隧道穿越空箱擋墻樁基礎(chǔ)的施工方案研究

張學(xué)富，羅智，丁燕平，陳俊濤，余元全

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院重慶400074）

隧道穿越空箱擋墻樁基礎(chǔ)的施工方案研究

張學(xué)富，羅智，丁燕平，陳俊濤，余元全

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院重慶400074）

本文以重慶市南坪中心交通樞紐工程暗挖隧道為背景，對隧道穿越空箱擋墻樁基礎(chǔ)采用原方案、擋墻箱內(nèi)灌混凝土和縮短進尺三種施工方案進行三維有限元數(shù)值模擬，預(yù)測隧道施工過程中圍巖和擋墻的變形規(guī)律，并對施工時可能出現(xiàn)的問題進行探討，為其選擇合理、可靠性的施工方案提供理論依據(jù)，同時對類似工程也具有參考價值。

隧道；有限元；樁基；施工方案

1 前言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，許多大城市都開始修建城市地鐵。隨著城市人口的不斷增多，交通越來越擁擠，人們對地鐵的需求量也越來越大，城市軌道的規(guī)模越來越大，線路越來越密。由于城市人口的增長速度超過了城市擴張的速度，地面和地下建構(gòu)筑物的密度增大，土地的利用率越來越高，土地越來越緊張。在已經(jīng)高度利用的土地上面，大規(guī)模修建城市地鐵，必然導(dǎo)致近距離穿越既有建筑物的情況越來越多，距離越來越近，甚至?xí)霈F(xiàn)將既有結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)棄掉一部分的情況。這勢必造成因新建構(gòu)筑物與既有構(gòu)筑物鄰近而產(chǎn)生的錯綜復(fù)雜的關(guān)系，從而產(chǎn)生對既有結(jié)構(gòu)物的種種不利影響。如何制定合理的施工方案和加固措施，減少對周圍環(huán)境的影響，保證既有結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，成為地下建筑物在近距離條件下施工的核心問題。這一新動向和新問題，目前已經(jīng)引起了地下工程界和巖土工程界甚至包括地鐵承包商在內(nèi)的廣泛重視。在日本，已將近距離條件下地下結(jié)構(gòu)施工定義為“近接施工影響問題”[1]。

關(guān)于近接問題，國內(nèi)外進行了不少研究。Morton及King[2]對于臨近樁基的隧道施工進行了模型試驗，以分析隧道施工對樁基承載力及樁基沉降的影響。他們發(fā)現(xiàn)，隧道施工會顯著改變相鄰樁基礎(chǔ)的受力特征，尤其是在軟巖地質(zhì)中，隧道施工必須精心設(shè)計、安全施工。Lee[3]等報道了樁基之間隧道施工的工程實例。在分析方法方面，Chen，Loganathan[4]等采用兩階段分析方法，評價隧道施工對樁基的影響。Mroueh[5]等采用整體有限單元法分析了隧道施工對臨近單樁和群樁的影響。劉國彬[6]在《明珠線二期施工對環(huán)境影響的三維有限元分析》中，對上體場站穿越段施工全過程進行了三維有限元分析，得出了一些規(guī)律性的認(rèn)識和有價值的結(jié)論，給施工提出了一些有益的建議。楊興富[7]在《地鐵穿越房屋樁基的可行性分析及監(jiān)測》中，建立模型對地鐵下穿房屋樁基的不同工況進行了分析，其中對切除樁基的方案進行了分析。

以上研究從不同角度研究了隧道施工對鄰近建筑物的影響。但是，由于地面建筑物的結(jié)構(gòu)形式各不相同，所處的地質(zhì)條件各異，下穿隧道與其的相對關(guān)系也不相同，因此對于隧道施工與既有鄰近建筑物的相互影響的研究雖然已經(jīng)不少，但是還不能充分解決實際問題。在有鄰近建筑物存在的復(fù)雜條件下開挖隧道，目前還存在著很多問題：1、對此影響無成熟的評價體系。2、做實驗往往受到時間和經(jīng)費的限制（這里的實驗不包括數(shù)值模型實驗），且往往由于所采集樣本與現(xiàn)場的差異，實驗結(jié)果往往與現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果出入較大。3、很多假定較多的理論對于復(fù)雜環(huán)境下的隧道不適用。

