隔離樁對盾構(gòu)側(cè)穿建筑物時基礎(chǔ)變形的影響分析*

王國富 趙凱迪 路林海 王渭明

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,266590,青島; 2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司,250101,濟(jì)南∥第一作者，研究員)

隔離樁對盾構(gòu)側(cè)穿建筑物時基礎(chǔ)變形的影響分析*

王國富1,2趙凱迪1路林海2王渭明1

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,266590,青島; 2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司,250101,濟(jì)南∥第一作者，研究員)

以濟(jì)南地鐵R1線地下段盾構(gòu)近穿某建筑物為背景,采用數(shù)值分析的方法對隔離樁不同參數(shù)進(jìn)行逐一模擬。研究了隔離樁不同樁長、樁洞距及樁間距對建筑物基礎(chǔ)位移控制的影響。研究表明,樁長越長,隔離效果越好;在一定范圍內(nèi),樁洞距越小隔離效果越好;由于樁間土拱效應(yīng),樁間距減小至一定程度后,隔離效果改善不明顯。經(jīng)優(yōu)化選取樁長為30 m、樁洞距為2.0 m、樁間距為1.2 m的隔離樁。相比未打設(shè)隔離樁的情況，優(yōu)化取值的隔離樁后，建筑物基礎(chǔ)水平位移可減小36.6%,豎向位移可減小33.1%。

地鐵盾構(gòu); 隔離樁; 基礎(chǔ)變形; 數(shù)值模擬

近年來,我國城市軌道交通建設(shè)進(jìn)入了高速發(fā)展階段,截至2015年,我國已有38個城市已建或在建軌道交通,規(guī)劃總里程超過6 880 km[1]。地鐵隧道開挖必然會改變建筑物周圍土體的力學(xué)狀態(tài),進(jìn)而導(dǎo)致鄰近建筑物發(fā)生不均勻變形甚至失穩(wěn)[2-5]。因此,研究隧道開挖對建(構(gòu))筑物的影響規(guī)律并提出相應(yīng)的變形控制措施至關(guān)重要。

目前,眾多學(xué)者對隧道下穿建筑物時隔離樁的變形控制效果進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[6]以天津某基坑工程采用隔離樁保護(hù)既有隧道為背景,研究了隔離樁阻隔作用和牽引作用對既有隧道變形的影響,提出了一種埋入式隔離樁,用于優(yōu)化隔離樁對隧道變形的控制。文獻(xiàn)[7]以北京地鐵5號線施工中保護(hù)聯(lián)絡(luò)通道開挖和既有環(huán)線崇文門地鐵站為背景,分析了施工過程中導(dǎo)洞-隔離樁結(jié)構(gòu)體系的受力特點,并采用梁和彈性地基梁兩種模型模擬了影響隔離樁水平位移的影響因素。文獻(xiàn)[8]針對某地鐵隧道近穿淺基礎(chǔ)建筑采用隔離樁隔離工程,通過有限元正交分析,模擬隔離樁不同參數(shù)下既有建筑因隧道施工引起地表沉降,確定了隔離樁各參數(shù)的影響因子。文獻(xiàn)[9]以北京地鐵10號線某渡線為例,采用數(shù)值模擬對隧道施工進(jìn)行了力學(xué)分析,得到打設(shè)隔離樁時建筑基礎(chǔ)的最大沉降量及最大差異沉降量,說明隔離樁能有效控制建筑物基礎(chǔ)變形。

不同地層條件下的隔離樁隔離效果也不同。目前，針對黃河流域厚沖積地層中隧道下穿建筑物時隔離樁變形控制效果的研究較少。濟(jì)南軌道交通R1線盾構(gòu)近距離側(cè)穿高層建筑物過程中,為控制盾構(gòu)施工對建筑物基礎(chǔ)的影響,通過打設(shè)隔離樁來減小建筑物樁基變形。本文通過數(shù)值分析研究了盾構(gòu)側(cè)穿建筑物時隔離樁的變形控制效果及隔離樁參數(shù)優(yōu)化[10],以使隔離樁的隔離效果達(dá)到最佳。研究成果對濟(jì)南厚沖洪積地層的盾構(gòu)穿越建筑物施工設(shè)計及風(fēng)險防控具有重要的參考價值。

