(0.78)14(0.82)0.75B0.23(0.62)10(0.59)1B0.19(0.51)5(0.29)1.5B0.18(0.49)3(0.18)2B0.16(0.43)2(0.12)

注： 為便于綜合對比分析，將表中數(shù)據(jù)折算成相對值，見括號內(nèi)數(shù)據(jù)。

由計算結(jié)果可知： 1)隨著隧道埋深的不斷增加，在隧道距樁基水平凈距僅0.25B時，樁頂沉降和樁頂軸力在1L～1.5L明顯增大，對應(yīng)于影響系數(shù)分區(qū)圖0.75～0.85； 2)當(dāng)隧道與樁基水平凈距達(dá)到2B時，樁頂沉降和軸力幾乎不受影響，對應(yīng)于影響系數(shù)分區(qū)圖1以外； 3)當(dāng)隧道埋深位于1L時，樁頂沉降和樁頂軸力在0.5B水平凈距內(nèi)明顯增大，對應(yīng)于影響系數(shù)分區(qū)圖0.80～0.85； 4)當(dāng)隧道埋深達(dá)到2L時，樁頂沉降和軸力在1B水平凈距內(nèi)雖有一定變化，但變化量不大，對應(yīng)于影響分區(qū)圖0.9～1。

為了保證隧道安全修建的同時，橋梁既有結(jié)構(gòu)也能盡可能小地受到影響，根據(jù)橋梁樁基受力變形特征對影響分區(qū)進(jìn)行修定： 將影響系數(shù)0.8作為強(qiáng)影響區(qū)和弱影響區(qū)的分界線，影響系數(shù)1作為弱影響區(qū)和無影響區(qū)的分界線。

4 工程實例分析

4.1 工程概況

青島市紅島—膠南城際(井岡山路—大珠山)軌道交通工程(簡稱R3線)，一期工程建設(shè)范圍始于開發(fā)區(qū)的井岡山路，止于新區(qū)中心區(qū)的大珠山站。工程正線線路全長28.803 km，其中地下線長15.902 km，高架線長12.661 km，設(shè)車站12座。地鐵區(qū)間為單洞單線區(qū)間，采用礦山法施工，復(fù)合式襯砌暗挖結(jié)構(gòu)。除部分不良地質(zhì)段外，主要采用臺階法開挖，區(qū)間斷面形式為馬蹄形，采用全包防水。

(a) 相同水平凈距不同埋深

(b) 相同埋深不同水平凈距

在黃東區(qū)間隧道開挖過程中，需并行通過張家河橋和柏果樹河橋。1)張家河橋(簡稱A橋)上部結(jié)構(gòu)采用裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板，下部結(jié)構(gòu)采用柱式臺、柱式墩，單樁基礎(chǔ)(嵌巖樁設(shè)計)。樁徑 1 000 mm，靠區(qū)間正線最近的樁底標(biāo)高為-8.74 m(嵌入中風(fēng)化塊狀流紋巖5.5 m)，樁基到區(qū)間正線最小水平凈距為3.38 m，位于隧道拱頂以上4.66 m。地面標(biāo)高為5.60 m。2)柏果樹河橋(簡稱B橋)上部結(jié)構(gòu)同樣采用裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板，下部結(jié)構(gòu)采用柱式臺、柱式墩，單樁基礎(chǔ)(嵌巖樁設(shè)計)。樁徑 1 300 mm，靠區(qū)間正線最近的樁底標(biāo)高為-12.92 m(穿過2 m厚中風(fēng)化煌斑巖后嵌入微風(fēng)化煌斑巖1.3 m)，樁基到區(qū)間正線最小水平凈距為5.10 m，位于隧道拱頂以下6.56 m。地面標(biāo)高為5.62 m。A、B 2橋與區(qū)間正線的位置關(guān)系如圖8所示。

