桥梁施工论文发表简述高架桥桥墩桩基对隧洞衬砌结构的影响

　　摘 要：不同土建工程间是否存在相互影响是土地资源的立体开发过程中非常重要问题之一，本文针对某工程中高架桥跨越输水隧洞，其桩基及其上部荷载对隧洞衬砌结构产生附加应力和附加位移，从而对隧洞的安全运行产生的影响进行分析。

　　关键词：桥梁施工论文发表,期刊投稿,桥墩桩基,供水隧洞,立体工程开发,数值模拟

　　1.引言

　　随着土地资源的紧缺性愈发严重，土地资源的立体开发尤其是地下空间的开发越来越受到关注[1]。随着城市地下空间的开发，地下工程包括像公路隧道、输水隧洞、城市地铁等出现的越来越多，拟建的地上建筑工程对既有地下建筑工程的安全性能有着很大的影响。其中，高架桥跨越既有隧洞并在隧洞附近设置桥墩桩基就是实际工程中较为普遍的一种情况。由于岩土问题的复杂性和实际条件的限制，大型的实验研究在工程建设中很难实现。近年来，国内外很多学者开始通过有限元数值分析方法探索桩基对隧洞的影响[2-6]。

　　本文先根据实际工程中桥墩桩基受力方式、设置距离、埋深距离以及地质条件等参数确定受桩基影响最大的隧洞结构，然后对桩基荷载传递及其对隧洞的影响进行理论分析，并根据实际工况建立三维有限元数值模型计算分析桩基对该隧洞的影响。分析结果说明高架桥桥墩桩基及其上部荷载对输水隧洞的影响是满足结构安全要求的，具体的监测结果也证明了这一点。

　　2.工程概况：

　　博深高速公路黄竹径高架桥桥位区地貌为低缓丘陵间夹山间谷地，地形起伏较大，地面标高约51.97~97.04m。桥梁与雁田隧洞相交，桥位区地层由素填土、冲积粉质粘土、坡残积土层、粉砂岩、泥质灰岩、砂岩及其风化层组成。桥位区地下水主要为土层孔隙水和基岩裂隙水，地下水位埋深约1.8~10.8m。桥墩桩基采用的是均是钻孔灌注混凝土桩，且都为嵌岩端承桩。

　　既有雁田隧洞输水隧洞全长5997.59m，隧洞结构型式为城门洞型，与博深高速公路高架桥跨越段相交段城门洞型隧洞采用组合式衬砌，总宽度为6.6m，总高度为7.9m，顶拱为半圆形，内半径R内=2.8m，外半径R外=3.3m，拱脚下接高4.6m直墙，墙厚0.5m，底板厚度为0.4m。基础设计持力层为弱风化泥质粉砂岩，隧洞侧采用石渣回填。

　　跨越段范围内桥墩桩基及其上部荷载会产生桩周应力和桩周的土体变形，并通过土层之间的联系进行传递，从而对隧洞结构产生附加应力和附加弯矩，引起隧洞局部变形和整体位移，严重时会导致隧洞结构的破坏，危及隧洞的安全。本文选择桥墩桩位距离雁田隧洞近、桩顶荷载大、地质条件差的14#、15#桥墩桩基作为研究对象，分别通过经验公式理论分析以及有限元计算分析进而判断隧洞跨越段内高架桥桥墩桩基及其上部荷载是否可以保证雁田隧洞的正常使用。

　　3.跨越段桥墩桩基产生影响的理论分析

　　跨越段桥墩桩基为钻孔桩为嵌岩端承桩，荷载传递除了在某些方面具有一般未入岩的各类竖桩的基本特征外，尚有其嵌岩而引起的一些特点包括覆盖土层的桩侧摩阻力、风化岩层的嵌固力及桩底基岩的端承力。这三个要素都有其各自的变化规律，都占有相当的比重。而且三个要素的发挥程度及其组合都将直接影响单桩的承载力[7]。

　　桩基对隧洞的影响较为复杂，主要体现在附加应力和附加位移上[2]。理论分析主要从桩—沉降角度出发分析桥墩桩基的影响作用。本文中的桥墩桩基沉降视为单桩沉降，由于土体的非线性特性和成层分布特性对土体的应力分布的影响较小，一般可以采用Mindlin应力解和位移解来研究土体中的应力分布和位移，因而出现了基于应力解的弹性理论方法，其中基于Geddes应力解的单桩沉降计算方法得到了较为广泛的应用[8]。

　　根据Geddes应力解的单桩沉降的计算公式，可以确定单桩在竖向荷载作用下，桩基周围土体内任意点处的三向应力，再根据弹性理论公式就能确定土体内任意点处的3个主应力[12]。同时根据Mindlin位移解可以确定桩基周围土体中的位移变化，从而可以从理论上分析具体桩基对隧洞结构的影响。

