王海龍

（中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶400000）

目前，城市公路隧道穿梭于大城市的各個(gè)地段，近幾年出現(xiàn)越來(lái)越多隧道在既有擋墻上進(jìn)出洞，其施工安全性日益引起人們重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)工程技術(shù)人員針對(duì)隧道施工過(guò)程對(duì)周圍環(huán)境的影響進(jìn)行了大量研究，主要從隧道施工對(duì)周圍地層和臨近結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面的影響進(jìn)行具體研究。其中，吳超俊采用有限元分析了隧道開(kāi)挖對(duì)橋墩的應(yīng)力及位移影響，指出隧道開(kāi)挖后橋梁樁身將受到圍巖的負(fù)摩擦力作用，開(kāi)挖荷載對(duì)樁基應(yīng)力影響不僅與橋墩到開(kāi)挖隧道之間的距離有關(guān)，還與橋梁樁基高度有關(guān)。肖望東用FLAC3D 分析了隧道開(kāi)挖對(duì)經(jīng)過(guò)樁基中心處的地表沉降變化以及開(kāi)挖后樁基的水平位移和豎向沉降進(jìn)行了研究，認(rèn)為隧道開(kāi)挖對(duì)離地表下方4 m 處的樁水平位移影響最大；隧道開(kāi)挖對(duì)地表以下3 m 內(nèi)樁沉降影響最大；對(duì)比樁的豎向沉降和水平位移可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論樁的水平位移還是豎向沉降，在-8 m 以下部分樁的位移變化幅度均較小。皮小強(qiáng)等人通過(guò)ansys 有限元軟件對(duì)城市隧道出洞口開(kāi)挖順序及其加固擋墻的優(yōu)化進(jìn)行了研究，得出雙連拱隧道出洞時(shí)采用逆向開(kāi)挖出洞最安全，先順進(jìn)后逆出洞的開(kāi)挖方式最經(jīng)濟(jì)的結(jié)論；同時(shí)對(duì)洞口加固擋墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

綜上，當(dāng)前大多數(shù)隧道施工對(duì)鄰近樁基影響的研究，其樁基都是在隧道附近，而對(duì)位于隧道進(jìn)出洞段隧道開(kāi)挖對(duì)樁基的影響的研究較少。鑒于此，本文基于重慶市雷家坡立交隧道工程，對(duì)城市隧道出洞段施工對(duì)鄰近樁基穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 工程概況

雷家坡立交工程位于重慶市渝中區(qū)南紀(jì)門，地處渝中區(qū)南區(qū)路與中興路交匯點(diǎn)，南臨長(zhǎng)江，北依雷家坡，東西向?yàn)槟细傻?。立交主體包含橋梁總長(zhǎng)約714.6 m，隧道總長(zhǎng)為404.4 m。進(jìn)出洞口均需要破除南區(qū)路約10.5～12 m 高的樁板擋墻，墻后素填土厚度為7.9～13.4 m，隧道開(kāi)挖前實(shí)景如圖1 所示。

圖1 隧道開(kāi)挖前實(shí)景圖

隧道主體分為A、B 匝道進(jìn)出口，按兩車道布置，樁板擋墻的抗滑樁尺寸為2 m×3.5 m、2 m×4 m，隧道結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)平面圖

出洞口B 匝道ⅥC 型襯砌隧道斷面如圖3 所示。

進(jìn)出洞口采用重力式擋墻+預(yù)應(yīng)力錨索+橫梁進(jìn)行加固，重力式擋墻基礎(chǔ)采用樁基+承臺(tái)進(jìn)行傳力，隧道結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 出洞口B 匝道ⅥC 型襯砌隧道斷面圖