(a) 區(qū)間隧道側(cè)穿A橋

(b) 區(qū)間隧道側(cè)穿B橋

4.2 影響分區(qū)及效果驗證

由本文研究成果可知： A橋樁基礎(chǔ)與隧道間水平凈距為0.49B，隧道埋深為1.32L，影響系數(shù)為 0.84，位于弱影響區(qū)范圍內(nèi)；B橋樁基礎(chǔ)與隧道間水平凈距為 0.74B，隧道埋深為0.65L，影響系數(shù)為0.97，位于弱影響區(qū)范圍內(nèi)。

在施工過程中，對隧道及其周邊環(huán)境進(jìn)行了全面的監(jiān)測，其中橋梁沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)于橋梁中跨距離隧道最近的2個墩柱底部，隧道拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)分別布設(shè)于橋梁樁基同一里程斷面以及樁基前后50 m斷面上。A橋和B橋的墩柱沉降時程曲線如圖9所示。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得知： 在整個施工過程中，A橋墩柱上產(chǎn)生的最大沉降為2.6 mm，B橋墩柱上產(chǎn)生的最大沉降為1.04 mm，A橋墩柱上的沉降值始終大于B橋，但兩者均小于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及維修養(yǎng)護(hù)控制值。

(a) A橋墩柱沉降曲線

(b) B橋墩柱沉降曲線

區(qū)間隧道通過A、B 2橋不同斷面處的拱頂沉降時程曲線如圖10所示。

(a) 隧道側(cè)穿A橋不同斷面拱頂沉降曲線

(b) 隧道側(cè)穿B橋不同斷面拱頂沉降曲線

從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得知： 1)區(qū)間隧道通過A橋樁基時，其最大拱頂沉降約為7.1 mm，相對于周圍無橋梁樁基時的6.1 mm左右，有14%增幅； 2)區(qū)間隧道通過B橋樁基時，其最大拱頂沉降約10.3 mm時趨于穩(wěn)定，相對于周圍無橋梁樁基時的9.5 mm左右沉降，僅有8%增幅，表明區(qū)間隧道側(cè)穿A橋時受到的影響較B橋更大； 3)相比于常規(guī)地鐵施工規(guī)定的30 mm沉降警戒值，兩者均有較大的富余量。

監(jiān)測結(jié)果表明，地鐵區(qū)間隧道近接A、B 2橋施工，雖然對橋梁樁基存在一定程度的影響，但影響程度較弱，隧道和既有橋梁始終處于安全狀態(tài)，與本文結(jié)論相符。在實際工程中，在隧道開挖的同時往往還伴隨著支護(hù)作用，故影響半徑可視支護(hù)情況進(jìn)行適當(dāng)縮小。目前，青島地鐵R3線已全部貫通，A、B 2橋也一直處于正常運(yùn)營狀態(tài)。

5 結(jié)論與討論

1)通過對不同空間位置關(guān)系下的隧道近接橋梁樁基工程的數(shù)值計算，得到了樁基近接影響下的隧道安全系數(shù)變化規(guī)律，并對其變化規(guī)律進(jìn)行了合理的分析解釋。

2)根據(jù)以安全系數(shù)為基礎(chǔ)的影響系數(shù)分布規(guī)律對上軟下硬地層地鐵隧道近接橋梁施工影響程度進(jìn)行了判定，并采用樣條函數(shù)插值補(bǔ)全和多重二次曲面擬合的方法，給出了影響系數(shù)通用分區(qū)圖，同時結(jié)合樁基受力變形特征給出了“強(qiáng)—弱—無影響區(qū)”分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。對于類似影響分區(qū)問題，可采取本文同樣的思路和方法進(jìn)行分析。

3)在上軟下硬地層地鐵隧道近接橋梁樁基施工中，當(dāng)隧道埋深位于樁底以上時，幾乎只對隧道產(chǎn)生影響且影響較弱；當(dāng)隧道埋深位于樁底以下時，近接施工對于隧道和橋梁樁基均有不同程度影響，其影響程度在隧道位于樁底時達(dá)到最大，且總體上豎向的影響范圍和影響程度均大于橫向。

