摘 要：不同土建工程間是否存在相互影響是土地資源的立體開發(fā)過程中非常重要問題之一，本文針對某工程中高架橋跨越輸水隧洞，其樁基及其上部荷載對隧洞襯砌結(jié)構產(chǎn)生附加應力和附加位移，從而對隧洞的安全運行產(chǎn)生的影響進行分析。

　　關鍵詞：橋梁施工論文發(fā)表,期刊投稿,橋墩樁基,供水隧洞,立體工程開發(fā),數(shù)值模擬

　　1.引言

　　隨著土地資源的緊缺性愈發(fā)嚴重，土地資源的立體開發(fā)尤其是地下空間的開發(fā)越來越受到關注[1]。隨著城市地下空間的開發(fā)，地下工程包括像公路隧道、輸水隧洞、城市地鐵等出現(xiàn)的越來越多，擬建的地上建筑工程對既有地下建筑工程的安全性能有著很大的影響。其中，高架橋跨越既有隧洞并在隧洞附近設置橋墩樁基就是實際工程中較為普遍的一種情況。由于巖土問題的復雜性和實際條件的限制，大型的實驗研究在工程建設中很難實現(xiàn)。近年來，國內(nèi)外很多學者開始通過有限元數(shù)值分析方法探索樁基對隧洞的影響[2-6]。

　　本文先根據(jù)實際工程中橋墩樁基受力方式、設置距離、埋深距離以及地質(zhì)條件等參數(shù)確定受樁基影響最大的隧洞結(jié)構，然后對樁基荷載傳遞及其對隧洞的影響進行理論分析，并根據(jù)實際工況建立三維有限元數(shù)值模型計算分析樁基對該隧洞的影響。分析結(jié)果說明高架橋橋墩樁基及其上部荷載對輸水隧洞的影響是滿足結(jié)構安全要求的，具體的監(jiān)測結(jié)果也證明了這一點。

　　2.工程概況：

　　博深高速公路黃竹徑高架橋橋位區(qū)地貌為低緩丘陵間夾山間谷地，地形起伏較大，地面標高約51.97~97.04m。橋梁與雁田隧洞相交，橋位區(qū)地層由素填土、沖積粉質(zhì)粘土、坡殘積土層、粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖及其風化層組成。橋位區(qū)地下水主要為土層孔隙水和基巖裂隙水，地下水位埋深約1.8~10.8m。橋墩樁基采用的是均是鉆孔灌注混凝土樁，且都為嵌巖端承樁。

　　既有雁田隧洞輸水隧洞全長5997.59m，隧洞結(jié)構型式為城門洞型，與博深高速公路高架橋跨越段相交段城門洞型隧洞采用組合式襯砌，總寬度為6.6m，總高度為7.9m，頂拱為半圓形，內(nèi)半徑R內(nèi)=2.8m，外半徑R外=3.3m，拱腳下接高4.6m直墻，墻厚0.5m，底板厚度為0.4m。基礎設計持力層為弱風化泥質(zhì)粉砂巖，隧洞側(cè)采用石渣回填。

　　跨越段范圍內(nèi)橋墩樁基及其上部荷載會產(chǎn)生樁周應力和樁周的土體變形，并通過土層之間的聯(lián)系進行傳遞，從而對隧洞結(jié)構產(chǎn)生附加應力和附加彎矩，引起隧洞局部變形和整體位移，嚴重時會導致隧洞結(jié)構的破壞，危及隧洞的安全。本文選擇橋墩樁位距離雁田隧洞近、樁頂荷載大、地質(zhì)條件差的14#、15#橋墩樁基作為研究對象，分別通過經(jīng)驗公式理論分析以及有限元計算分析進而判斷隧洞跨越段內(nèi)高架橋橋墩樁基及其上部荷載是否可以保證雁田隧洞的正常使用。

　　3.跨越段橋墩樁基產(chǎn)生影響的理論分析

　　跨越段橋墩樁基為鉆孔樁為嵌巖端承樁，荷載傳遞除了在某些方面具有一般未入巖的各類豎樁的基本特征外，尚有其嵌巖而引起的一些特點包括覆蓋土層的樁側(cè)摩阻力、風化巖層的嵌固力及樁底基巖的端承力。這三個要素都有其各自的變化規(guī)律，都占有相當?shù)谋戎亍６�且三個要素的發(fā)揮程度及其組合都將直接影響單樁的承載力[7]。

　　樁基對隧洞的影響較為復雜，主要體現(xiàn)在附加應力和附加位移上[2]。理論分析主要從樁—沉降角度出發(fā)分析橋墩樁基的影響作用。本文中的橋墩樁基沉降視為單樁沉降，由于土體的非線性特性和成層分布特性對土體的應力分布的影響較小，一般可以采用Mindlin應力解和位移解來研究土體中的應力分布和位移，因而出現(xiàn)了基于應力解的彈性理論方法，其中基于Geddes應力解的單樁沉降計算方法得到了較為廣泛的應用[8]。

　　根據(jù)Geddes應力解的單樁沉降的計算公式，可以確定單樁在豎向荷載作用下，樁基周圍土體內(nèi)任意點處的三向應力，再根據(jù)彈性理論公式就能確定土體內(nèi)任意點處的3個主應力[12]。同時根據(jù)Mindlin位移解可以確定樁基周圍土體中的位移變化，從而可以從理論上分析具體樁基對隧洞結(jié)構的影響。