　　4.跨越段桥墩桩基对隧洞影响的数值模拟分析

　　4.1计算模型的选取

　　根据实际工程资料，本文选择桥墩桩位距离雁田隧洞近、桩顶荷载大、地质条件差的14#桥墩桩基作为研究对象。14#桥墩桩基基底高程均为24.5m，相应的此段雁田隧洞洞底高程为25.75~25.45m。

　　4.2土层条件及计算参数选取

　　14#桥墩隧洞模型土层由上至下具体土层的计算参数选取如下表：

　　4.3有限元计算模型及网格划分

　　建立14#桥墩隧洞的有限元模型，模型由隧洞、桩基及土层组成，左右幅桥墩均为双桩桥墩，隧洞衬砌型式为4型。模型范围取隧洞衬砌外侧21m，隧洞底面向下12m。有限元模型尺度的长×宽×高为33m×48m×44.6m。

　　数值分析采用ANSYS有限元分析软件进行，模型土层、桩均采用实体单元solid45，隧洞衬砌采用壳单元shell63进行模拟。图1是隧洞衬砌结构示意图，图2 是网格划分图

　　4.4计算工况模拟

　　计算分析博深高速公路黄竹径高架桥桥墩桩基对隧洞衬砌结构的影响，已知其14#桥墩桩顶的控制反力为16700KN。计算分两步进行：第一步：未打桩，雁田隧洞受自重应力作用;第二步：施加桩顶设计荷载，雁田隧洞受自重应力及桩顶荷载的共同作用。

　　4.5计算结果分析

　　4.5.1. 桥墩桩基对隧洞衬砌结构竖向位移的影响

　　通过14#桥墩隧洞整体模型有限元数值模拟计算，以14#桥墩左、右幅桩的中心沿垂直水流方向作横剖面，然后根据模型变形分布云图分析桩基引起的附加竖向位移为。

　　桩基引起的最大竖向位移出现在桩的顶部，附加竖向位移由桩顶至桩底逐渐减小。14#桥墩桩基引起隧洞衬砌结构的竖向位移分别为1.4~3.0mm。可见左右桩基引起的隧洞衬砌竖向位移均较小，对隧洞影响较小。(本文以桥墩左幅方向为左侧，下同。)

　　4.5.2. 桥墩桩基对隧洞衬砌结构受力的影响

　　根据模型附加内力分布云图，同时考虑有限元单元尺度的因素，14#桥墩桩基引起的隧洞衬砌产生的最大剪应力为18.2Kpa，最大附加弯矩为18.7kN·m，最大附加轴力为86.5kN。15#桩基引起的隧洞衬砌最大附加弯矩为8.0kN·m，最大附加轴力为63.2kN。

　　根据计算结果可知，桩顶施加设计荷载后最大附加剪应力 及第一主应力 均出现在桩端基岩，桩基荷载的影响范围有限，可以认为桩基荷载基本由基岩承担，同时附加弯矩和轴力的值也较小，在桩基满足自身承载力的条件下，对供水涵洞影响较小。

　　4.5.3. 隧洞承载能力

　　隧洞建筑物的设计安全等级为1级。跨越段隧洞衬砌型式为4型，属开口式结构。材料为受力钢筋为HRB335(Ⅱ级)，钢筋抗拉强度设计值fy=300MPa;隧洞衬砌结构混凝土设计强度等级均为R200，砼轴心抗拉强度设计值fc=11.9MPa。

　　根据计算成果，比较衬砌结构各断面处不同部位的内力成果，选取弯矩值较大点为考察点，提取考察点的内力，并考虑单元尺度的因素，施加桩顶荷载后。

　　1. 结 论

　　黄竹径高架桥跨越已建东深供水系统的输水隧洞——雁田隧洞，跨越段范围内桥墩桩基会对隧洞产生附加应力和附加位移，及时评估和复核雁田隧洞衬砌结构是十分必要的。本文先通过对桥墩桩基产生的影响部分进行理论分析，然后建立三维有限元数值模型进行计算分析，同时再根据计算结果对隧洞衬砌结构承载能力进行复核。分析结果可以发现：

　　(1)在设计方案下，桥墩桩基基底高程低于隧洞底高程，桥墩桩基对涵洞的竖向变形影响较小。

　　(2)桥墩桩基附加荷载的影响范围有限，对供水涵洞整体结构的影响不大，但隧洞圆弧段衬砌端部是受附加弯矩和附加轴力综合影响最大的位置，应对其进行复核。

　　(3)复核发现，施加桩顶荷载后，隧洞强度配筋足够，结构承载能力满足要求。

　　(4)在高架桥正常使用工作的条件下，桥墩桩基跨越输水隧洞时可以保证隧洞的安全。

　　该工程目前已顺利实施完成，高架桥桥墩顺利跨越了雁田隧洞，实测数据表明隧洞衬砌结构变形较小，与计算结果相符。

　　参考文献：

　　[1]. 彭 颖，夏才初，王文杰. 地下空间在我国城市立体开发中的发展[J]. 地下空间，2003，23(2)：216～217.