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通R1線地下段盾構(gòu)施工近側(cè)穿某建筑物處線路里程為K21+577—K21+627。盾構(gòu)管片內(nèi)徑為5.8 m,外徑為6.4 m。隧道中心線與建筑物基礎(chǔ)水平距離為8.2 m,建筑物樁基埋深為15 m,隧道中心埋深為20 m(見圖1)。為減小盾構(gòu)在穿越過程中對建筑物基礎(chǔ)及周圍環(huán)境的擾動,在隧道和建筑物基礎(chǔ)間打設(shè)φ300 mm鉆孔灌注樁作為隔離樁以控制建筑物基礎(chǔ)變形。本下穿段地層條件至上而下分別為:雜填土、黃土、粉質(zhì)黏土、黏土、膠結(jié)砂、黏土及中風(fēng)化灰?guī)r;地下水位為-10 m。相應(yīng)的地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 隔離樁控制效果數(shù)值分析

2.1 建立計算模型

采用FLAC3D軟件建立三維模型(見圖2)。模型尺寸為60 m×60 m×60 m。對其四周進(jìn)行水平約束,底面豎直方向約束,上邊界為自由邊界。通過施加地面超載作用于基礎(chǔ)上來代替建筑物。土體模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,襯砌管片、樁基及隔離樁采用實體彈性模型[11]。

圖1 濟(jì)南軌道交通R1線下穿段工程位置示意圖

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 三維計算模型

隔離樁的作用機(jī)理實質(zhì)是控制建筑物基底的土體位移。即將隔離樁穿過土體變形可能的滑移面,以增強土體的抗滑移能力,隔離建筑物與隧道間的土體位移場,從而減小建筑物下方土體變形,達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。為分析隔離樁對盾構(gòu)側(cè)穿建筑基礎(chǔ)的隔離效果,對樁長、樁洞距(隔離樁與盾構(gòu)隧道的間隔)和樁間距等參數(shù)按不同水平取值進(jìn)行單因素分析。隔離樁參數(shù)的具體取值見表2。選取通過建筑物中心位置且垂直于盾構(gòu)方向的斷面,來分析盾構(gòu)穿越后建筑物側(cè)方土體及樁基變形情況。

表2 隔離樁工況表

2.2 隔離樁長度對建筑基礎(chǔ)及側(cè)方土體位移的影響

隧道埋深大于建筑物基礎(chǔ)埋深,為全面了解隔離樁的隔離效果,取建筑物鄰近隧道側(cè)沿隧道開挖方向地下30 m土體(土體A)進(jìn)行研究。

為逐一分析各工況隔離樁對隧道周圍土體影響,先選取樁洞距為2.0 m、樁間距為1.2 m,然后模擬不同隔離樁長度下盾構(gòu)開挖過程,并對建筑物樁基及土體A進(jìn)行監(jiān)測,以便深入研究隔離樁隔離效果。土體A的水平位移和豎向位移如圖3—4所示;建筑物基礎(chǔ)水平位移和豎向位移如圖5—6所示。

圖3 隔離樁長度不同時土體A水平位移

圖4 隔離樁長度不同時土體A豎向位移

由圖3—4可知：

(1) 隔離樁長度不同時,建筑物側(cè)方土體水平位移最大值均出現(xiàn)在地下埋深20 m處,即隧道開挖中心所對應(yīng)的位置;最大豎向位移均出現(xiàn)在地面處。

(2) 土體A的水平位移隨隔離樁長度的增大有減小的趨勢,但當(dāng)隔離樁長20 m時土體A的水平位移卻最大;土體A的豎向位移隨隔離樁長度增大而減小。

(3) 土體A水平位移隨隔離樁長度變化呈梭狀。當(dāng)隔離樁長20 m時最大水平位移最大,土體A的水平位移為5.5 mm；當(dāng)隔離樁長30 m時最大水平位移最小,土體A的水平位移為4.6 mm。土體A豎向位移隨隔離樁長度增大而減小。當(dāng)隔離樁長15 m時，土體A最大豎向位移最大,為15.8 mm；當(dāng)隔離樁長30 m時，土體A的最大豎向位移最小,為10.8 mm。