隨著城市軌道的發(fā)展，在周圍環(huán)境情況復(fù)雜的情況下開挖隧道，受到了工程界的廣泛重視。但是在鄰近建筑物存在時進行施工方案的制定時，很多施工方，設(shè)計方，甚至業(yè)主，沒有注意到這種特殊情況下施工力學(xué)行為的變化，盲目地憑直觀的判斷和過去看似情況類同的經(jīng)驗進行施工，從而導(dǎo)致了施工中隧道出現(xiàn)襯砌開裂，甚至塌方，或是鄰近建筑物出現(xiàn)沉降，開裂，甚至傾斜。最終的結(jié)果是，他們不但花費了上百萬的錢來進行處理，而且還延誤了工期?？梢?，合理地對隧道及相關(guān)結(jié)構(gòu)的變形進行預(yù)測，合理制定施工方案，以及及時針對特殊情況采取特殊措施在近接隧道施工中是何其重要。

本文以重慶市南坪中心交通樞紐工程下穿隧道為依托，對隧道下穿空箱擋墻的施工技術(shù)進行探討，利用大型有限元軟件ANSYS對其進行論證，并通過有限元分析來研究各技術(shù)的可行性及優(yōu)缺點，總結(jié)出一定的經(jīng)驗可供類似工程參考。

2 工程概況

重慶市南坪中心交通樞紐工程-南坪下穿隧道起訖里程為K0+524.935～K1+779.171。其中K1+535.935～K1+693.931為暗挖段，長約158m。暗挖段埋深15～25m，為淺埋隧道。隧道穿越地段地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，原始地形為東高西低的斜坡地形，斜坡總體傾向約70°，宏觀坡角25～35°，隧道區(qū)溝谷不發(fā)育，無地表水系分布。隧道通過地段出露及鉆探揭露的地層有：第四系全新統(tǒng)填筑土（Q4ml）和侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組沉積巖（J2S）。表層覆蓋土層為人工填土，覆蓋層厚0.3～8.6m，下伏巖體以泥巖為主夾砂巖，呈塊狀結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，巖體完整性指數(shù)為0.69左右。場地內(nèi)地下水不發(fā)育。隧道圍巖以Ⅳ級和V級為主。

隧道平面線型、洞口位置根據(jù)工程總體設(shè)計方案確定。隧道結(jié)構(gòu)形式的選擇上綜合考慮了工程造價、施工難易程度以及地面、地下相鄰建筑等諸方面因素，采用G型襯砌斷面。

隧道道路等級為城市快速干道，設(shè)計行車速度為60km/h，限高5.0m，單洞凈寬為13.25m（0.75m+0.75m+10.25m+ 0.75m+0.75m)，內(nèi)輪廓采用五心圓。隧道按新奧法設(shè)計采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。巖層隧道段初期支護采用錨噴支護，即由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架等支護形式單獨或組合使用。錨桿采用全長粘結(jié)中空注漿錨桿。二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，土層隧道段采用超前支護的施工方法，超前支護采用Φ 127管棚結(jié)合H型鋼支護體系，初期支護采用錨噴支護，即由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)等支護形式。二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。施工方法采用臺階法施工。

該隧道的特殊性在于它在YK0+80到Y(jié)K0+160處下穿空箱擋墻，擋墻后面是軟弱的回填土，在施工中成為一大難點。如何采取措施以減小施工所帶來的不利影響，維護隧道、擋墻和土體三者的穩(wěn)定性，成為隧道施工是否能順利如期完成的關(guān)鍵。隧道與空箱擋墻的位置關(guān)系由圖1所示。