4)通過影響分區(qū)結(jié)論與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，驗證了本文影響分區(qū)的實用性和普遍性，在上軟下硬地層地鐵隧道近接橋梁樁基施工中具有一定的參考價值。

5)本文以全斷面法下的隧道毛洞為研究對象，對于隧道支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)和開挖工法等因素帶來的影響未進(jìn)行詳細(xì)探討，有待進(jìn)一步研究。

[1] 王夢恕. 21世紀(jì)我國隧道及地下空間發(fā)展的探討[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2004, 1(1): 7. WANG Mengshu. Development of tunnel and underground space in 21st century in China[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2004, 1(1): 7.

[2] MROUEH H, SHAHROUR I．Three-dimensional finite element analysis of the interaction between tunneling and pile foundations[J]．Intemational Joumal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2002，26(3)： 217.

[3] 鄭熹光, 何平, 張安琪, 等. 地鐵施工對鄰近橋梁樁基礎(chǔ)內(nèi)力影響分析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2015, 52(3): 110. ZHENG Xiguang, HE Ping, ZHANG Anqi, et al. Influence of metro construction on the internal force of adjacent bridge pile foundation[J].Modern Tunnelling Technology, 2015, 52(3): 110.

[4] 楊超, 黃茂松, 劉明蘊(yùn). 隧道施工對臨近樁基影響的三維數(shù)值分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2007, 26(增刊1): 2601. YANG Chao, HUANG Maosong, LIU Mingyun. Three-dimensional numerical analysis of effect of tunnel construction on adjacent pile foundation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(S1): 2601.

[5] 王成, 徐浩, 鄭穎人. 隧道近接樁基的安全系數(shù)研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(增刊2): 260. WANG Cheng, XU Hao, ZHENG Yingren. Study of safety factor of tunnel close to pile foundation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(S2): 260.

[6] 唐芬, 鄭穎人. 強(qiáng)度儲備安全系數(shù)不同定義對穩(wěn)定系數(shù)的影響[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2009, 31(3): 61. TANG Fen, ZHENG Yingren. Effect on safety factors in different definitions based on strength margin[J]. Journal of Civil Architectural & Environmental Engineering, 2009, 31(3): 61.

[7] 蔣建平, 章楊松, 羅國煜. 土體宏觀結(jié)構(gòu)面及其對土體破壞的影響[J]. 巖土力學(xué), 2002, 23(4): 482. JIANG Jianping, ZHANG Yangsong, LUO Guoyu. Macroscopical structure plane and its influence on failure of soil mass[J]. Rock and Soil Mechanics, 2002, 23(4): 482.

[8] 楊雪強(qiáng), 朱志政, 韓高升, 等. 不同應(yīng)力路徑下土體的變形特性與破壞特性[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(12): 2181. YANG Xueqiang, ZHU Zhizheng, HAN Gaosheng, et al. Deformation and failure characteristics of soil mass under different stress paths[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(12): 2181.

[9] 鄭穎人, 趙尚毅. 有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2004,23(19): 3381. ZHENG Yingren, ZHAO Shangyi. Application of strength reduction fem in soil and rock slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004,23(19): 3381.

[10] 鄭穎人, 邱陳瑜, 張紅, 等. 關(guān)于土體隧洞圍巖穩(wěn)定性分析方法的探索[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2008, 27(10): 1968. ZHENG Yingren, QIU Chenyu, ZHANG Hong, et al. Exploration of stability analysis methods for surrounding rocks of soil tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(10): 1968.

[11] 張黎明, 鄭穎人, 王在泉, 等. 有限元強(qiáng)度折減法在公路隧道中的應(yīng)用探討[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(1): 97. ZHANG Liming, ZHENG Yingren, WANG Zaiquan, et al. Application of strength reduction finite element method to road tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(1): 97.

[12] 陳力華, 靳曉光. 有限元強(qiáng)度折減法中邊坡三種失效判據(jù)的適用性研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2012,45(9): 136. CHEN Lihua, JIN Xiaoguang. Study of the applicability of three criteria for slope instability using finite element strength reduction method[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(9): 136.

