樁基對(duì)既有高鐵隧道群變形影響的數(shù)值分析

王學(xué)廣， 龍明華

(1.中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司廣州分公司，廣州 510080；2.中國(guó)中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410117)

1 工程概況

某地鐵停車場(chǎng)運(yùn)用庫(kù)上跨三條既有高鐵隧道群，三條既有鐵路隧道分別用高鐵1正線隧道、高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道、高鐵2隧道表示。停車場(chǎng)運(yùn)用庫(kù)采用房橋合一的結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，涉鐵樁基共138根，隧道間樁基共24根，距離既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)凈距3.0～13.8m，樁徑為1.6～2.2m，地質(zhì)情況為素填土、碎石土、花崗巖。同時(shí)近距離跨越三條高鐵隧道群屬全國(guó)首例，施工難度大。為最大程度減小樁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道的擾動(dòng)，保證高鐵正常行車及安全，隧道間樁基采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)成孔施工，隧道兩側(cè)114根樁基采用泥漿護(hù)壁旋挖成孔施工。

2 模型的建立

為分析樁基對(duì)既有高鐵隧道的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立有限差分?jǐn)?shù)值模型，如圖1和圖2所示。模型大小為400m×120m×80m，單元數(shù)約20萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)約21萬。模型采用固定邊界條件，樁采用結(jié)構(gòu)單元模擬。

圖1 模型

圖2 樁基位置與既有高鐵的關(guān)系

計(jì)算模型涉及的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 模型相關(guān)參數(shù)取值

3 初始狀態(tài)應(yīng)力特征

初始狀態(tài)下的應(yīng)力特征如圖3～圖5所示，模型底部z方向應(yīng)力為1.9MPa，模型總高80m。底部z方向應(yīng)力與自重應(yīng)力基本一致，表明模型基本正確，滿足精度要求。

圖3 模型初始狀態(tài)豎直方向應(yīng)力

圖4 模型初始狀態(tài)x方向應(yīng)力

圖5 模型初始狀態(tài)y方向應(yīng)力

模型中高鐵1隧道結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力如圖6～圖8所示。分析既有隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明隧道襯砌起拱線附近豎直方向的應(yīng)力最大，其中高鐵1正線隧道最大豎直方向應(yīng)力為3.43MPa，高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道豎直方向最大應(yīng)力為2.25MPa。隧道拱頂拱底豎直方向應(yīng)力較低。正線隧道x方向最大應(yīng)力為1.709MPa，聯(lián)絡(luò)線隧道x方向最大應(yīng)力為1.25MPa。正線隧道y方向最大應(yīng)力為2.281MPa，聯(lián)絡(luò)線隧道x方向最大應(yīng)力為1.45MPa。

圖6 高鐵1隧道初始狀態(tài)豎直方向應(yīng)力

圖7 高鐵1隧道初始狀態(tài)x方向應(yīng)力

圖8 高鐵1隧道初始狀態(tài)y方向應(yīng)力

模型中高鐵2隧道結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力如圖9～圖11所示。分析既有隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明隧道襯砌起拱線附近豎直方向的應(yīng)力最大，其中最大豎直方向應(yīng)力為6.129MPa，x方向最大應(yīng)力為2.595MPa，y方向最大應(yīng)力為2.425MPa。

圖9 高鐵2隧道初始狀態(tài)豎直方向應(yīng)力

圖10 高鐵2隧道初始狀態(tài)x方向應(yīng)力

圖11 高鐵2隧道初始狀態(tài)y方向應(yīng)力

4 停車場(chǎng)荷載對(duì)既有高鐵隧道襯砌應(yīng)力的影響

模型中高鐵1隧道結(jié)構(gòu)在停車場(chǎng)荷載作用下的應(yīng)力特征如圖12～圖14所示。分析既有隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明隧道襯砌起拱線附近豎直方向的應(yīng)力最大，其中高鐵1正線隧道最大豎直方向應(yīng)力為3.464MPa，比初始狀態(tài)增大約0.03MPa，最大應(yīng)力增大約1%；高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道最大豎直方向應(yīng)力為2.276MPa，比初始狀態(tài)增大約0.026MPa，最大應(yīng)力增大約1%；正線隧道x方向最大應(yīng)力為1.719MPa，比初始狀態(tài)增大約0.01MPa，增幅0.6%；聯(lián)絡(luò)線隧道x方向最大應(yīng)力為1.261MPa，比初始狀態(tài)增大約0.006MPa，增幅0.4%；正線隧道y方向最大應(yīng)力為2.295MPa，比初始狀態(tài)增大約0.014MPa，增幅0.6%；聯(lián)絡(luò)線隧道y方向最大應(yīng)力為1.453MPa，比初始狀態(tài)增大約0.003MPa，增幅0.2%。

圖12 停車場(chǎng)荷載作用下高鐵1隧道豎直方向應(yīng)力

圖13 停車場(chǎng)荷載作用下高鐵1隧道x方向應(yīng)力

圖14 停車場(chǎng)荷載作用下高鐵1隧道y方向應(yīng)力

模型中高鐵2隧道結(jié)構(gòu)在停車場(chǎng)荷載作用下的應(yīng)力特征如圖15～圖17所示。分析既有隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明隧道襯砌起拱線附近豎直方向的應(yīng)力最大，其中高鐵2正線隧道最大豎直方向應(yīng)力為6.160MPa，比初始狀態(tài)增大約0.041MPa，最大應(yīng)力增大約0.6%；正線隧道x方向最大應(yīng)力為2.610MPa，比初始狀態(tài)增大約0.005MPa，增幅0.2%；正線隧道y方向最大應(yīng)力為2.439MPa，比初始狀態(tài)增大約0.014MPa，增幅0.6%。

