高速公路桥墩桩基施工对既有...道力学行为研究及稳定性分析_闵亚芝.pdf

研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期高速公路桥墩桩基施工对既有隧道力学行为研究及稳定性分析闵亚芝（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）近年来，广西高速公路迎来快速发展建设时期。以南宁为中心贯通各地市和“通江达海、出省出边、衔接重要枢纽节点”的高速公路网架基本建成。这样，某些局部地区就不可避免地会出现公路与铁路立体交叉的情况。公路技术标准与铁路技术标准的特点大相径庭，两者对于设计、建设、运营安全的要求也不尽一致。因此，国内对于公铁线路交叉问题做了很多研究，例如采用刚性分载板设计解决新建高速公路上跨既有铁路隧道的问题。下面针对新建高速公路桥梁上跨既有铁路隧道的特殊情况，通过数值模拟验证了桥墩桩基施工及成桥运营对既有铁路隧道结构影响的安全性。1工程概况新建高速公路设计标准为时速 120 km/h，采用双向六车道。既有铁路隧道为双线单洞形式，设计时速 250 km/h。该隧道于 2016 年 12 月 28 日全线通车运营。高速公路与南昆客专的交叉处位于南宁站与南宁西站之间，交叉处南昆客专里程桩号为 K23+788，对应本项目桩号为 Q2K8+780，轨顶至桥梁底的距离为17.21 m，与南昆客专夹角 68。根据地质勘察资料，新建高速公路与既有高铁隧道相交段具体地质情况见表 1。表1主要土层岩石力学参数2工程方案桥梁上部结构主桥采用一联（40+60+40）m 连续钢箱梁，桥梁分左右两幅，左幅靠近铁路隧道洞口，设置两道护栏加防抛网，主梁采用单箱四室斜腹板箱形截面；右幅远离洞口，采用单箱三室斜腹板箱形截面。全桥采用统一的等截面箱梁，梁高 2.8 m。桥墩采用双柱式桥墩，柱径2 m；采用钻孔灌注桩基础，桩径2.2 m。桥台采用肋式台，承台厚1.8 m，桩径1.2 m。桥墩桩基距南昆客专中心线的最小距离为 26.25m，距南昆客专隧道外边缘的最小距离为 19.24 m。摘要：新建桥梁上跨既有隧道，会使隧道产生一定安全隐患，因此需要在桩基施工及桥梁运营中对既有隧道的安全性进行分析评估。以某新建高速公路桥梁上跨南昆客专隧道为研究对象，采用有限元软件对桥梁桩基、隧道围岩进行模拟，分析新建工程影响下的隧道围岩位移及力学性能。结果表明，桩基施工及成桥运营引起的隧道位移非常微小，对既有隧道基本没有影响。关键词：桩基施工；既有隧道；有限元软件；成桥运营；稳定性分析中图分类号：U455.46文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）06-0097-04Abstract:The new bridge spans the existing tunnel,which will cause some hidden dangers to the tunnel,so it is necessaryto analyze and evaluate the safety of the existing tunnel in the pile foundation construction and bridge operation.Taking theNanning-Kunming special tunnel on a newly-built highway bridge as the research object,the pile foundation of the bridge and thesurrounding rock of the tunnel are simulated by finite element software,and the displacement and mechanical properties of thesurrounding rock of the tunnel under the influence of the new project are analyzed.The results show that the tunnel displacementcaused by pile foundation construction and completed bridge operation is very small and has no effect on the existing tunnel.Keywords:pile foundation construction;existing tunnel;finite element software;completed bridge operation;stability analysis作者简介：闵亚芝（1991-），女，硕士，路桥工程师。研究方向为路桥设计。序号土层名称重度/（kN m-3）泊松比弹性模量/MPa粘聚力/（kN m-2）内摩擦角/1粉质粘土180.32718.62全风化硅质岩220.228.510222203强风化硅质岩22.30.219.71027030DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.06.02297-2023年6期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application3方案安全性评价3.1计算环境及模型假定根据本工程的实际情况和特点，在三维有限元分析时进行了如下假定和简化。1）将土层简化为水平层状分布的连续材料。基于宏观行为，计算模型中土层采用 3D 实体单元进行模拟，模型假定岩土体为各向同性，采用 M-C 屈服强度准则。2）隧道地层采用莫尔-库伦本构模型，衬砌结构和锚杆采用线弹性本构模型。3）为简化地形地面采用最不利坡面进行模拟。4）隧道地层只考虑自重引起的初始应力场。5）模型的左右边界施加水平约束，底部施加竖向位移约束，顶面自由。