在施工到Y(jié)K0+ 80時，空箱擋墻的樁出現(xiàn)。于是需要對侵入限界的部分樁進行切除。經(jīng)初步分析，切樁時面臨著如下幾個問題：

1、開挖取樁后未支護時，擋墻形成的部分臨空狀態(tài)造成擋墻發(fā)生沉降和變形。

圖1 空箱擋墻與隧道位置關(guān)系示意圖

2、切樁造成擋墻穩(wěn)定性降低，擋墻會發(fā)生傾斜。

3、隧道初期支護完成以后，擋墻的部分壓力可能會作用在隧道的支護結(jié)構(gòu)上，隧道會受到一定程度的偏壓。

為了解決上面提出的問題，防患于未然，隧道施工通過空箱擋墻時，擬采用如下方案進行處理。方案一：隧道施工前在空箱擋墻箱內(nèi)注漿。為了保證空箱擋墻的穩(wěn)定性，防止擋墻發(fā)生傾斜，在隧道施工以前擬采取對空箱擋墻箱內(nèi)進行注漿的技術(shù)，通過增加擋墻自重來增加擋墻的穩(wěn)定性。待灌混凝土完成以后，方可進行隧道施工。方案二：截樁分兩步。把樁分成兩步來截取，是指先截取樁的一半，完成初期支護，待初期支護達到一定強度以后，再對樁的另一半進行截除。此舉通過減少臨空面來適當(dāng)降低隧道開挖對擋墻和圍巖所產(chǎn)生的位移和變形。此方案還包括一個內(nèi)容，就是隧道進尺為2m，但在截樁時進尺縮短為1m。在特殊地段對隧道施工進行進尺調(diào)控可有效地控制應(yīng)力釋放，從而達到限制位移和變形的目的。

3 有限元模型

計算邊界橫向取2條隧道中心線兩側(cè)各32m，開挖方向取10.75m。上邊界取到地表，下邊界取到距洞底3.5倍洞高處。在左右邊界（x=-40 m和x=40 m）上加水平約束，在下邊界（y=-32 m）上加全約束，上邊界為自由邊界，洞頂?shù)降乇?2.5m，不考慮地表的移動荷載。沿開挖方向的兩個端面加上法向約束。

在建模過程中，噴射混凝土、二次襯砌、五級圍巖、軟弱回填土、空箱擋墻結(jié)構(gòu)均采用三維實體結(jié)構(gòu)模型單元solid45模擬；H型鋼支護體系采用空間梁單元beam4模擬。錨桿的加固作用采用提高加固圈物理參數(shù)的辦法。所用材料及材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理參數(shù)表

網(wǎng)格大小依據(jù)從外邊界圍巖到隧道結(jié)構(gòu)由疏到密的原則。隧道結(jié)構(gòu)本身與圍巖接觸部分范圍內(nèi)采用細(xì)密單元，不考慮接觸，不考慮流變。劃分網(wǎng)格后一共產(chǎn)生201404個單元，99474個節(jié)點，所有施工動態(tài)過程用生死單元來實現(xiàn)。有限元模型見圖2。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分圖

本文選擇了三種開挖方案進行有限元分析。

方案1：樁整體開挖破除（原方案），如圖3所示。

圖3 原方案開挖示意圖

方案2：樁整體分兩步開挖破除，如圖4所示。

圖4 空箱擋墻與隧道位置關(guān)系圖

方案3：施工前向箱內(nèi)灌注混凝土，如圖5所示。

圖5 施工前從地表往擋墻箱內(nèi)灌注混凝土

4 計算結(jié)果分析

空箱擋墻樁基礎(chǔ)破除后，其穩(wěn)定性與否是評價方案成功的關(guān)鍵。因此，控制好圍巖的變形和擋墻的傾斜，是判斷方案是否合理可靠的重要指標(biāo)。因此在結(jié)果分析中，本文選擇了各個工況的變形與位移進行分析。

為了揭示隧道穿越空箱擋墻截樁時隧道及擋墻的變形規(guī)律，本文選取了工況一中幾個具有代表意義的荷載進行研究。由于工況二與工況三的規(guī)律相似，只是在數(shù)值上有所差異，所以變形圖就不列出了。工況一圍巖的變形圖如圖6～圖9所示，擋墻的變形圖如圖10～圖13所示。

圖6 開挖前圍巖形狀圖

圖7 上臺階開挖后圍巖變形圖

圖8 下臺階開挖后圍巖變形圖

圖9 二次襯砌后圍巖變形圖

圖10 開挖前擋墻形狀圖

圖11 上臺階開挖后擋墻變形圖

圖12 下臺階開挖后擋墻變形圖

圖13 二次襯砌后擋墻變形圖

由圖6～圖13分析可知，在有擋墻存在的情況下，隧道圍巖變形的規(guī)律符合隧道開挖圍巖變形的普遍規(guī)律：存在一定的拱頂下沉和周邊收斂和底鼓，掌子面向隧道內(nèi)有一定的變形，但是也存在一定的特殊性。特殊性有兩點：1、拱頂下沉最大值并沒有發(fā)生在拱部的正中心，而是在向左偏離30°左右的位置，下臺階開挖以后這個偏離程度有所減輕，隧道左側(cè)的沉降量大于右側(cè)的沉降量。2、自隧道開挖以后，擋墻向內(nèi)發(fā)生傾斜。