土體A最大水平位移為負(fù)值,并出現(xiàn)在-20 m埋深處，與開挖盾構(gòu)的隧道中心處于同一水平面。這是因為土體自重應(yīng)力大于側(cè)壓力,且隧道受上方土體自重應(yīng)力擠壓所致。土體A水平位移呈梭狀變化,并在地表及盾構(gòu)開挖平面下方出現(xiàn)正值。這是由于隔離樁在隔離隧道變形時受到樁體兩端的牽引作用[12]。當(dāng)隔離樁樁長與隧道埋深均為20 m時,樁體兩端的牽引作用最小,故土體A水平位移最大。受盾構(gòu)開挖后的土體自重應(yīng)力影響，土體A豎向位移為負(fù)值,并隨深度增加而降低。在側(cè)壓力作用下,開挖面以下的水平面還出現(xiàn)1～2 mm隆起?？傮w來講,隨著隔離樁長度的增加,土體A的水平位移和豎向位移均出現(xiàn)減小的趨勢。即：隔離樁長度越長,隔離效果越好。

圖5 隔離樁長度不同時建筑物基礎(chǔ)水平位移

圖6 隔離樁長度不同時建筑物基礎(chǔ)豎向位移

由圖5及圖6可知,隔離樁長度對建筑物基礎(chǔ)位移的影響與對側(cè)方土體位移影響趨勢基本一致。建筑物基礎(chǔ)最大水平位移出現(xiàn)在樁端位置,最大豎向位移出現(xiàn)在樁頂位置。隨著隔離樁長度的增加,基礎(chǔ)水平位移和豎向位移均有所減小,其最大位移減小量如表3所示。

表3 不同樁長下基礎(chǔ)隔離效果表

2.3 樁洞距對建筑物基礎(chǔ)位移的影響

由上文可知,隔離樁越長,對盾構(gòu)近穿建筑物基礎(chǔ)變形控制效果越好。取樁長為30 m、樁間距為1.2 m,模擬不同樁洞距下盾構(gòu)開挖時建筑物基礎(chǔ)的水平位移和豎向位移，模擬結(jié)果如圖7—8所示。據(jù)此可確定隔離樁與盾構(gòu)隧道的最優(yōu)距離。

圖7 不同樁洞距下建筑物基礎(chǔ)水平位移

圖8 不同樁洞距下建筑物基礎(chǔ)豎向位移

由圖7—8可知,當(dāng)樁洞距分別為4.0 m、3.0 m及2.0 m時,隨著樁洞距的減小,建筑物基礎(chǔ)的水平位移和豎向位移均有明顯的減小。但當(dāng)樁洞距為1.0 m時,建筑物下方水平位移和豎向位移又出現(xiàn)反彈的跡象。經(jīng)分析，這應(yīng)為隔離樁和盾構(gòu)隧道距離過小,使隔離效果受到影響。不同樁洞距下建筑物基礎(chǔ)最大位移變化如表4所示。

表4 不同樁洞距下基礎(chǔ)隔離效果表

由表4可見，樁洞距對建筑物基礎(chǔ)位移影響較大。當(dāng)樁洞距由4.0 m減小至2.0 m時,建筑物基礎(chǔ)最大水平位移減小2.0 mm,最大豎向位移減小5.4 mm。但繼續(xù)減小樁洞距后,由于隔離樁和隧道距離過近而相互影響,隔離樁隔離效果變差?？梢?在隔離樁不擾動隧道盾構(gòu)施工的范圍內(nèi),樁洞距越小,隔離效果越好。

2.4 樁間距對建筑物基礎(chǔ)位移的影響

由上述分析可知,盾構(gòu)近穿建筑物時建筑物基礎(chǔ)位移與隔離樁長度和樁洞距有關(guān)。在一定范圍內(nèi)隔離樁長度越長,隔離樁和隧道距離越近,隔離樁隔離效果越好?，F(xiàn)取隔離樁樁長30 m、樁洞距2.0 m,對不同樁間距下的盾構(gòu)開挖情況進(jìn)行模擬,以便確定最優(yōu)樁間距。模擬結(jié)果如圖9—10所示。

由圖9—10可知,隨著樁間距的減小,建筑物基礎(chǔ)的水平位移和豎向位移均呈減小趨勢；但由于隔離樁之間存在土拱效應(yīng)[13],故樁間距減小至一定程度后,對隔離效果的提升幅度有限。不同樁間距對應(yīng)建筑物基礎(chǔ)位移如表5所示。