圖4 隧道結(jié)構(gòu)平面圖

出口段隧道原設(shè)計(jì)施工順序如下：①對(duì)南區(qū)路路基填土進(jìn)行注漿加固；②對(duì)原有抗滑樁橫梁打設(shè)錨索加固；③洞口處回填土石，回填至承臺(tái)頂標(biāo)高，形成工作平臺(tái)；④施做樁基及承臺(tái)，樁基頂部局部采用空鉆；⑤施做重力式擋墻，施做過(guò)程中預(yù)留管棚施做空間；⑥施做管棚及套拱；⑦打穿既有樁板擋墻；⑧用CRD 法進(jìn)行隧道施工。

2 地層結(jié)構(gòu)法模型建立

2.1 選取計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算中，巖土材料采用M-C 模型。巖石、土體、橋墩、橋樁、隧道二襯均采用三維實(shí)體單元模擬。隧道噴射混凝土初支、臨時(shí)支護(hù)、樁板擋墻、公路均采用二維殼體單元計(jì)算。本項(xiàng)目選取的計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

2.2 計(jì)算模型

使用MIDAS/GTS 建立有限元模型，共劃分為462 382個(gè)單元，如圖5 所示。

三維模型的計(jì)算荷載如下：①結(jié)構(gòu)自重；②隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的圍巖釋放荷載；③公路汽車荷載14.7 kPa；④橋梁墊塊荷載取值經(jīng)過(guò)midas/civil 計(jì)算轉(zhuǎn)換為等效荷載施加。

三維模型的計(jì)算邊界條件：計(jì)算模型的底面約束豎直方向z 方向的自由度，側(cè)面約束側(cè)向x、y 方向的自由度，地表為自由面。

2.3 模型計(jì)算步驟

模型按以下幾個(gè)階段進(jìn)行：①模擬在自重應(yīng)力場(chǎng)中圍巖的應(yīng)力狀態(tài)；②模擬擋墻外填土開(kāi)挖施工過(guò)程；③模擬承臺(tái)及樁基、管棚、注漿區(qū)施工和進(jìn)出洞段重力式擋墻施工；④按3 m 掘進(jìn)進(jìn)尺模擬雷家坡隧道CRD 法開(kāi)挖和襯砌支護(hù)過(guò)程；⑤模擬二襯施工過(guò)程。

表1 計(jì)算參數(shù)

圖5 模型網(wǎng)格圖1

3 橋梁樁基距隧道出洞口擋墻相對(duì)距離的影響分析

3.1 計(jì)算工況

分別選取距洞口樁板擋墻縱向（y 方向）距離為7 m、5 m、3 m、1 m、-1 m、-3 m、-5 m、-7 m 處建立橋梁樁基模型，共8 個(gè)模型；每個(gè)模型橋梁樁基入巖深度都取6 m（3 倍樁直徑）；模型沿橫向（x 方向）對(duì)稱建立3 根橋梁樁基，研究橋梁樁基在距隧道開(kāi)挖洞口不同距離處位移及受力情況。

3.2 橋梁樁基水平位移影響分析

3.2.1 水平y(tǒng) 方向位移分析

通過(guò)計(jì)算，除距離隧道開(kāi)挖洞口-1 m 處橋樁y 方向，位移最大處位于中間橋樁中部（即往擋墻外側(cè)位移），其余每排3 根樁的y 方向位移最大處都處在中間樁位置，并且位于橋梁樁基的頂端（往擋墻內(nèi)位移），水平y(tǒng) 方向位移如圖6所示。

