王洪德，全浩

(1.大連交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2. 大連交通大學(xué) 隧道與地下結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116028) *

樁基施工產(chǎn)生的應(yīng)力波與列車經(jīng)過隧道時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力波耦合作用對隧道產(chǎn)生的振動(dòng)影響是一個(gè)較為復(fù)雜的問題.這種耦合作用對隧道造成的不利振動(dòng)影響不可忽略.嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)斐伤淼酪r砌出現(xiàn)裂縫、垮塌等擾動(dòng)現(xiàn)象.因此，研究樁基施工對既有通車隧道振動(dòng)影響的問題具有重要意義.

丁智[1]利用Plaxis軟件構(gòu)建了“樁-隧道”三維有限元模型，研究了樁基施工對既有地鐵隧道影響的問題，得出了在隧道側(cè)面進(jìn)行樁基施工時(shí)，隧道會(huì)出現(xiàn)沉降較大的情況；丁智[2]通過模型試驗(yàn)、數(shù)值仿真等方法對近距離橋樁施工對地鐵隧道的影響進(jìn)行了理論分析，總結(jié)了研究該問題國內(nèi)外的眾多成果；呂寶偉[3]利用Midas/GTS軟件建立了有關(guān)“樁-土-隧道”的有限元模型，采用數(shù)值模擬方法研究了橋梁樁基施工對隧道管片內(nèi)力及變形的影響，得出了隧道發(fā)生變形的最大數(shù)值及變形的控制標(biāo)準(zhǔn)；楊敏[4]通過總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于樁基礎(chǔ)與地鐵隧道相互影響的研究現(xiàn)狀，得出了非擠土樁對既有隧道影響小等結(jié)論；陳昭[5]利用Simpack軟件建立了“車-線-隧道”的三維有限元模型，采用數(shù)值模擬的方法研究了地鐵隧道在“車-隨耦合”條件下的動(dòng)力響應(yīng)，認(rèn)為隧道襯砌底部的動(dòng)力響應(yīng)程度較大；郭宏偉等[6]通過列車荷載激勵(lì)公式，分析了耦合作用下隨道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，得出了在仰拱與邊墻連續(xù)處出現(xiàn)應(yīng)力集中的結(jié)論；楊文波等[7]利用模型試驗(yàn)的方法研究了盾構(gòu)隧道和鄰近土體在列車通過情況下所受的動(dòng)力響應(yīng)，認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)的底部和頂部的動(dòng)力響應(yīng)頻率最高；茍明中[8]采用數(shù)值模擬方法對列車影響下的重疊盾構(gòu)隧道的受力進(jìn)行了分析，給出了隧道上調(diào)管片的最大彎矩增量值；劉維寧等[9]通過振動(dòng)轉(zhuǎn)換公式和實(shí)測的振源數(shù)據(jù)，研究了列車區(qū)間預(yù)測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，得出了預(yù)測點(diǎn)不同的振動(dòng)頻率；范思婷等[10]利用實(shí)測方法，對列車引起隧道振動(dòng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為隧道所受的中高頻率振動(dòng)方式主要有橫向和豎向2種.

目前，國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注樁基施工對鄰近既有通車隧道影響的研究工作.本文結(jié)合實(shí)際工程概況，建立“樁-土-隧道”的三維有限元模型.從三維方向上分析既有運(yùn)營隧道在樁基施工情況下所受的動(dòng)力響應(yīng)，以便找出隧道不利振動(dòng)區(qū)域和拉應(yīng)力區(qū)域，以期為類似工程抗振安全技術(shù)措施的制定提供技術(shù)支持.

1 工程概況

某碼頭打樁工程所在區(qū)域?qū)佘浲恋刭|(zhì)條件，鄰近的既有通車隧道外徑r1=9 m，內(nèi)徑r2=8.4m，襯砌厚0.6 m，隧道埋深為18 m[11].該條隧道主體采用裝配式鋼筋混凝土材料，混凝土強(qiáng)度為C60，抗?jié)B等級(jí)為P10.樁基施工中樁的類型采用預(yù)制方樁的形式，樁樁基尺寸50 m×0.6 m×0.6 m[11]，斷面配筋圖如圖1所示.

