基于有限元數值模擬的穿越影響范圍分析

韓佳君　雷恒　林峰　單常江　崔素敏　楊瑞　董曉娟　付立三　侯滿宏　胡良君

關鍵詞：穿越工程;影響區;數值模擬;樁基

近年來隨著城市的發展，尤其是軌道交通及配套市政管線的興建，越來越多的工程項目涉及穿越既有道路橋梁。根據趙龍等（2018）的研究，地面沉降為北京主要次生地質災害。針對這方面問題，國內外不同學者對施工引起地層沉降從不同角度探討過地層沉降分布特征。高程鵬（2021）研究發現，地下空洞上覆土層厚度越大，則其靜力、動力穩定性越強。李濤等（2015）從分析破壞形式人手，發現地下空洞引起的軟土地層地陷一般呈圓柱形破壞面，粗粒土地層地陷主要為圓形漏斗狀塌陷，并結合數值模擬方法驗證，為預測塌陷發展提供了很好的參考。盧春林（2016）針對隧道穿越橋梁工況改進Kent法用于評估風險。早期的研究有Peck（1969）沉降槽模型，認為沉降來源于土體損失，應用時可結合實際情況與后人對Peck公式的發展成果，選擇合理模型。隨著計算機計算能力的提升，數值分析方法在隧道、橋梁、道路、巖土、樁基等方面得到廣泛應用，為同類工程的研究、設計、施工和評估提供了借鑒素材。房營光等（2003）在Peck公式基礎上，假設地面下沉槽體積等于地層損失體積與土體密實度變化產生的體積增量之和，提出了改進的Peck公式，其實測結果與計算結果相當吻合。錢德玲等（2009）在樁土之間設置接觸單元，結合當地工程實例，用模型擬合基樁靜載試驗曲線實測值，得到的接觸單元能較好地模擬樁土相互作用，較好地反映樁土間作用力的傳遞規律的認識。上述研究聚焦土體受施工擾動后自穩能力、破壞形式、沉降分布特征和結構與土相互作用，為解決實際問題提供了寶貴的經驗。但是，對于實際工程的一類特定工況，即對工程下穿（側穿）橋梁下部結構工況下施工影響特征的討論，相對較少。奚靈智等（2021）研究發現隧道穿越橋梁工況，表現出兩種類型的沉降分布，即大范圍沉降槽和局部似“拱形”。目前，北京地區對于此類特定工況，一般是參考DB 11/T 716-2019《穿越既有道路設施工程技術要求》劃分主、次要影響區（以下簡稱“標準法”）。該規范在穿橋工況中的應用，存在兩個主要問題：1）擬建工程“與橋梁下部結構接近關系判別定義不清”;2）擬建工程“對樁周土擾動范圍按無樁情況套用的適宜性評價”。本次研究進行標準法與模擬條件下的數值分析方法（以下簡稱“數值法”）對比研究，討論下穿（側穿）橋梁下部結構工況下的施工影響特征，研究成果可為類似工程涉及到的開挖課題提供參考。

1工程概況

擬建暗挖隧道中線位于某南北向道路的中線以西23m，該道路被某東西向橋梁上跨，橋梁下部結構中承臺、樁基平面位置見圖1;隧道初支邊緣距離該橋的承臺邊緣約5.3 m，11.6 m。穿橋段橋下路面標高46.84 m。

隧道頂板位于粉質黏土層③，覆土厚度約11.6 m，黏聚力27.4 kPa，內摩擦角18.4°，壓縮模量E_s=6.7 MPa，標貫擊數N=6.5擊。隧道路由主要穿越粉細砂③₁，黏聚力0.0 kPa，內摩擦角25°;標貫擊數N=28.3擊。

既有S路道路設施重要性等級為A類（特別重要），穿越工程與Z橋2號軸橋樁接近關系為一般，與過街地下通道橋的接近關系為不接近，工程風險等級為二級。橋梁和地下通道被暗挖隧道側穿，地層必然損失、應力釋放，又因各結構部件與擬建隧道空間關系差異巨大，故必然造成不同范圍與程度的影響。

研究工程對既有結構產生的影響，對保護周邊設施安全穩定運營具有重要意義。為此，對工程穿越的影響進行標準法與數值法對比分析。

2影響評價的標準法

根據前述安全等級二級的判定結果，結合工程自身暗挖施工方式，按照對應的分類確定主、次要影響區（圖2）。

主要影響區：自毛洞設計寬度的底部外緣斜向上引致地面形成交線，交線與毛洞外緣的水平距離為毛洞埋深H的0.6倍，兩交線與毛洞設計寬度的底部外緣形成的區域為主要影響區。

