隔離樁對(duì)PBA暗挖車(chē)站鄰近建筑物沉降控制效果研究

張 偉

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度日益增加，在集約節(jié)約利用有限空間的背景下也帶來(lái)了項(xiàng)目周邊環(huán)境日趨復(fù)雜、項(xiàng)目建設(shè)條件日趨緊張、項(xiàng)目實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)逐步加劇等問(wèn)題。

在城市成熟建成區(qū)，大量的擬建地下工程鄰近既有建筑物、大直徑管線(xiàn)、已運(yùn)營(yíng)的地鐵及市政橋隧設(shè)施等［1］，且距離關(guān)系也越來(lái)越小。在以往的近接施工案例中，建（構(gòu)）筑物沉降、變形超限，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫，后期修補(bǔ)的案例常有發(fā)生，較大的工程事故也偶有所聞。結(jié)合以往的案例分析，對(duì)周邊既有建（構(gòu)）筑物保護(hù)的通用措施主要有明挖結(jié)構(gòu)加強(qiáng)支護(hù)體系，暗挖結(jié)構(gòu)加強(qiáng)初支、二襯背后注漿，施工期間加密監(jiān)測(cè)頻率等；專(zhuān)用措施主要有在擬建工程與既有建（構(gòu)）筑物間設(shè)置隔離樁，暗挖結(jié)構(gòu)輔以深孔注漿加固開(kāi)挖面周邊土體。其中隔離樁措施作為控制建筑物沉降與變形最常用的方法之一，廣泛應(yīng)用于各工法的近接施工保護(hù)中［2］。

隔離樁的作用是隔斷開(kāi)挖施工引起的附加應(yīng)力傳播路徑，并承受附加應(yīng)力及地基差異產(chǎn)生的摩阻力，限制樁后土體變形發(fā)展；隔斷開(kāi)挖面與建筑物間的土體滑移面，減小隔離樁后建筑物的變形［3－5］，其作用機(jī)理見(jiàn)圖 1。

圖1 隔離樁作用機(jī)理

本文以北京地鐵某線(xiàn)暗挖車(chē)站（PBA工法）鄰近既有5層建筑物為例，建立洞外不設(shè)置隔離樁、洞外設(shè)置隔離樁、洞外不設(shè)置隔離樁（洞內(nèi)增加土體超前加固范圍）三種工況，并通過(guò)有限元差分軟件對(duì)三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析既有建筑物在不同工況下受影響程度，評(píng)估隔離樁在鄰近建筑物施工過(guò)程中的隔離防沉效果，為后續(xù)類(lèi)似工程提供參考。

2 工程概況

2.1 結(jié)構(gòu)形式

車(chē)站主體為地下兩層雙柱三跨直墻三連拱結(jié)構(gòu)，采用PBA工法施工，頂拱覆土約12.4 m。

既有建筑物為地上五層框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)東西長(zhǎng)約13.8 m，柱距3.9 m；南北長(zhǎng)約10.1 m，柱距3.1～3.7 m。其中局部一層為機(jī)房，為后加附屬結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，底部標(biāo)高為地面下約2.5 m。車(chē)站與建筑物平面位置見(jiàn)圖2。

圖2 車(chē)站與建筑物平面（單位：mm）

車(chē)站邊導(dǎo)洞外皮距離建筑物基礎(chǔ)最小水平距離為2.746 m，基本滿(mǎn)足施工一排隔離樁空間需求；車(chē)站拱頂距離建筑物基礎(chǔ)底豎向凈距約9.9 m，既有建筑物所處位置位于車(chē)站開(kāi)挖施工強(qiáng)烈影響區(qū)內(nèi)。車(chē)站與建筑物剖面位置見(jiàn)圖3。

圖3 車(chē)站與建筑物剖面（單位：mm）

2.2 地質(zhì)概況

場(chǎng)區(qū)地表為人工堆積層，其下為一般第四紀(jì)沖洪積層，自上而下粒度變粗。上部巖性主要以粉土、黏性土與砂類(lèi)土互層為主，下部以砂類(lèi)土、碎石類(lèi)土為主。土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值分析

3.1 模型構(gòu)建與工況設(shè)置

車(chē)站施工采用分步開(kāi)挖，圍巖作用于結(jié)構(gòu)的壓力隨開(kāi)挖不斷變化，其受力多次重新分配，最后由初支與二襯共同承擔(dān)，因此結(jié)構(gòu)分析采用“地層－結(jié)構(gòu)”模型，按實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，以確定施工全過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境的影響。采用有限元差分軟件建立三維計(jì)算模型，見(jiàn)圖4。模型大小為120 m（東西向）×110 m（南北向）×60 m（深度），對(duì)模型四周及底部施加法向約束，頂部采用自由邊界，土體采用摩爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型，既有建筑物、隔離樁及暗挖車(chē)站結(jié)構(gòu)采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型［6－8］。