圖6 水平y(tǒng) 方向位移圖

整理8 個(gè)橋梁樁基模型最大y 方向位移，得到位移曲線圖，如圖7 所示。

圖7 橋梁樁基最大y 方向位移曲線圖

由圖6、圖7 可得，橋梁樁基離擋墻距離越近，開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基y 方向的位移影響越大，并且在1 m 處達(dá)到峰值27.984 mm。隨著橋梁樁基礎(chǔ)與洞口擋墻距離的增加，橋梁樁基在y 方向的位移也同時(shí)減小，+y 方向的位移減小速率十分顯著，1～7 m 處減小變化量為14.455 mm。而位于-y 方向的位移變化量不明顯，在背離隧道開(kāi)挖-y 方向的橋梁樁基y 方向位移量和位移變化，相對(duì)+y 方向的橋梁樁基y 方向位移變化量非常小，其最大+y 方向位移量?jī)H為+y 方向橋梁樁基的3.6%，-y 方向位移量?jī)H為+y 方向橋梁樁基的12.25%，表明隧道的開(kāi)挖對(duì)背對(duì)開(kāi)挖方向的橋梁樁基擾動(dòng)顯著小于對(duì)隧道開(kāi)挖同側(cè)的橋梁樁基。

按距橋梁樁基距離提取節(jié)點(diǎn)y 方向位移，整理歸納。橋梁樁基y 方向節(jié)點(diǎn)位移如圖8 所示。

隧道開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基的影響主要表現(xiàn)在中部位置和頂部位置，中部橋梁樁基向開(kāi)挖隧道洞口方向偏離。距離開(kāi)挖洞口1 m 處的樁基y 方向位移最為明顯，達(dá)到-y 方向位移最大量20.35 mm，隨著埋深逐漸減小并在距樁底24 m 處變?yōu)檎?，即位移方向變?yōu)橄蛩淼篱_(kāi)挖掘進(jìn)方向偏移，此規(guī)律一直延伸到樁頂部位置，并在頂部達(dá)到+y 方向最大位移17.62 mm。3 m、5 m、7 m 處橋梁樁基均遵守此規(guī)律。隨著離開(kāi)挖洞口距離的增加，1～7 m 處樁基y 方向位移拋物線變化逐漸平緩，7 m 處橋梁樁基最大-y 方向位移為8.66 mm，相較1 m 處橋梁樁基位移量減小了11.69 mm，最大+y 方向位移為8.23 mm，相較1 m 處橋梁樁基位移量減小了9.39 mm。表明隧道開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基的擾動(dòng)在越靠近開(kāi)挖洞口的位置其影響越大，而離開(kāi)挖洞口越遠(yuǎn)，其對(duì)橋梁樁基擾動(dòng)的影響就越弱。

圖8 橋梁樁基y 方向節(jié)點(diǎn)位移圖

3.2.2 水平x 方向位移分析

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，水平方向的位移主要以兩側(cè)橋墩頂部位移為主，兩隧道中間橋梁樁基x 方向的位移明顯小于兩側(cè)，計(jì)算云圖如圖9 所示。

圖9 x 方向位移云圖

將8 個(gè)模型右側(cè)橋梁樁基最大x 方向位移值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，橋梁樁基水平x 方向最大位移曲線如圖10 所示。

由圖10 可得，隧道出洞口橋梁樁基距離擋墻3 m 內(nèi)時(shí)，其水平位移影響明顯比3 m 以上位移值大；其最大位移值為1.573 mm，其水平x 位移值遠(yuǎn)小于y 方向位移值27.984 mm；表明隧道開(kāi)挖對(duì)面向開(kāi)挖方向的橋梁樁基礎(chǔ)水平x方向的擾動(dòng)顯著小于隧道開(kāi)挖同側(cè)的橋梁樁基。

圖10 橋梁樁基水平x 方向最大位移曲線

綜上，出洞口隧道開(kāi)挖對(duì)擋墻內(nèi)側(cè)橋梁影響較大，橋梁樁基越靠近隧道開(kāi)挖出洞口，開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)使橋梁樁基的位移影響越明顯，其往墻體外側(cè)位移值越大；當(dāng)橋梁樁基位于擋墻外側(cè)時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基的影響較小。建議隧道出洞口應(yīng)選擇橋梁樁基位于擋墻外側(cè)時(shí)出洞，當(dāng)橋梁樁基位于擋墻內(nèi)側(cè)時(shí)應(yīng)在距離擋墻5 m 以上位置出洞，減小隧道開(kāi)挖對(duì)其的影響。