從自重作用而產(chǎn)生的卸荷作用的角度來考慮這個問題，上述現(xiàn)象就不難解釋了。1、擋墻的左側(cè)是軟弱回填土，各項物理參數(shù)都比較低，因此它在卸荷作用下所產(chǎn)生的變形大于擋墻和周圍的巖石。因此隧道左側(cè)的變形應(yīng)當(dāng)會大于右側(cè)變形。2、墻背回填土在卸載作用下，水平側(cè)壓力會隨之減小。擋墻失去了“左足”，卸掉了左下方的巖石以后，左下方支撐力明顯減小，再加上左側(cè)回填土水平壓力的減小，擋墻就會向左發(fā)生傾斜。3、擋墻的擠壓必然會加速左側(cè)回填土繼續(xù)下沉和固結(jié)。這時，有兩種情況可能出現(xiàn)：（1）回填土在擋墻的水平加載和下方的卸載兩者共同作用下破壞。（2）回填土沉降固結(jié)，重心降低，達到一個新的平衡。

為了盡量達到（2），避免（1）的出現(xiàn)，就是要把水平加載和下方卸載兩者的共同作用控制在一定范圍之內(nèi)?？刹扇〉拇胧┯校?、縮短進尺，截樁分兩次進行。此方法可控制擋墻傾斜，從而減少對回填土的水平加載。2、箱內(nèi)混凝土灌注，增加擋墻自重，減少擋墻傾斜。3、超前管篷。此方法可控制回填土的下方卸載。4、改用單側(cè)壁導(dǎo)坑法。此方法可避免水平加載和下方卸載同時進行。

為了證明上述方案相對于原方案的優(yōu)越性，本文選擇了縮短進尺，擋墻箱內(nèi)注漿兩種措施進行了有限元分析。并將其結(jié)果整理以后，列成圖表，如表2～表4所示。

通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，采取措施以后并沒有改變各個變形最大值和最小值所分布的區(qū)域。水平位移的最值始終保持在兩邊墻上；豎直位移的最小值始終保持在拱頂，最小值始終保持在底鼓處；縱向位移始終保持在掌子面處。因此可以推算出隧道的拱頂下沉量，水平收斂值，底鼓值以及掌子面變形量，整理之后如圖14～圖17所示。

圖14 拱頂下沉圖

圖15 水平收斂圖

圖16 底部隆起值

圖17 掌子面變形量

表2 原方案圍巖變形表

通過以上圖表可知，采取了灌混凝土和縮短進尺兩種措施以后，隧道的變形量得到了明顯的控制，證明了擬采取措施的優(yōu)越性。墻背灌混凝土為必采取的措施，進尺控制取決于監(jiān)控量測。

5 小結(jié)

有限元分析發(fā)現(xiàn)：對于穿越擋墻的隧道，控制圍巖變形的關(guān)鍵就在于：1、控制好擋墻的傾斜變形；2、控制好墻背回填土的下陷。

因此，擋墻的傾斜度和回填土區(qū)域的拱頂下沉為重點監(jiān)測對象，須密切注重此二者監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化。如有較大變化時，應(yīng)及時找出其內(nèi)在原因，及時反饋給施工與監(jiān)理單位，并要求施工方控制好進尺，必要時更改施工方案，如采取單側(cè)壁導(dǎo)坑法，防患于未然。

表3 灌混凝土措施圍巖變形表

表4 樁分兩次截措施圍巖變形表

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責(zé)任編輯：官正梅

The study of construction plans for tunneling through the pile foundation of a box retaining wall

Taken the Nanping central transport hub under ground cut tunnel as background,three dimensional finite element simulation was performed to study the process of tunneling through the pile foundation of a box retaining wall,in which three construction plans has been discussed:the original plan,the plan of concrete irrigation into the box,and the plan of excavation length reduction.And the deformation of the surrounding rock and the retaining wall has been predicted,and possible problems which may happen in the course of construction has been discussed,and theory basis has been provided for the selection of reasonable,rational and reliable construction plans,and this paper can be used as a reference for other similar construction works. Key Words：tunnel；FEM；pile foundation；Construction plans

TU745

A

1671-9107（2010）09-0033-05

國家自然科學(xué)基金項目(編號：40701038)重慶市建設(shè)科技項目（編號：城科字2008第24號）

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.9.033

2010-9-16

張學(xué)富(1972-)，男，重慶合川人，教授，博士。2004年畢業(yè)于中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，從事巖土與隧道工程等方面的科研與教學(xué)工作。