圖4 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合周邊環(huán)境對(duì)本工程可能產(chǎn)生的限制條件，分別對(duì)三種不同工況進(jìn)行建模計(jì)算分析。

工況一：不設(shè)置隔離樁。導(dǎo)洞及扣拱拱頂采用超前深孔注漿，加固范圍為初支外1.5 m。

工況二：在暗挖車(chē)站與既有建筑物間設(shè)置一排隔離樁，隔離樁為φ800＠1 200 mm鉆孔灌注樁，樁底至邊導(dǎo)洞底以下4 m，地面打設(shè)。

工況三：不設(shè)置隔離樁，洞內(nèi)加大土體超前加固范圍。具體增加范圍為邊導(dǎo)洞、鄰近建筑物的邊拱外輪廓3 m及掌子面采用超前深孔注漿加固，見(jiàn)圖5［9］。施工步設(shè)置見(jiàn)表2。

圖5 結(jié)構(gòu)模型（不設(shè)置隔離樁，洞內(nèi)加大超前加固范圍）

表2 主要施工分步

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)建筑物檢測(cè)評(píng)估報(bào)告，建筑物沉降變形絕對(duì)值不大于20 mm，柱間基礎(chǔ)差異沉降不超過(guò)5 mm（柱間距為4 m），即換算后的建筑物傾斜率不大于1.25‰。

（1）地層沉降。

車(chē)站施工完成后，最終地層沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。在車(chē)站中拱附近，地層沉降達(dá)到最大值，向車(chē)站兩側(cè)呈遞減趨勢(shì)，形成標(biāo)準(zhǔn)拋物線(xiàn)式沉降槽。

圖6 地面沉降變化曲線(xiàn)

工況一在不設(shè)置隔離樁條件下，沉降曲線(xiàn)基本呈對(duì)稱(chēng)分布。

工況二在設(shè)置隔離樁后，阻斷了隔離樁外建筑物側(cè)的土體向車(chē)站施工開(kāi)挖處的滑動(dòng)趨勢(shì)，隔斷車(chē)站開(kāi)挖施工引起的附加應(yīng)力傳播路徑，地層沉降在隔離樁內(nèi)、外側(cè)有明顯的突變，隔離樁外側(cè)的地層沉降相比未設(shè)置隔離樁時(shí)減少14.17～15.08 mm，減少約48.8%，對(duì)控制周邊地層及鄰近建筑物沉降作用明顯。

工況三不設(shè)置隔離樁，但在洞內(nèi)對(duì)邊導(dǎo)洞及邊拱開(kāi)挖外輪廓及掌子面加大土體超前加固范圍，通過(guò)改良土體、提高地層參數(shù)來(lái)控制地層沉降，加固后的土體沉降相比不設(shè)置隔離樁時(shí)減少約23.1%，對(duì)控制周邊地層及鄰近的建筑物沉降也起到一定的做用。

（2）建筑物南側(cè)墻沉降

建筑物南側(cè)墻與車(chē)站主體施工開(kāi)挖方向平行，因此三個(gè)工況中的南側(cè)墻整體沉降曲線(xiàn)趨于平穩(wěn)，南4、南5兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間由于部分墻體脫離施工開(kāi)挖強(qiáng)烈影響區(qū)，沉降值有減小趨勢(shì)。建筑物南側(cè)墻最終沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 建筑物南側(cè)墻沉降變化曲線(xiàn)

工況一在不設(shè)置隔離樁條件下，南側(cè)墻沉降值在20.11～29.21 mm，南3、南4、南5三個(gè)測(cè)點(diǎn)的差異沉降分別為5.57 mm、3.87 mm?？偝两抵导爸g差異沉降值多處超過(guò)評(píng)估限值。

工況二在設(shè)置隔離樁條件下，南側(cè)墻沉降值在10.87～15.19 mm，南3、南4、南5三個(gè)測(cè)點(diǎn)的差異沉降分別為1.82 mm、1.92 mm，均小于評(píng)估限值。總沉降值相比工況一減少約47%，柱間差異沉降值相比工況一減少50.4%～67.3%。設(shè)置隔離樁后，有效控制了建筑物基礎(chǔ)下方的土體位移，保證了建筑物總沉降與柱間差異沉降滿(mǎn)足建筑受力要求。

