暗挖电力隧道对邻近既有桥梁桩基的影响分析.pdf

2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构1 1 9 暗挖电力隧道对邻近既有桥梁桩基的影响分析 姬 永 红 ， 冯 栋 梁 ( 上海市政工程设计研究总院集团有限公司， 上海市 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ： 对成都市某暗挖电力隧道穿越邻近桥梁桩基问题建立二维有限元模型 ， 分析了隧道开挖在不同的隧道埋深、 隧道与桩基 中心距下对邻近桥梁桩基的影响规律。分析结果表明： 在桩隧中心距小于一定范围时 ， 开挖对桩基的影响很大； 桩身最大水平变 形和最大弯矩的位置随着隧道埋深变化而变化， 且当隧道埋深位于桩中上部时 ， 桩身最大水平变形和最大弯矩相对较大。 关键词 ： 暗挖隧道 ； 邻近既 有桥桩 ； 穿越 ； 隧道埋深 ； 桩隧 中心距 中图分 类号 ： U 4 4 3 ． 1 5 文 献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 — 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 7 — 0 1 1 9 — 0 3 0 引言 为 了满足城市供 电需求 、 美化城市景观 、 集约 城市用地 ， 很多城市都将 高压 电缆下埋 ， 开挖 电力 隧道 。隧道选线往往不能避开既有建筑物 ， 如桥梁 桩基 、 高层建筑桩基 ， 出现 隧道近距离穿越桩基 的 情况， 这给设计和施工带来了很大的困难。 国内外有许多学者都针对这一 问题进行 了理 论和试验 1研究。伴随着大型通用有限元程序和 计算机硬件 的 日渐成熟 ，有 限元法 已逐渐成为一 种被广泛使用且经济有效地分析方法 ， 如王丽、 郑 刚[ 2 】 、 朱逢斌 等【 1 都采用 了这一方 法分析 了隧道开 挖对邻 近桩基的影 响问题 。 本文以成都蜀都大道东段道路综合整治工程 2 2 0 k V电力隧道工程为背景 ， 利用 A N S Y S有限元 软件，建立了二维有限元模型分析了不同隧道埋 深 、 不同隧道 与桩基 中心距条件下 ， 隧道开挖对桥 桩的影 响规律 。 1 工 程概况 拟建隧道埋深 日 产 3 ．7～1 0 ． 7 m， 内径为 1 = 2 ．6 m， 外径为 D f2 = 3 ．7 m， 从成都双桥子立交旁穿 过 ， 隧道与立交桥桩基最小 中心距为 D = 2 ． 7 m， 最 小 中心距 处 为引 桥段 ，采 用 单桩 基础 ，桩 间距 L e = 2 0 m。 桥桩桩底埋深 He = 1 8 ． 5 m， 桩径为 D 1 ． 2 m。隧道与桩基相互关系见 图 1 、 图 2 。 土层分布 由上至下分别 为素土层 、 粘 土层 、 粉 质粘土层 、 粉土层 、 细砂层 、 松散卵石层 、 稍密卵石 层 、 中密卵石层 、 强风化泥岩层 、 中风化泥岩层 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 3 — 0 6 作者简介： 姬永红 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 河南平顶山人 ， 高级工程师 从事市政工程的设计与研发工作。 ( ( ) ) L —— — —— — D 0 图 1 隧道与桩 基剖面位 置图 [ l隧道走向 图 2 隧道与桩 基平面 图 2数值模型与参数选择 2 ． 1 数值模型 由于隧道 为细长结构 ，邻近桥桩近似平行分 布于隧道一侧 ， 简化为桩墙考虑 ， 因此 ， 选用平面 应变模 型分析 隧道开挖对桥桩 的影 响。模型计算 深度取 1 0 D 左右边界距离 隧道 中心取 l 0 。模 型底部设置竖 向位移约束 ，两侧边界设置水平位 移约束 。隧道衬砌 、桩基及土体均采用线 弹性模 型 ， 利用 衬砌及 土体采用 P l a n e 8 2单元模 拟 ， 桥桩 采用 B e a m3单元模 拟 ， 忽略结构与土体问的滑移 。 其中，桥桩断面尺寸按照刚度等效到每延米的原 则取值。 为 了分析 隧道 埋 深 和 隧道 与 桩 中心 距 的影 响 ， 选取 了隧道不 同埋深 、 不同桩 隧中心距进行组 合设计模型，隧道埋深及桩隧中心距取值及编号 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 0 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 见表 1 ， 模型编号为 M I J ， 表示该模型隧道埋深编 号为 I ， 桩隧中心距为 J 。