跨线桥桩基施工对既有高铁隧道的影响研究

作者：沈杰

来源：《中国房地产业》 2019年第2期

【摘要】近年随着高铁建设的蓬勃发展，新建桥梁由于受线路规划、地理空间等原因，有时不可避免地需要跨越高铁隧道。而大多数桥梁采用桩基础，这些桩基础可能位于隧道侧面甚至上方。桩基础在施工时会扰动桩周土体，使周围土体和隧道发生相互作用，严重者将引起铁路轨道倾斜，围岩变形衬砌开裂渗水，发生重大工程事故。而目前国内外对这方面的研究较少，因此研究桩基础施工对既有高铁隧道的影响具有十分重要的工程意义。

【关键词】跨线桥桩基；高铁隧道；影响

桩基施工将扰动桩周土体，使土体发生位移和应力的变化，这种变化会进一步影响相邻的隧道，使得桩- 土- 隧之间相互影响。而不同的成桩方法对周围土层的扰动和排挤程度不同，将直接影响临近隧道的受力和变形情况。若采用挤土桩，在成桩过程中将造成大量挤土，引起地面隆起和土体侧移，使桩周土体受到严重的扰动，土的工程性质有很大的改变。若采用部分挤土桩，引起部分挤土效应，桩周土体也将受到一定程度的扰动。若采用非挤土桩，由于成桩过程是挖孔将等体积土体排出，对周围土体影响最少，但也要考虑土体排出、地下水流失对桩周土体的影响。

1、桩基础施工对既有高铁隧道影响的数值模拟分析

1.1 ANSYS 建模

本文采用ANSYS14.0 建立数值分析模型，ANSYS 软件大型的通用的有限元分析软件。软件主要包括三部分，前处理，分析计算和后处理。其中前处理模块提供了强大的实体建模及网格划分工具，与FLAC3D 需要用户自行编写模型程序相比，ANSYS 为用户提供了便于鼠标键盘操作的窗口，用户可以利用实体建模技术，由点- 线- 面- 体的方法建立三维几何模型。在建立隧道衬砌，桩等模型方面简单、高效且不易出错。在ABAQUS、ANSYS、FLAC3D 等几个常用数值分析软件中，ANSYS 的前处理功能最强大，便捷。故本文采用ANSYS 建立实体模型并进行网格划分，而后转化为FLAC3D 可以读入的文件格式（*.flac3d）。

实际工程中，由于岩土体是非连续介质，本构关系复杂，初始应力场难以测定以及边界条件复杂，因此在数值计算中要因地制宜、抓主要矛盾、宜粗不宜细、易简不易繁。故对模型进行如下简化：（1）由于桩基础施工前，隧道早已完工，可以认为地应力已经重新分布完毕。因此建模时不考虑隧道的开挖。（2）由地勘报告知地层中地下水较少，故计算时不考虑地下水作用。

（3）桩基开挖前须土方开挖60×26×3m3，由于在建模时未考虑土体开挖，所以在计算中采样等效作用力替代考虑。具体做法为：在土方开挖区先施加竖直向下的与开挖土体自重等效的作用力（3×19kNm3?=5.7kNm2），在模型自重应力计算完之后，再撤销施加的作用力，通过这个过程模拟开挖。（4）桩基础的开挖在模拟中采用空模型（null）来模拟。

2、数值模拟计算结果分析

2.1 桩基础施工对隧道拱底的影响

模拟时重点监控隧道拱底的变形， 因为拱底的变形直接影响着高铁轨道的平整度。图3.6 为隧道拱底右侧监测点在不同开挖工序时的拱底位移曲线图，其中监测区域对应隧道里程DK24+830~DK24+710，桩基施工区域对应里程为DK24+800~DK24+740。由图可知： 当隧道上方一部分覆土开挖完，由于隧道上方土体卸载使得隧道拱底产生轻微上抬变形。当隧道两侧桩基开挖时，隧道两侧土体卸载引起隧道围岩应力释放，围岩向桩方向变形并使隧道拱底继续上抬变形。当桩开挖至第4 步（即桩双侧开挖至3m）时，桩深接近隧道拱顶处，隧道拱底上移至0.068mm；当桩开挖至第9 步（即桩双侧开挖至7.5m）时，桩深接近隧道拱腰处，隧道拱底上移至0.135mm，变形达到最大值；当桩开挖至第15 步（即桩双侧开挖至12m）时，桩深接近隧道拱底处，隧道拱底上移值为0.106mm，拱底变形部分恢复；当桩开挖完成时，隧道拱底最终上移0.12mm。整个变形趋势成抛物线变化，主要集中在桩基施工区域。变形量较小，说明在桩基施工时，隧道处于安全稳定状态。

由图1 可知隧道上移值最大处位于隧道里程方向DK24+764 左右， 故接下来研究DK24+764 横断面处拱底两点随桩基开挖步的累计位移曲线。

由图2 可知拱底位移变化随桩基开挖进度先向上快速增大后部分回缩最后缓慢增长趋于稳定。具体而言：桩开挖至第4 步时桩底接近隧道拱顶处，位移变化的斜率最大；桩开挖到第9步时，桩底接近隧道拱腰处，位移达到最大值0.135mm；桩开挖到第15 步时，桩底位于隧道拱底，此时出现拱底位移回缩，而后随着桩基进一步开挖，桩底位于隧道拱底以下，拱底缓慢向上变形最后趋于稳定。整个桩基施工过程对隧道拱底的变形影响都较小，隧道始终处于稳定状态。

2.2 桩基础施工对隧道衬砌的影响

由上一节的应力云图得知桩基开挖时，隧道拱腰处出现应力集中。故沿隧道里程方向DK24+800~DK24+740 范围在隧道拱腰左右两侧共布置14 个监测点，每侧7 个点，间距10m。下图为桩开挖至第30 步（即桩双侧开挖至22.5m）时，沿隧道里程方向拱腰收敛曲线图。由图3.12 可知：桩基开挖时，由于卸载作用，使桩周土、岩层的压应力减小，同时，隧道衬砌应力也相应减小，造成隧道左右两侧向外轻微变形。桩基施工时，沿隧道里程方向DK24+770 处，隧道拱腰变形最大。取沿隧道里程方向DK24+770 处横断面，研究桩基施工时对隧道横断面的变形影响。图3.13 表明围岩变形沿拱顶呈对称分布，在拱腰处变形最大，其值约为0.033mm。桩基开挖使得隧道衬砌向外变形，但变形非常小。

结语:

由于依托工程中桩基础采用人工挖孔工艺，对土体扰动影响较小，数值分析中未考虑桩孔周边土体软化，桩孔与土体间渗透性的影响，对施工过程的有限元模拟还过于粗略，对于这些影响有待进一步研究。