工況三在不設(shè)置隔離樁、增加開(kāi)挖外輪廓及掌子面土體超前加固范圍的條件下，南側(cè)墻沉降值在13.21～21.62 mm，南3、南4、南5三個(gè)測(cè)點(diǎn)的差異沉降分別為5.49 mm、2.85 mm，南3與南4測(cè)點(diǎn)差異沉降不滿(mǎn)足評(píng)估限值?？偝两抵迪啾裙r一減少26%～47%，柱間差異沉降值相比工況一減少約26%。增加周邊土體加固范圍后，對(duì)控制周邊地層及鄰近建筑物沉降起到一定的作用。

（3）建筑物西側(cè)墻沉降

建筑物西側(cè)墻與車(chē)站主體施工開(kāi)挖方向垂直，因此建筑物基礎(chǔ)的差異沉降現(xiàn)象較為明顯，建筑物基礎(chǔ)變形指標(biāo)受總沉降及差異沉降雙控，基礎(chǔ)距離車(chē)站開(kāi)挖面越近，其差異沉降值越大。建筑物西側(cè)墻最終沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。

圖8 建筑物西側(cè)墻沉降變化曲線(xiàn)

工況一在不設(shè)置隔離樁條件下，西側(cè)墻沉降值在12.21～29.21 mm，西A～西D四個(gè)測(cè)點(diǎn)的差異沉降分別為8.19 mm、4.57 mm、4.24 mm。距離車(chē)站開(kāi)挖面越近，差異沉降值越大，總沉降值及柱間差異沉降值多處超過(guò)評(píng)估限值。

工況二在設(shè)置隔離樁條件下，西側(cè)墻沉降值在7.01～15.19 mm，西A～西D四個(gè)測(cè)點(diǎn)的差異沉降分別為3.18 mm、2.19 mm、2.18 mm，均小于評(píng)估限值?？偝两抵迪啾裙r一減少40% ～48%，柱間差異沉降值相比工況一減少33% ～61%。設(shè)置隔離樁后，有效控制了建筑物基礎(chǔ)下方的土體豎向位移及南北向的水平位移，保證了建筑物總沉降與柱間差異沉降滿(mǎn)足建筑受力要求。

工況三在不設(shè)置隔離樁、增加開(kāi)挖外輪廓及掌子面土體超前加固范圍的條件下，西側(cè)墻沉降值在10.21～21.62 mm，西A～西D四個(gè)測(cè)點(diǎn)的差異沉降分別為4.6 mm、3.57 mm、3.24 mm，均小于評(píng)估限值?？偝两抵迪啾裙r一減少16% ～26%，柱間差異沉降值相比工況一減少21%～43%。增加周邊土體加固范圍后，對(duì)控制周邊地層及鄰近建筑物沉降起到一定的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以北京地鐵某暗挖車(chē)站（PBA工法）鄰近既有5層建筑物為例，采用有限元差分軟件對(duì)三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析三種不同工況對(duì)既有建筑物的影響程度，以評(píng)估隔離樁做為一種硬隔離措施在鄰近建筑物施工過(guò)程中控制環(huán)境變形的效果，主要結(jié)論如下：

（1）隔離樁做為一種硬隔離措施，在剛度足夠的條件下，可有效限制樁后的土體變形發(fā)展，隔斷開(kāi)挖面與建筑物間的土體滑移面，減小隔離樁后建筑物的沉降變形。在暗挖車(chē)站鄰近建筑物施工時(shí)，隔離樁措施作為控制建筑物沉降與變形最常用的方法之一，其對(duì)建筑物沉降變形的控制效果較為明顯［10－12］。

（2）當(dāng)受管線(xiàn)、交通、占地等地面條件限制隔離樁無(wú)法實(shí)施時(shí)，可考慮增加超前注漿加固范圍，控制建筑物沉降變形，但效果沒(méi)有隔離樁措施明顯。同時(shí)在增加超前注漿加固范圍后，加固體隨范圍增大，施工質(zhì)量也較難控制，需對(duì)注漿工藝深入研究。

（3）隔離樁的設(shè)置有效控制了建筑物的沉降變形，但隔離樁在施工過(guò)程中，受成孔及振動(dòng)等影響，不可避免地會(huì)出現(xiàn)施工沉降，考慮其影響較小，屬于非要因，本次分析不再贅述。

（4）類(lèi)似地下工程可參考本工程分析結(jié)論，但對(duì)于鄰近建（構(gòu)）筑物的不同基礎(chǔ)形式有待做針對(duì)性研究。