　　4.跨越段橋墩樁基對隧洞影響的數(shù)值模擬分析

　　4.1計算模型的選取

　　根據(jù)實際工程資料，本文選擇橋墩樁位距離雁田隧洞近、樁頂荷載大、地質(zhì)條件差的14#橋墩樁基作為研究對象。14#橋墩樁基基底高程均為24.5m，相應的此段雁田隧洞洞底高程為25.75~25.45m。

　　4.2土層條件及計算參數(shù)選取

　　14#橋墩隧洞模型土層由上至下具體土層的計算參數(shù)選取如下表：

　　4.3有限元計算模型及網(wǎng)格劃分

　　建立14#橋墩隧洞的有限元模型，模型由隧洞、樁基及土層組成，左右幅橋墩均為雙樁橋墩，隧洞襯砌型式為4型。模型范圍取隧洞襯砌外側(cè)21m，隧洞底面向下12m。有限元模型尺度的長×寬×高為33m×48m×44.6m。

　　數(shù)值分析采用ANSYS有限元分析軟件進行，模型土層、樁均采用實體單元solid45，隧洞襯砌采用殼單元shell63進行模擬。圖1是隧洞襯砌結(jié)構示意圖，圖2 是網(wǎng)格劃分圖

　　4.4計算工況模擬

　　計算分析博深高速公路黃竹徑高架橋橋墩樁基對隧洞襯砌結(jié)構的影響，已知其14#橋墩樁頂?shù)目刂品戳��?6700KN。計算分兩步進行：第一步：未打樁，雁田隧洞受自重應力作用;第二步：施加樁頂設計荷載，雁田隧洞受自重應力及樁頂荷載的共同作用。

　　4.5計算結(jié)果分析

　　4.5.1. 橋墩樁基對隧洞襯砌結(jié)構豎向位移的影響

　　通過14#橋墩隧洞整體模型有限元數(shù)值模擬計算，以14#橋墩左、右幅樁的中心沿垂直水流方向作橫剖面，然后根據(jù)模型變形分布云圖分析樁基引起的附加豎向位移為。

　　樁基引起的最大豎向位移出現(xiàn)在樁的頂部，附加豎向位移由樁頂至樁底逐漸減小。14#橋墩樁基引起隧洞襯砌結(jié)構的豎向位移分別為1.4~3.0mm。可見左右樁基引起的隧洞襯砌豎向位移均較小，對隧洞影響較小。(本文以橋墩左幅方向為左側(cè)，下同。)

　　4.5.2. 橋墩樁基對隧洞襯砌結(jié)構受力的影響

　　根據(jù)模型附加內(nèi)力分布云圖，同時考慮有限元單元尺度的因素，14#橋墩樁基引起的隧洞襯砌產(chǎn)生的最大剪應力為18.2Kpa，最大附加彎矩為18.7kN·m，最大附加軸力為86.5kN。15#樁基引起的隧洞襯砌最大附加彎矩為8.0kN·m，最大附加軸力為63.2kN。

　　根據(jù)計算結(jié)果可知，樁頂施加設計荷載后最大附加剪應力 及第一主應力 均出現(xiàn)在樁端基巖，樁基荷載的影響范圍有限，可以認為樁基荷載基本由基巖承擔，同時附加彎矩和軸力的值也較小，在樁基滿足自身承載力的條件下，對供水涵洞影響較小。

　　4.5.3. 隧洞承載能力

　　隧洞建筑物的設計安全等級為1級。跨越段隧洞襯砌型式為4型，屬開口式結(jié)構。材料為受力鋼筋為HRB335(Ⅱ級)，鋼筋抗拉強度設計值fy=300MPa;隧洞襯砌結(jié)構混凝土設計強度等級均為R200，砼軸心抗拉強度設計值fc=11.9MPa。

　　根據(jù)計算成果，比較襯砌結(jié)構各斷面處不同部位的內(nèi)力成果，選取彎矩值較大點為考察點，提取考察點的內(nèi)力，并考慮單元尺度的因素，施加樁頂荷載后。

　　1. 結(jié) 論

　　黃竹徑高架橋跨越已建東深供水系統(tǒng)的輸水隧洞——雁田隧洞，跨越段范圍內(nèi)橋墩樁基會對隧洞產(chǎn)生附加應力和附加位移，及時評估和復核雁田隧洞襯砌結(jié)構是十分必要的。本文先通過對橋墩樁基產(chǎn)生的影響部分進行理論分析，然后建立三維有限元數(shù)值模型進行計算分析，同時再根據(jù)計算結(jié)果對隧洞襯砌結(jié)構承載能力進行復核。分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

　　(1)在設計方案下，橋墩樁基基底高程低于隧洞底高程，橋墩樁基對涵洞的豎向變形影響較小。

　　(2)橋墩樁基附加荷載的影響范圍有限，對供水涵洞整體結(jié)構的影響不大，但隧洞圓弧段襯砌端部是受附加彎矩和附加軸力綜合影響最大的位置，應對其進行復核。

　　(3)復核發(fā)現(xiàn)，施加樁頂荷載后，隧洞強度配筋足夠，結(jié)構承載能力滿足要求。

　　(4)在高架橋正常使用工作的條件下，橋墩樁基跨越輸水隧洞時可以保證隧洞的安全。

　　該工程目前已順利實施完成，高架橋橋墩順利跨越了雁田隧洞，實測數(shù)據(jù)表明隧洞襯砌結(jié)構變形較小，與計算結(jié)果相符。

　　參考文獻：

　　[1]. 彭 穎，夏才初，王文杰. 地下空間在我國城市立體開發(fā)中的發(fā)展[J]. 地下空間，2003，23(2)：216～217.