[13] 仇文革, 章慧健. 硬巖隧道近接高層建筑施工的影響分區(qū)研究[C]//第十一屆海峽兩岸隧道與地下工程學(xué)術(shù)與技術(shù)研討會論文集. 臺灣: 溪頭, 2012： 21. QIU Wenge, ZHANG Huijian. Study of influence partition of tunnel constructed approaching to high-rise building in hard rock stratum[C]//Proceedings of The 11th Academic and Technical Symposium on Tunnel and Underground Engineering Across the Strait. Taiwan: Chitou, 2012: 21.

[14] 仇文革. 地下工程近接施工力學(xué)原理與對策的研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2003. QIU Wenge. The study of mechanics principle and countermeasure of approaching excavation in underground works[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2003.

[15] 孔超, 仇文革, 章慧健, 等. 基于巖石數(shù)值極限分析法的洞群圍巖穩(wěn)定性研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2013, 50(6): 66. KONG Chao, QIU Wenge, ZHANG Huijian, et al. A study of the rock mass stability of a tunnel group based on numerical limit analysis[J]. Modern Tunnelling Technology, 2013, 50 (6): 66.

[16] 趙仕威, 周小文, 湛杰, 等. 混合多重二次插值在三維地層可視化中的應(yīng)用[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2017, 13(1): 161. ZHAO Shiwei, ZHOU Xiaowen, ZHAN Jie, et al. Application of mixing multiple quadratic interpolation method in 3D stratum visualization[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2017, 13(1): 161.

[17] SANDWELL D T. Biharmonic spline interpolation of GEOS-3 and SEASAT altimeter data[J]. Geophysical Research Letters, 2013, 14(2): 139.

Study of Impact Partition between Metro Tunnel and Adjacent Bridge Pile Foundation in Upper-soft and Lower-hard Strata

QIU Wenge, LEI Jin*

(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The safety factor variation laws of tunnel of Hongdao-Jiaonan Intercity Railway in Qingdao laterally crossing adjacent pile foundations of bridges in upper-soft and lower-hard strata are studied by finite element strength reduction method. The results show that: 1) In horizontal direction, the safety factor increases with the increase of horizontal clear distance; and then the safety factor becomes stable when the clear distance reaches the value of tunnel diameter. 2) In vertical direction, with the increasing of the buried depth, the safety factor increases firstly and then decreases. 3) The safety factor of the tunnel would be reduced and the buried depth of the tunnel for reaching maximum safety factor would be increased due to the existence of pile foundations. The interactions between metro tunnel and pile foundations of bridge at different relative positions are as follows: 1) Generally, the vertical interacting scope and degree is larger than the horizontal ones. 2) The tunnel would be affected only if the buried depth of the tunnel is smaller than the buried depth of the pile foundation. 3) The tunnel and the pile foundations would both be affected when the tunnel is under the pile foundation bottom; and the interaction effect reaches peak when the tunnel is right under the pile foundation bottom. The universal sectioning sketch of interacting factor, isogram 0.8 as the boundary of strong interacting zone and weak interacting zone and isogram 1.0 as the boundary of weak interacting zone and non-interacting zone, is given by interpolation method based on polynomial spline method, multiple quadratic surface fitting method and the stress and numerical simulation based deformation characteristics of pile foundation. Finally, the practicability of the study results are testified by comparing sectioning of interacting zones and monitoring results.

tunnel adjacent to pile foundation; upper-soft and lower-hard strata; strength reduction method; safety factor; multiple quadratic surface fitting; impact partition

2017-04-12;

2017-06-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51678497， 50878185)

仇文革(1959—)，男，山東煙臺人，1982年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，隧道與地下鐵道專業(yè)，博士，教授，主要從事隧道及地下工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail: qiuwen_qw@163.com。*通信作者： 雷勁， E-mail: 466399003@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.001

U 45

A

1672-741X(2017)08-0917-09