次要影響區：位于主要影響區外，交線外擴至L₂等于H的1.5倍，與毛洞設計寬度的底部外緣圍成的位于毛洞兩側的楔體范圍。

隧道西側分布一既有過街地下通道，尺寸為5m×2.5m，根據隧道埋深劃定影響范圍交路面情況（圖3、圖4），顯示出過街涵洞位于穿橋段隧道次要影響區以外。

3有限元數值模擬方法

根據穿越工況利用Midas GTS NX軟件進行有限元法數值模擬，為使得模型計算精度與速度相互協調，并且可以滿足準確定性分析和一定程度的定量參考需要，對下穿工程進行一定程度的概化。

三維模型（圖5）X方向長度70m，Y方向長度37.4 m，Z方向55 m。橋梁下部結構為蓋梁雙柱墩，每個墩柱配一雙樁承臺，承臺尺寸2m×4.5m，樁徑1.2m，樁長30m。隧道為直墻圓拱形式，外輪廓毛洞尺寸3.03m×3.38m。涵洞尺寸5m×3m。地層界面建為平面。模型所需地層參數參考地勘報告建立，不考慮泥漿等液體滲漏的影響。地層、蓋梁、墩柱、承臺及路基采用實體單元，地層及路基使用MM-C本構關系模擬，蓋梁、墩柱和承臺使用彈性本構。初支采用板單元，使用彈性本構模擬。樁基為梁單元，使用彈性本構模擬。樁土接觸面摩擦作用采用樁單元，樁端單元可以在植入式梁單元的端部生成如圖6所示，樁端單元表現出的是實體和節點的接觸，類似在樁單元和樁端節點之間增加軸向彈簧剛度。邊界條件采用位移邊界條件。荷載考慮自重、路面通行均布荷載（15kPa）。模擬施工階段依次為施工前相關設施及地質體在位移邊界結合自重條件下的狀態（位移清零），施加交通荷載，空（位移清零）、隧道施工。

4結果與分析

4.1數值模擬結果

豎向位移結果是隧道暗挖施工、地質體和既有橋梁及過街通道協同分析的重要指標。施工后橋墩最大沉降值為2.2 mm，雙柱墩內橫向差異沉降不大于0.2 mm，同幅內兩軸順橋向差異沉降不大于0.7 mm，橋下路面沉降5.0 mm（圖7）。水平位移結果是評價基礎傾斜的基本數據，數值計算橋梁雙柱墩水平位移后換算墩柱傾斜最大值0.26‰。

節點的總位移結果為其X、Y、Z三方向位移絕對值的和，總位移數值大小，顯示出受影響程度;其分布的空間范圍，展示出受影響范圍。模擬條件下總位移結果0～11.1 mm（圖8）。

4.2對比分析

將根據標準法的結果與數值法計算結果對比得到：

1）標準法劃分出的主、次要影響區范圍與數值法在地表處結果分布基本吻合（圖9），影響區分界位置自西向東依次結果為1.6mm，3.7 mm，3.0 mm，0.9 mm（圖10）。

2）按照標準法劃分，西側樁基入主要影響區0.0m，西側樁基人次要影響區6.8 m;東側樁基入主要影響區5.1 m，人次要影響區5.8 m。在以數值法總位移結果2.5 mm區分主、次要影響區邊界的條件下，西側入主要影響區深度較標準法增加4.9 m，東側入主要影響區深度較標準法增加5.8 m。在以數值法總位移結果0.9 mm區分次要影響區與非影響區邊界的條件下，西側樁基人次要影響區深度較標準法增加13.6 m，東側樁基人次要影響區深度增加6.5 m。見圖9。

3）過街通道橋按照標準法劃分位于次要影響區外;按照數值法總位移結果0.9 mm區分次要影響區與非影響區邊界的條件下，其位于次要影響區中，但受影程度較小。

4）數值法顯示，西側橋樁受影響范圍（6.8 m+13.6 m=20.4 m）較東側橋樁（5.1m+5.8m+6.5m=17.4 m）大，但就主要影響區范圍而言，西側（4.9 m）較東側（5.1 m+5.8 m=10.9 m）小。也就是說，西側橋樁較東側受影響范圍大、程度小，東側橋樁較西側受影響程度大、范圍小。

標準法顯示，西側橋樁較東側受影響范圍小、程度小，東側橋樁較西側受影響程度大、范圍大。

即，影響程度的判定，兩種方法基本一致;影響范圍的判定，結果不同。

5）主要影響區邊線（1：0.6）和次要影響區邊線（1：1.5）上點的總位移數值計算結果，與其所在位置坐標具規律性。越靠擬建工程，影響越大（圖11）;在距離擬建工程一定距離的空間上存在受影響程度突變帶，即曲線斜率變化大的帶（圖12）。

5結論

1）受橋樁進入地層較深影響，穿越影響范圍較標準法所針對的非橋工況有所增大;穿越影響程度方面，與標準法主要影響區評價的結果基本一致。

2）施工擾動樁周土的影響，按無樁情況套用相關標準的劃分方法是基本適用的，但對于有更高精度要求的工程，擴大影響區域范圍似乎更加適用。

3）建議相關標準針對側穿橋梁下部結構工況，進一步明確與橋梁的接近關系判定、兩種影響區判定等內容細節。