暗挖電力隧道對鄰近既有橋梁樁基的影響分析

姬永紅，馮棟梁

（上海市政工程設計研究總院集團有限公司，上海市 200092）

0 引言

為了滿足城市供電需求、美化城市景觀、集約城市用地，很多城市都將高壓電纜下埋，開挖電力隧道。隧道選線往往不能避開既有建筑物，如橋梁樁基、高層建筑樁基，出現隧道近距離穿越樁基的情況，這給設計和施工帶來了很大的困難。

國內外有許多學者都針對這一問題進行了理論和試驗[1-4]研究。伴隨著大型通用有限元程序和計算機硬件的日漸成熟，有限元法已逐漸成為一種被廣泛使用且經濟有效地分析方法，如王麗、鄭剛[2]、朱逢斌等[4]都采用了這一方法分析了隧道開挖對鄰近樁基的影響問題。

本文以成都蜀都大道東段道路綜合整治工程220 kV電力隧道工程為背景，利用ANSYS有限元軟件，建立了二維有限元模型分析了不同隧道埋深、不同隧道與樁基中心距條件下，隧道開挖對橋樁的影響規律。

1 工程概況

擬建隧道埋深Ht=3.7～10.7 m，內徑為Dt1=2.6 m，外徑為Dt2=3.7 m，從成都雙橋子立交旁穿過，隧道與立交橋樁基最小中心距為D0min=2.7 m，最小中心距處為引橋段，采用單樁基礎，樁間距LP=20 m。橋樁樁底埋深HP=18.5 m，樁徑為DP=1.2 m。隧道與樁基相互關系見圖1、圖2。

土層分布由上至下分別為素土層、粘土層、粉質粘土層、粉土層、細砂層、松散卵石層、稍密卵石層、中密卵石層、強風化泥巖層、中風化泥巖層。

圖1 隧道與樁基剖面位置圖

圖2 隧道與樁基平面圖

2 數值模型與參數選擇

2.1 數值模型

由于隧道為細長結構，鄰近橋樁近似平行分布于隧道一側，簡化為樁墻考慮，因此，選用平面應變模型分析隧道開挖對橋樁的影響。模型計算深度取10Dt1，左右邊界距離隧道中心取10Dt2。模型底部設置豎向位移約束，兩側邊界設置水平位移約束。隧道襯砌、樁基及土體均采用線彈性模型，利用襯砌及土體采用Plane82單元模擬，橋樁采用Beam3單元模擬，忽略結構與土體間的滑移。其中，橋樁斷面尺寸按照剛度等效到每延米的原則取值。

為了分析隧道埋深和隧道與樁中心距的影響，選取了隧道不同埋深、不同樁隧中心距進行組合設計模型，隧道埋深及樁隧中心距取值及編號見表1，模型編號為MIJ，表示該模型隧道埋深編號為I，樁隧中心距為J。如M12表示該模型隧道埋深編號為1，樁隧中心距編號為2。

表1 隧道埋深及樁隧中心距編號

2.2 計算參數選擇

土層、襯砌、橋樁參數選取分別見表2、表3。

表3 襯砌及橋樁參數

2.3 模擬方法

首先施加土體及結構自重應力，模擬初始地應力場，分以下兩個步驟模擬開挖過程：

步驟一：開挖。殺死隧道斷面內土體單元，模擬開挖過程；

步驟二：完成支護。激活隧道襯砌單元，模擬開挖支護過程。

3 計算結果與分析

3.1 開挖步驟對樁基工作性狀的影響

圖3和圖4為模型M11和M42在步驟一和步驟二中橋樁的水平向變形和彎矩分布圖。模型M11埋深為3.7 m，樁隧中心距為2.7 m；模型M42埋深為10.7 m，樁隧中心距為6.4 m。

從以上曲線可以得出：

（1）對于M11模型，開挖面在樁頂附近，使得樁頂結構約束較弱，產生了較大的水平位移。通過步驟一與步驟二的對比，發現增加支護后，樁頂約束增加，樁頂位移從7 mm降至2 mm，最大彎矩從64.4 kN·m降至 50.0 kN·m。

圖3 不同開挖工況對橋樁水平向變形的影響

圖4 不同開挖工況對橋樁彎矩的影響

（2）對于M42模型，開挖面位于樁底附近，使得樁底產生了向隧道一側的位移，由于樁頂附近約束較弱，使得樁頂位移背離開挖側。增加支護后提高了樁底約束，使最大位移從1.7 mm減小至0.9 mm，最大彎矩從42.9 kN·m降至19.9 kN·m。