圖1 樁基斷面縱筋配置圖

該樁基工程所在區(qū)域的土層參數(shù)見表1，工程地質(zhì)參數(shù)見表2，實(shí)際工程中樁和隧道參數(shù)見表3.

表1 土層參數(shù)

表2 工程地質(zhì)條件

表3 樁、隧道參數(shù)

2 計(jì)算模型

2.1 樁-土-隧道共同作用模型

為分析既有通車隧道在樁基施工作用下三維方向的動(dòng)力響應(yīng)，模型中的隧道深度取80m，土體模型尺寸200 m×80 m×124 m.“樁-土-隧道”三維數(shù)值模型如圖2所示.

圖2 樁、土、隧道的三維數(shù)值模型

2.2 樁-土-隧道的動(dòng)力接觸

通常情況下，相同介質(zhì)間可忽略切向變形的影響，土與土之間的接觸方式采用共節(jié)點(diǎn)接觸方式；不同介質(zhì)間(土與樁、土與隧道)應(yīng)考慮不同介質(zhì)接觸時(shí)產(chǎn)生的切向變形影響，故土與樁、土與隧道的動(dòng)力接觸方式采用自動(dòng)面面接觸(ASTS)[12-13].阻尼對于應(yīng)力波的傳播效應(yīng)具有重要影響，為達(dá)到仿真效果的真實(shí)性，將樁、土、隧道的阻尼均設(shè)為0.05[14].

2.3 模型參數(shù)

單元類型選擇過程中，對于PART7部分的區(qū)域采用邊長為2m的正三角形，其余均采用邊長2m的四邊形.

(1)樁頂荷載的施加

樁頂處施加F=150kN的集中荷載，作用時(shí)間取0.08s，加載方式為三角形，如圖3所示.

圖3 沖擊力的加載曲線

加載的具體數(shù)組如表4所示.

表4 載荷及時(shí)間數(shù)組表

(2)地鐵列車振動(dòng)荷載的施加

2) SST的運(yùn)動(dòng)是有方向的，多幀積累后，其回波會(huì)呈現(xiàn)具有一定長寬比的、較規(guī)則的“線狀”或“航跡狀”形狀，如圖1(b)所示。

地鐵列車經(jīng)隧道時(shí)對軌道產(chǎn)生的豎向輪軌力大致分為3個(gè)頻率范圍(低頻、中頻和高頻范圍)[15].因相對運(yùn)動(dòng)作用，列車對懸吊部分產(chǎn)生的低頻段在0.5～5 Hz內(nèi)；列車車輪對鋼軌的回彈作用產(chǎn)生的中頻率段在30～60 Hz；輪軌與鋼軌接觸產(chǎn)生的抵抗作用頻段在200～400 Hz內(nèi).列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的豎向激振力：

F=P0+P1sinw1t+P2sinw2t+P3sinw3t

(1)

式中，P0為車軌靜荷載，P1、P2、P3為振動(dòng)荷載的典型值，且

Pi=M0aiwi2(i=1,2,3)

(2)

車速對應(yīng)不平順振動(dòng)波長的圓頻率：

wi=2πv/Li

(3)

式中，M0為列車簧下質(zhì)量，ai為典型矢高，v為列車行駛速度，Li為典型波長.

若P0=8 000 N，M0=750 kg，L1=10 m，a1=3.5 mm，L2=2 m，a2=0.4 mm，L3=0.5 m，a3=0.08 mm，v=108 km/h，由以上各項(xiàng)參數(shù)可知列車豎向激振力F=92 kN[15].

地鐵隧道加載列車荷載的示意圖如圖4所示.

圖4 列車荷載施加的示意圖

3 實(shí)例驗(yàn)證

為了保證建立“樁-土-隧道”模型的準(zhǔn)確性，通過LS-DYNA模擬出距樁心5、10、20m處地表振速的曲線圖如圖5所示.