圖9 不同樁間距下建筑物基礎(chǔ)水平位移

圖10 不同樁間距下建筑物基礎(chǔ)豎向位移

表5 不同樁間距下基礎(chǔ)隔離效果表

2.5 有無隔離樁對比

由上述分析可知,在一定范圍內(nèi),隔離樁長度越長,樁洞距和樁間距越小,隔離的效果就越好?，F(xiàn)將打設(shè)隔離樁情況與不打設(shè)隔離樁情況對應(yīng)的建筑物基礎(chǔ)位移進(jìn)行對比。根據(jù)上述研究的優(yōu)化取值,取隔離樁樁長為3.0 m、樁洞距為2.0 m、樁間距為1.2 m。由經(jīng)過建筑物基礎(chǔ)中心且垂直于隧道開挖方向的斷面分析土體總位移,所得云圖如圖11—12所示。

圖11 未打設(shè)隔離樁土體總位移云圖

由圖11—12可知,越靠近隧道處土體位移越大,且隔離樁對控制建筑物基礎(chǔ)變形效果顯著。未打設(shè)隔離樁時建筑物基礎(chǔ)水平位移最大值為7.1 mm,豎向位移最大值為18.4 mm;打設(shè)隔離樁后,水平位移最大值為4.5 mm,豎向位移最大值為12.3 mm。與不打設(shè)隔離樁相比,打設(shè)參數(shù)優(yōu)化的隔離樁后,建筑物基礎(chǔ)最大水平位移可減小36.6%,最大豎向位移可減小33.1%。

圖12 打設(shè)隔離樁后土體總位移云圖

3 結(jié)論

以濟(jì)南軌道交通R1線盾構(gòu)近穿某建筑物為背景,研究了不同工況下隔離樁參數(shù)對建筑物基礎(chǔ)隔離效果的影響，得到以下結(jié)論:

(1) 隔離樁的隔離效果與樁長、樁洞距和樁間距有關(guān)。一般情況下隔離樁樁長越長、樁洞距和樁間距越小,隔離效果越好。

(2) 將隔離樁各參數(shù)按對隔離效果的影響由大到小依次排列為樁洞距、樁長和樁間距。當(dāng)樁洞距由4.0 m減小至2.0 m時,建筑物基礎(chǔ)水平位移減小了30.7%,豎向位移減小了30.5%；但當(dāng)樁洞距繼續(xù)減小至1.0 m時,建筑物基礎(chǔ)位移略有反彈。樁長由15 m增加至30 m時,建筑物基礎(chǔ)水平位移減小15.1%,豎向位移減小12.7%。由于存在樁間土拱效應(yīng),在土拱范圍內(nèi)隔離樁間距對隔離效果影響不大。

(3) 當(dāng)盾構(gòu)近穿建筑物的隔離樁長為30 m、樁洞距為2.0 m、樁間距為1.2 m時,對建筑物基礎(chǔ)變形控制效果最優(yōu)。較之無隔離樁,此時建筑物基礎(chǔ)最大水平位移減小36.6%,最大豎向位移減小33.1%。

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Impact Analysis of Isolation Piles on Foundation Deformation with Shield Construction Penetrating Buildings

WANG Guofu, ZHAO Kaidi, LU Linhai, WANG Weiming

According to the project on Jinan metro Line R1, the shield construction of which penetrates a business hotel, various parameters of isolation piles are studied by numerical simulation. Firstly, the influence of different pile lengths on foundation displacement control is studied by selecting the distance between the piles, pile spacings and the tunnels. The research indicates tha the longer the piles length,the better the effect of isolation; the smaller the distance between the piles and the tunnel, the better the isolation effect in a certain range. But the isolation effect of piles spacing will not be obvious due to the soil arch effect between the piles. Isolation pile is optimized to 30 m long, keeping 2.0 m distance between the piles and the tunnel with 1.2 m pile spacing. This method could decrease the horizontal displacement of building foundation by 36.6% and vertical displacement by 33.1%.

metro shield; isolation pile; foundation deformation; numerical simulation

Institute of civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,266590,Qingdao,China

*國家自然科學(xué)基金項目(41472280)；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2014EEQ028);山東省重點研發(fā)計劃項目(2015GSF120017)

TU 433; U 455,43

10.16037/j.1007-869x.2017.03.006

2016-04-19)