如 M1 2 表示该模型隧道 埋深编号为 1 ， 桩 隧中心距编号为 2 。 表 1 隧道埋深 及桩隧 中心距编号 编号 1 2 3 4 5 隧道埋深 H J m 3 ． 7 5 ． 7 7 ． 7 1 0 ． 7 桩 隧中心口 D + 玩 2 D a D ~+ 3 D , 2 5 距 D0 ， m 2 ． 7 6 - 4 1 0 ． 1 1 3 ． 8 l 8 ． 5 2 ． 2 计算参数选择 土层 、 衬砌 、 桥桩参数选取分别见表 2 、 表 3 。 表 2 土层 参数 土层 平均厚度 『 m 重度 ／ ( k N ／ m 3 ) 压缩模量 ／ MP a 泊松 比 2 ． 3 模拟方法 首先施加土体及结构 自重应力，模拟初始地 应力场， 分以下两个步骤模拟开挖过程： 步骤一： 开挖。杀死隧道断面内土体单元 ， 模 拟开挖过程 ； 步骤二： 完成支护。激活隧道衬砌单元 ， 模拟 开挖支护过程。 3 计算结果与分析 3 ． 1 开挖步骤对桩基工作性状的影响 图 3和 图 4为模 型 M1 1和 M4 2在 步骤 一 和 步骤二中桥桩的水平向变形和弯矩分布图。模型 M1 1埋深 为 3 ． 7 m， 桩隧 中心距为 2 ． 7 m； 模型 M4 2 埋深为 1 0 ． 7 I n ， 桩隧中心距为 6 ． 4 m。 从 以上曲线可 以得出 ： ( 1 ) 对于 M1 1 模型 ， 开挖面在桩顶附近， 使得 桩顶结构约束较弱， 产生了较大的水平位移。通过 步骤一与步骤二的对比， 发现增加支护后 ， 桩顶约 0 4 8 hD ， m 1 2 l 6 图 3 不 同开挖工况对桥 桩水平 向变形的影响 0 4 8 h 。／ m 1 2 1 6 2 0 图 4 不 同开挖工 况对 桥桩弯 矩的影响 ( 注 ： M1 1 - S 1 ， M4 2 - S 1为模 型 M1 1 ， M4 2开挖 步骤 一与 自重 应 力场 作 用 结 果 的 差 值 ， M1 1 一 s 2 ， M4 2 - $ 2为模 型 MI 1 ， M4 2开挖 步骤二与 自重应力场作 用结果 的差值 。 ) 束增加 ， 桩顶位移从 7 m m降至 2 m m， 最大弯矩从 6 4 ． 4 k N m降至 5 0 ． 0 k N m。 ( 2 ) 对于 M 4 2 模型， 开挖面位于桩底附近， 使 得桩底产生 了向隧道一侧 的位移 ，由于桩顶附近 约束较弱， 使得桩顶位移背离开挖侧。增加支护后 提高了桩底约束，使最大位移从 1 ．7 m m减小至 0 ． 9 mm， 最大弯矩从 4 2 ． 9 k N m降至 1 9 ． 9 k N m。 ( 3 ) 根据 以上分析不难 看出 ， 开挖 步骤二增加 了衬砌支护， 使得桩的位移和内力减小， 提高了桩 的安全性。由于步骤一 围岩应力完全释放 ， 步骤二 围岩 由衬砌 支撑 ， 因此 ， 步骤一对桥桩的工作性状 影响更大。从安全性的角度考虑， 以下分析均基于 各开挖模 型的步骤一进行。 3 ． 2 桩隧中心距对桩基工作性状的影响 不 同桩 隧中心距下 ，开挖对桥桩 工作性状影 响见 图 5和 图 6 。模 型 M1 1 ， M1 2 ， M1 3 ， M1 4， M1 5 埋深均为 3 ． 7 m，桩隧中心距分别为 2 ．7 m ( D ) ， 6 ．4 m ( D o m+ D t2 ) ， 1 0 ． 1 m( D o ~ + 2 D I 2 ) ， 1 3 ． 8 m( D + 3 D I2 ) ， l 8 ． 5 m( 5 D t2 ) 。 对 比模 型 M1 1和 M1 3 ，桩隧 中心距从 2 ． 7 m 增大到 1 0 ． 1 m，桩基最大水平变形 由 7 ． 3 2 m m减 小至 1 ． 7 8 m m， 降幅 7 6 ％， 最大弯矩由 6 4 ．4 k N m 减小至 1 9 ． 6 k N m， 降幅 7 0 ％。当桩隧中心距大于 1 0 ． 1 m( 约 3 D ) 时， 隧道开挖对桩基的影 响随中心 距继续增大变化不大 ， 对其影响可忽略不计 。当桩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构1 2 1 0 4 8 1 2 l 6 h p ／ m 图 5 不同桩隧中心距对桥桩水平向变形的影响 图 6 不 同桩隧 中心距对桥 桩弯矩 的影响 隧中心距小于 3 D a ， 应对桩周及隧道周围土体提前 加 固。 3 ． 3 隧道埋深对桩基工作性状的影响 不同隧道埋深对桩基工作性能的影响见图 7和 图 8 。模 型 M1 3 、 M 2 3 、 M3 3 、 M 4 3桩 隧 中心 距均 为 1 0 ． 