根据工程经验分析，考虑到挖方和填方土体的影响范围及尽可能简化减少节点等因素，计算范围选取 150 m60 m 的土体单元。在此区域模拟土层、隧道、桥梁桩基，通过激活钝化开挖区域的土体单元，衬砌单元模拟开挖及桩基施工。隧道桩基相对位置关系如图 1 所示。模型中初期支护采用 2D 板单元进行模拟，锚杆在模型中采用 1D 植入式桁架进行模拟，隧道材料参数见表 2。图1隧道桩基相对位置示意表2隧道材料参数3.2计算工况结合迈达斯 GTS 软件的激活、钝化技术及网格自适应功能可有效准确地计算具有复杂几何边界及多种介质条件下的岩土、结构等二维力学运算，施工步设置及控制区域见表 3。荷载步 对应工序说明 激活 钝化 备注 工况1 初始地应力 全部土层、边界、自重 清零位移 工况2 隧道开挖 隧道位置土层 释放30%地应力 工况3 衬砌及锚杆 隧道衬砌及锚杆 释放剩余70%地应力 工况4 表面土平整 部分第一层粉质粘土 工况5 桩基施工 改变属性(桩基)桩基位置土层 工况6 成桥荷载 桥面荷载及活载 计算发现地层横向位移最大值及最小值出现于桩孔底部位置处，最大位移值为 0.68 mm，最小位移值为-0.44 mm。地层竖向位移最大值出现于桩孔底部位置处，为 4.95 mm，竖向最小位移值出现于桩孔中心置处，为-0.44 mm，地层横向位移及竖向位移值均处于安全范围内。表3施工步设置及控制区域（a）横向（b）竖向图2桩基成孔后地层位移3.3计算云图及数据3.3.1桩基成孔影响分析软件模拟 2.2 m 直径桩基成孔时考虑了 40 mm 厚钢护筒支护。桩基成孔后地层产生的位移如图 2 所示，隧道发生的位移如图 3 所示。名称 本构重度/（kN m-3）弹性模量 E/MPa泊松比 内摩擦角/粘聚力 c/kPa衬砌 弹性2028 0000.2锚杆 弹性78210 0000.2+6.832 22e-001+6.094 60e-002+3.816 89e-002+2.434 75e-002+1.390 53e-002+6.501 94e-003+8.097 85e-004-4.678 03e-003-1.219 73e-002-2.262 09e-002-3.608 47e-002-5.592 05e-002-4.352 03e-0013.3%4.3%5.0%6.4%11.3%18.8%21.1%11.2%5.9%4.6%4.4%3.8%DISPLACEMENTTX，mmDISPLACEMENTTZ，mm0.2%13.2%19.1%10.0%7.6%7.2%6.6%6.1%6.5%5.9%7.3%10.3%+4.947 58e+000+2.634 76e-002-9.074 51e-002-1.350 55e-001-1.719 52e-001-2.049 82e-001-2.338 62e-001-2.607 72e-001-2.868 59e-001-3.135 36e-001-3.428 85e-001-3.736 83e-001-4.438 00e-001Min:-0.443 8Max:4.947 58MinMax：0.435 20398-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期桩基成孔后隧道产生横向位移，其最小值仅为-0.01 mm。可以认为桩基成孔对隧道影响极其微小。桩基成孔后隧道产生竖向位移最大值位于拱底位置处，为-0.06 mm，竖向位移最小值位于左侧拱肩位置处，为-0.12 mm。可以认为桩基成孔对隧道极其微小。3.2.2成桥运营影响分析成桥阶段，软件考虑桥面二期荷载及活载，运营后地层产生的位移如图 4 所示，隧道发生的位移如图 5所示。计算发现地层横向位移最大值及最小值出现于桩孔底部位置处，最大位移值为 0.70 mm，最小位移值为-0.41 mm。地层竖向位移最大值出现于桩孔底部位置处，为 4.49 mm，竖向最小位移值出现于桩孔中心偏上置处，为-0.96 mm，地层横向位移及竖向位移值均处于安全范围内。（a）横向位移（b）竖向位移图3桩基成孔后隧道发生的位移（a）横向（b）竖向图4成桥后地层位移（a）横向（b）竖向图5开挖完成桩基时隧道发生的位移Min：-0.012 240 6Max：0.010 488 6+1.048 86e-002+7.789 12e-003+5.908 66e-003+4.501 20e-003+3.350 88e-003+2.214 41e-003+1.064 62e-003-3.117 56e-004-1.881 80e-003-3.415 67e-003-4.867 66e-003-6.244 05e-003-1.224 06e-002DISPLACEMENTTX，mm6.4%5.3%8.4%10.6%8.7%10.7%5.8%6.5%9.4%9.7%9.5%Min：-0.121 094Max:-0.058 751 7DISPLACEMENTTZ，mm-5.875 17e-002-6.394 69e-002-6.914 21e-002-7.433 73e-002-7.953 26e-002-8.472 78e-002-8.992 30e-002-9.511 83e-002-1.003 14e-001-1.055 09e-001-1.107 04e-001-1.158 99e-001-1.210 94e-0016.2%6.6%4.0%3.1%3.5%5.6%5.6%8.5%11.1%15.3%23.6%6.9%DISPLACEMENTTX，mmMax:4.488 56Min:-0.955 9DISPLACEMENTTZ，mm+7.001 97e-001+1.275 29e-001+7.763 24e-002+4.895 93e-002+2.781 10e-002+1.285 21e-002+1.355 04e-003-9.527 54e-003-2.438 03e-002-4.472 46e-002-7.118 15e-002-1.092 86e-001-