（3）根據以上分析不難看出，開挖步驟二增加了襯砌支護，使得樁的位移和內力減小，提高了樁的安全性。由于步驟一圍巖應力完全釋放，步驟二圍巖由襯砌支撐，因此，步驟一對橋樁的工作性狀影響更大。從安全性的角度考慮，以下分析均基于各開挖模型的步驟一進行。

3.2 樁隧中心距對樁基工作性狀的影響

不同樁隧中心距下，開挖對橋樁工作性狀影響見圖5和圖6。模型 M11，M12，M13，M14，M15埋深均為3.7 m，樁隧中心距分別為2.7 m（D0min），6.4 m（D0min+Dt2），10.1 m（D0min+2Dt2），13.8 m（D0min+3Dt2），18.5 m（5Dt2）。

對比模型M11和M13，樁隧中心距從2.7 m增大到10.1 m，樁基最大水平變形由7.32 mm減小至1.78 mm，降幅76%，最大彎矩由64.4 kN·m減小至19.6 kN·m，降幅70%。當樁隧中心距大于10.1 m（約3Dt2）時，隧道開挖對樁基的影響隨中心距繼續增大變化不大，對其影響可忽略不計。當樁隧中心距小于3Dt2，應對樁周及隧道周圍土體提前加固。

圖5 不同樁隧中心距對橋樁水平向變形的影響

圖6 不同樁隧中心距對橋樁彎矩的影響

3.3 隧道埋深對樁基工作性狀的影響

不同隧道埋深對樁基工作性能的影響見圖7和圖8。模型 M13、M23、M33、M43樁隧中心距均為10.1 m，隧道埋深分別為 3.7 m、5.7 m、7.7 m、10.7 m。

圖7 不同隧道埋深對橋樁水平變形的影響

圖8 不同隧道埋深對橋樁彎矩的影響

根據以上曲線，可以看出，隨著隧道埋深越深，橋樁最大水平變形和最大彎矩逐漸下移且數值逐漸增大，在M23模型(埋深5.7 m，約0.3倍樁長)達到最大，隨后繼續下移但數值開始逐漸減小。

由于開挖面附近的土體受到卸荷作用最為明顯，從而導致附近樁基位置內力和變形最大，隨著隧道埋深下移，樁基最大內力和變形的位置也隨之逐漸下移。另外，以上曲線還出現了最大水平變形和最大彎矩隨隧道埋深先增加后減小，在隧道中上部達到最大的現象。這是由于隧道位于中部時對整個樁長范圍的影響大于隧道在樁某一側時（樁頂或樁底）對整根樁的影響，加之樁基上部的約束較小，隧道淺埋時地表沉降又較大，這些原因共同導致了最大水平變形和最大彎矩出現最大值的位置在樁中部偏上的位置。

4 結論

對成都蜀都大道東段道路綜合整治工程220 kV電力隧道工程中隧道穿越鄰近立交橋樁基問題建立了模型，分析了不同橋樁與隧道中心距及不同隧道埋深下隧道穿越對樁基的影響規律。分析結果對工程設計與施工具有以下指導意義：

（1）通過開挖步驟一和步驟二的對比表明，開挖面的地應力釋放是隧道開挖對樁基產生影響的直接原因，通過減少地應力釋放，可以有效地控制的樁基變形，減小應力。施工過程中，應選用更合理的開挖方法，當隧道開挖面鄰近樁基時，應對土體加固，減小開挖進尺，及時圍護，以達到減小地應力釋放的目的。

（2）根據以上對不同樁隧中心距的分析，可知在樁隧中心距小于一定范圍時，開挖對樁基的影響很大。當埋深為3.7m時，這一范圍約為3倍的隧道外徑。在穿越時，可根據不同橋樁與隧道的距離不同，制定相應的應對措施，以達到經濟和安全的平衡。

（3）通過對隧道埋深對橋樁工作性能的影響分析，可以得出，當隧道埋深位于樁中上部(約0.3倍樁長)時，樁身內力和樁身水平變形較大。不同隧道埋深時，樁身最大變形和最大內力的位置隨著隧道埋深變化而變化。

[1]L.T.Chen,H.G.Poulos,N.Loganathan.Pile responses caused by tunneling[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1999,125(3):207-215.

[2]王麗,鄭剛.盾構法隧道施工對鄰近摩擦單樁影響的研究[J].巖土力學,2011,32(增刊2):621-627.

[3]N.Loganathan.Centrifuge model testing of tunneling-induced ground and pile foundations[J].Geotechnique,2000,50(3):283-294.

[4]朱逢斌,楊平,C.W.ONG.盾構隧道開挖對鄰近樁基影響數值分析[J].巖土工程學報,2008,30(2):298-302.