3.3 橋梁樁基豎向位移影響分析

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，距隧道開(kāi)挖面y 方向不同的橋梁樁基，其樁身的沉降有明顯差異，如圖11、圖12 所示。

圖11 擋墻外側(cè)橋梁樁基沉降位移云圖

圖12 擋墻內(nèi)側(cè)橋梁樁基沉降位移云圖

由圖11、圖12 可知，隧道出洞口開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基最大豎向位移的影響主要發(fā)生在兩隧道中間的橋墩，其最大豎向位移值為1.02 mm，在擋墻外側(cè)的橋梁樁基豎向位移最大值為0.21 mm，在擋墻內(nèi)側(cè)的最大豎向位移值為1.02 mm，外側(cè)橋梁豎向位移占內(nèi)側(cè)的20.05%，隧道開(kāi)挖對(duì)位于擋墻內(nèi)側(cè)的橋梁樁基豎向位移影響遠(yuǎn)大于位于擋墻外側(cè)的橋梁樁基。樁基沿z 方向位移變形曲線如圖13 所示。

圖13 豎直方向節(jié)點(diǎn)位移圖

在擋墻內(nèi)側(cè)橋梁樁基z 方向位移圖線呈連續(xù)下降的曲線，在距離開(kāi)挖洞口1 m 處的樁基z 方向位移最為明顯，達(dá)到z 方向位移沉降最大量1.02 mm，而3 m、5 m、7 m 處的橋梁樁基越靠近樁底其z 方向位移趨近于0，隨著埋深減小，距樁底3 m 時(shí)，其z 方向位移的減小量隨埋深的減小呈現(xiàn)直線狀態(tài)，但直線斜率明顯低于1 m 處橋梁樁基。其中1～3 m處橋梁樁基位移沉降量顯著減小，減小的沉降量達(dá)到0.75 mm，3～7 m 橋梁樁基相同節(jié)點(diǎn)處沉降量的變化不太明顯。表明隧道開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基的擾動(dòng)在越靠近開(kāi)挖洞口的位置影響越大，而離開(kāi)挖洞口越遠(yuǎn)，其對(duì)橋梁樁基擾動(dòng)的影響就越弱。

綜上，隧道開(kāi)挖后，其橋梁樁基z 方向的位移主要體現(xiàn)在中間處橋梁樁基，在隧道開(kāi)挖方向的橋梁樁基主要體現(xiàn)為沉降，最大沉降量為0.1 mm，而在背對(duì)開(kāi)挖方向的橋梁樁基主要表現(xiàn)為拱起，最大拱起量為1.02 mm，且兩者位移最大值均出現(xiàn)在拱頂位置。與此同時(shí)，越靠近隧道開(kāi)挖洞口的橋梁樁基其z 方向的沉降拱起值越明顯，其影響范圍主要表現(xiàn)在離開(kāi)挖洞口±2 m 范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

樁與隧道相對(duì)距離改變會(huì)對(duì)單樁的變形產(chǎn)生一定程度的影響，但對(duì)單樁的豎向位移、水平位移影響程度各不相同，存在較大的差異，具體結(jié)論如下：①出洞口隧道開(kāi)挖對(duì)擋墻內(nèi)側(cè)橋梁影響較大，橋梁樁基越靠近隧道開(kāi)挖出洞口，開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)使橋梁樁基的位移影響越明顯，越往墻體外側(cè)位移值越大；當(dāng)橋梁樁基位于擋墻外側(cè)時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基的影響較小。②隧道開(kāi)挖對(duì)兩隧道中間的橋梁樁基的影響遠(yuǎn)大于兩側(cè)的橋梁樁基，建議進(jìn)行注漿加固。③建議橋梁樁基位于擋墻外側(cè)時(shí)出洞，當(dāng)橋梁樁基位于擋墻內(nèi)側(cè)時(shí)應(yīng)在距離擋墻5 m 以上位置出洞，減小隧道開(kāi)挖后橋梁樁基水平位移。