(a) 距樁中心5 m處

(b) 距樁中心10 m處

(c) 距樁中心2 m處圖5 地表振速曲線

表5 實(shí)測與計(jì)算對比表

由表5可知，本模型距樁心5、10、20 m地表振速的計(jì)算值與資料距樁心5、10、20 m地表振速的實(shí)測值高度吻合，可判定所建模型是準(zhǔn)確的.

4 列車荷載與樁基施工耦合作用下隧道動(dòng)力響應(yīng)

列車經(jīng)隧道產(chǎn)生的振動(dòng)荷載與樁基荷載耦合作用下，隧道所受的振動(dòng)云圖和應(yīng)力云圖如圖6所示.

(a) 振動(dòng)云圖

(b) 應(yīng)力云圖圖6 隧道所受的振動(dòng)和應(yīng)力云圖

由圖6(a)可以看出，隧道的不利振動(dòng)區(qū)域主要集中在單元H384017～H384023、單元H383977～H383983、單元H384003～H384009和單元H384083～H384089區(qū)域內(nèi)；由圖6(b)可以看出，隧道所受拉應(yīng)力大的區(qū)域?yàn)閱卧狧384155～H384156、單元H384194～H384198和單元H384233、單元H384237范圍內(nèi).為了減小振動(dòng)荷載與沖擊荷載耦合作用對隧道的不利影響，達(dá)到減振抗拉目的，在隧道振速和拉應(yīng)力大區(qū)域加裝阻尼結(jié)構(gòu)或阻尼元件、增加壁厚等方法可起到減振、抗拉的效果.

隧道截面沿x、y方向和z方向的最大振速曲線如圖7所示.

圖7(a)表明，隧道截面在節(jié)點(diǎn)277405處達(dá)到振動(dòng)速度的最大值，大小為4.6 mm/s.圖7(b)為隧道沿z方向在節(jié)點(diǎn)275212處達(dá)到振動(dòng)速度的峰值，大小為4.4 mm/s.隧道沿z方向達(dá)到最大振速的時(shí)間比隧道截面沿x、y方向達(dá)到最大振速的時(shí)間少0.5 s，說明隧道在振動(dòng)荷載與樁基荷載耦合作用下，列車沿隧道z方向的振動(dòng)荷載更易引起隧道產(chǎn)生不利的振動(dòng)作用.振動(dòng)荷載和樁基荷載引起隧道不利振動(dòng)和拉應(yīng)力的區(qū)域較隧道只在樁基荷載作用下的區(qū)域更加廣泛，因此為了減小這些不利影響為隧道帶來的危害，除了采取增加壁厚的方法外，結(jié)合屏障隔振的方法，在隧道底部安裝波阻塊，于隧道附近設(shè)置緩沖帶和圍欄樁等均可減少隧道不利擾動(dòng)的影響.

(a) 隧道截面沿x、y方向

(b) 隧道沿z方向圖7 隧道截面沿不同方向的最大振速曲線

5 結(jié)論

通過樁基施工對既有通車隧道的動(dòng)力擾動(dòng)響應(yīng)分析，得出以下結(jié)論：

(1)樁基施工與通行列車的耦合作用導(dǎo)致既有通車隧道的最不利的振動(dòng)區(qū)域集中在隧道底部單元H384017～H384023、單元H383977～H383983、單元H384003～H384009、單元H384083～H384089的范圍內(nèi);

(2)耦合作用導(dǎo)致既有通車隧道最不利拉應(yīng)力集中區(qū)域位單元H384155～H384156、單元H384194～H384198、單元H384233和單元H384237范圍內(nèi);

(3)隧道截面沿x、y方向在節(jié)點(diǎn)277405處達(dá)到最大振動(dòng)速度，其峰值4.6 mm/s；隧道截面沿z方向在節(jié)點(diǎn)275212處達(dá)到最大振動(dòng)速度，峰值4.4 mm/s;

綜上所述，對于隧道振動(dòng)大的區(qū)域和拉應(yīng)力集中地區(qū)域，應(yīng)考慮安裝波組塊等減振措施以減少通車隧道所受的不利擾動(dòng)影響.