1 i n ， 隧道埋深分别为 3 ． 7 IT l 、 5 ． 7 I l l 、 7 ． 7 I l l 、 1 0 ． 7 m。 h ／ m 图 7 不同隧 道埋深对桥 桩水平 变形的 影响 O 4 8 h p ／ m l 2 l 6 2 O 图 8 不同隧道 埋深对桥 桩弯矩 的影响 根据 以上 曲线 ，可 以看 出 ，随着 隧道埋 深越 深 ，桥桩最大水平变形 和最大弯矩逐渐下 移且数 值逐渐增大， 在 M 2 3模型( 埋深 5 ． 7 i n ， 约 0 ． 3 倍桩 长) 达到最大 ， 随后继续下移但数值开始逐渐减小。 由于开挖 面附近 的土体受到卸荷作用最 为明 显 ， 从而导致附近桩基位置内力和变形最大， 随着 隧道埋深下移 ，桩基最大 内力 和变形 的位 置也 随 之逐渐下移 。另外 ， 以上 曲线还出现 了最大水平变 形 和最 大弯矩 随隧道埋深先增加后 减小 ，在隧道 中上部达到最大的现象。这是由于隧道位于中部 时对整个桩长范 围的影 响大 于隧道 在桩某 一侧 时 ( 桩顶 或桩底 ) 对 整根桩 的影响 ， 加 之桩基上部 的 约束较小 ， 隧道浅埋时地表沉降又较大， 这些原因 共 同导致 了最 大水平 变形 和最 大弯矩出现最大值 的位置在桩 中部偏上的位置 。 4结论 对成都蜀都大道东段道路综合整治工程 2 2 0 k V 电力隧道工程中隧道穿越邻近立交桥桩基问题建 立 了模 型 ，分析 了不 同桥桩 与隧道 中心距及不 同 隧道埋深 下隧道穿越对桩基 的影 响规律 。分析结 果对工程设计与施工具有 以下指导意义 ： ( 1 ) 通过开挖步骤 一和步骤二的对 比表明 ， 开 挖 面的地应力释放是 隧道开挖对桩基产生影 响的 直接原因， 通过减少地应力释放， 可以有效地控制 的桩基变形 ， 减小应力 。施工过程 中， 应选用更合 理的开挖方法 ， 当隧道开挖面邻近桩基时， 应对土 体加 固 ， 减小 开挖进尺 ， 及 时 围护 ， 以达到减小地 应力释放 的 目的。 ( 2 ) 根据 以上对不 同桩 隧中心距的分析 ， 可知 在桩隧中心距 小于一定 范围时 ，开挖对桩基的影 响很大 。当埋深为 3 ． 7 m时 ， 这一 范围约为 3 倍 的 隧道外径 。在穿越 时， 可根据不同桥桩与隧道 的距 离不 同， 制定相应 的应对措施 ， 以达到经济和安全 的平衡 。 ( 3 ) 通过对隧道埋深对桥桩工作性能的影响分 析， 可以得出， 当隧道埋深位于桩中上部( 约 0 - 3 倍 桩长) 时， 桩身内力和桩身水平变形较大。 不同隧道 埋深时，桩身最大变形和最大内力的位置随着隧 道埋深变化而变化 。 参考文献 【 1 】L ． T ．C h e n ， H_ G．P o u l o s ， N ．L o g a n a t h a n ． P i l e r e s p o n s e s C a u s e d b y t u n n e l i n o u ma l o f Ge o t e c h n i c a l a n d Ge o e n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 9 ， 1 2 5 ( 3 ) ： 2 0 7 — 2 1 5 ． 【 2 】 王丽， 郑刚． 盾构法隧道施工对邻近摩擦单桩影响的研究[ J ] ． 岩 土力学 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 增刊 2 ) ： 6 2 1 — 6 2 7 ． [ 3 1 N．L o g ana t h a n ． C e n t ri f u g e mo d e l t e s ti n g o f t u n n e l i n g -i n d uc e d g r o u n d a n d p i l e f o u n d a t i o n s [ J ] ． G e o t e c h n i q u e ， 2 0 0 0 ， 5 0 ( 3 ) ：2 8 3 - 2 9 4 ． 【 4 】 朱逢斌， 杨平， c ． W． O N G ． 盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分 析『 J 1 ． 岩土工程学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 2 ) ： 2 9 8 — 3 0 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m