圖15 停車場(chǎng)荷載作用下高鐵2隧道豎直方向應(yīng)力

圖16 停車場(chǎng)荷載作用下高鐵2隧道x方向應(yīng)力

圖17 停車場(chǎng)荷載作用下高鐵2隧道y方向應(yīng)力

5 停車場(chǎng)荷載對(duì)既有高鐵隧道襯砌變形的影響

根據(jù)圖1的7個(gè)橫斷面，展示在停車場(chǎng)最大荷載作用下，這7個(gè)橫斷面的變形特征。圖18～圖20為1-1斷面的位移云圖，從圖中可以看出，模型的位移以豎直沉降為主，2.2m樁徑處的沉降量最大，最大沉降量為0.97mm。

圖18 1-1斷面豎直方向變形云圖

圖19 1-1斷面x方向變形云圖

圖20 1-1斷面y方向變形云圖

圖21～圖26為不同斷面豎直方向的位移。2-2到4-4斷面，樁徑2.2m的樁位于高鐵2隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道之間，不同斷面豎直方向上的位移基本一致，最大沉降量為0.90～0.95mm。5-5至6-6斷面樁徑2.2m的樁位于高鐵1正線隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道之間，位移略有減小，最大沉降量為0.80～0.85mm。7-7斷面無樁徑2.2m樁，沉降量最小，最大沉降量約為0.32mm。

圖21 2-2斷面豎直方向變形云圖

圖23 4-4斷面豎直方向變形云圖

圖24 5-5斷面豎直方向變形云圖

圖25 6-6斷面豎直方向變形云圖

圖26 7-7斷面豎直方向變形云圖

圖27～圖29為高鐵1鐵路隧道襯砌的位移云圖，從圖中可以看出，高鐵1正線隧道豎直方向最大位移為0.32mm，聯(lián)絡(luò)線最大豎直方向位移為0.3mm；高鐵1正線隧道x方向最大位移為0.16mm，聯(lián)絡(luò)線最大x方向位移為0.1mm；高鐵1正線隧道及聯(lián)絡(luò)線隧道y方向位移小于0.1mm。

圖27 停車場(chǎng)最大荷載下高鐵1隧道豎直方向變形云圖

圖28 停車場(chǎng)最大荷載下高鐵1隧道x方向變形云圖

圖29 停車場(chǎng)最大荷載下高鐵1隧道y方向變形云圖

圖30～圖32為高鐵2隧道襯砌的位移云圖，從圖中可以看出，高鐵2隧道各方向的變形均小于0.1mm。

圖30 停車場(chǎng)最大荷載下高鐵2隧道豎直方向變形云圖

圖31 停車場(chǎng)最大荷載下高鐵2隧道x方向變形云圖

圖32 停車場(chǎng)最大荷載下高鐵2隧道y方向變形云圖

6 現(xiàn)場(chǎng)施工

施工過程變形值和數(shù)值分析結(jié)果基本吻合，施工現(xiàn)場(chǎng)可控。仿真分析結(jié)果保證了施工質(zhì)量，確保了鐵路隧道安全及高鐵正常運(yùn)營(yíng)行車安全，滿足了業(yè)主單位對(duì)工期的要求，在不影響高鐵正常運(yùn)營(yíng)的情況下，樁基全部順利施工完成。本工程的順利實(shí)施，可為類似工程提供借鑒和參考。

7 結(jié)論

(1)三個(gè)隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布特征相似，均是拱腳位置豎直方向應(yīng)力最大，隧道拱底應(yīng)力最小，乃至產(chǎn)生拉應(yīng)力。不同隧道的應(yīng)力大小不同，高鐵2隧道豎直方向最大值為6.129MPa，高鐵1鐵路聯(lián)絡(luò)線隧道豎直方向最大應(yīng)力為2.250MPa，正線最大值為3.430MPa。

(2)地鐵停車場(chǎng)運(yùn)營(yíng)后，高鐵1鐵路正線隧道襯砌最大豎向應(yīng)力與停車場(chǎng)修建之前相比，增加量為30kPa，增加百分比為1%；最大變形為豎直方向，沉降為0.32mm，停車場(chǎng)荷載對(duì)高鐵1鐵路正線隧道影響較小。高鐵1鐵路聯(lián)絡(luò)線隧道襯砌最大豎向應(yīng)力與停車場(chǎng)修建之前相比，豎直方向應(yīng)力增加量為26kPa，增加百分比為1%；最大變形為豎直方向的0.3mm，停車場(chǎng)荷載對(duì)高鐵1鐵路聯(lián)絡(luò)線隧道影響較小。高鐵2鐵路隧道豎直方向應(yīng)力發(fā)生一定變化，最大值增加量為41kPa，增加百分比為0.6%；最大變形小于0.1mm，停車場(chǎng)荷載對(duì)高鐵2鐵路隧道影響較小。

(3)總體上看，停車場(chǎng)運(yùn)營(yíng)后，引起的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變化小于2%，既有隧道變形小于1mm，因此，本樁基方案對(duì)既有鐵路隧道的安全影響很小。相對(duì)而言，本方案對(duì)高鐵1正線隧道、高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道、高鐵2隧道的影響依次減小。

(4)施工過程的變形監(jiān)測(cè)值和數(shù)值分析結(jié)果基本吻合，指導(dǎo)施工的效果顯著，加快了施工進(jìn)度。