鉆孔灌注樁鋼套管長度對(duì)緊鄰地鐵隧道變形影響

楊 軍，趙 川

（1、廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣州510060；2、上海大學(xué)土木工程系 上海200444）

近年來，隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，地下空間不斷被開發(fā)，軌道交通不斷在發(fā)展。隨之而來的是許多工程項(xiàng)目被迫在隧道附近施工，因此如何把樁基施工對(duì)隧道地影響降到最低，成為此類工程施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)［1-3］。上海的相關(guān)部門根據(jù)本地土層特點(diǎn)，制定了軌道交通附近工程施工的控制標(biāo)準(zhǔn)［4］。

樁基施工對(duì)周邊土體的擾動(dòng)是不可避免的，土中應(yīng)力變化會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力和附加內(nèi)力的變化，對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響［5］。國外對(duì)此的研究較早，Benton等人［6］曾對(duì)群樁荷載造成的隧道縱向影響進(jìn)行研究；Schroede［7］運(yùn)用有限元方法分析了樁與隧道樁的相互影響。國內(nèi)對(duì)此的研究相對(duì)來說進(jìn)行得較晚，黃志忠［8］對(duì)近距離地鐵隧道樁基設(shè)計(jì)的敏感性參數(shù)和施工技術(shù)進(jìn)行了綜合分析；代志萍［9］采用數(shù)值模擬的方法，分析了鉆孔灌注樁施工對(duì)隧道產(chǎn)生的影響。張戈［10］提出軟土地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁施工對(duì)緊鄰運(yùn)營地鐵隧道的位移控制對(duì)策。以上研究都是基于正常施工不發(fā)生意外的情況下，但由于鉆孔灌注樁的成樁工藝在施工過程中易發(fā)生塌孔、流砂、涌泥、縮頸、斷樁等現(xiàn)象，這些都可能對(duì)隧道造成破壞。采用鋼套管對(duì)樁孔護(hù)壁，不僅能避免發(fā)生此類工程事故，而且能進(jìn)一步減少樁基施工對(duì)隧道及周邊土體的影響。閆靜雅［11］對(duì)比了加設(shè)鋼護(hù)筒、預(yù)設(shè)加固樁以及在地鐵運(yùn)營空窗期快速施工等3種鉆孔灌注樁的施工保護(hù)措施，并分析了各種措施的優(yōu)劣。范禮彬等人［12］結(jié)合現(xiàn)場試樁試驗(yàn)結(jié)果，分析全套管回旋灌注樁施工對(duì)高鐵樁基的影響，并對(duì)變形規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。這些研究表明采用鋼套管能夠減少樁基施工的影響。不過使用鋼套管護(hù)壁相較于泥漿護(hù)壁的成本會(huì)高出很多，將2 種工法結(jié)合，可以保證施工的安全性也能節(jié)約施工成本，但目前相關(guān)鋼套管的設(shè)計(jì)還未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

本文以上海某軌道交通為依托，通過數(shù)值模擬的方法，分析套管長度對(duì)隧道的影響規(guī)律，從而得出既能保證安全性又能保證經(jīng)濟(jì)性的施工方案，為今后的類似工程提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 模型設(shè)置和模型參數(shù)

本研究以鉆孔灌注樁對(duì)鄰近上海某軌道隧道的影響為工程背景，建立計(jì)算模型，工程地層分布如圖1所示?；贔lac3D有限差分軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。

圖1 地層分布Fig.1 Stratigraphic Distribution

圖2 Flac3D模型Fig.2 Flac3D Model

模型中樁長30.0 m，樁徑1.0 m，隧道埋深12.0 m，隧道直徑6.2 m。鉆孔灌注樁距離隧道（下文簡稱為樁隧距）3.0 m。模型長度70.0 m，高度75.5 m，由于忽略軸向變形，故寬度方向6.0 m。該模型總計(jì)313 168個(gè)單元，34 604個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模型中各層土的物理力學(xué)參數(shù)采用勘察成果資料，如表1 所示。本文中土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，由于該模型回彈模量和壓縮模量為同一值，但回彈模量會(huì)大于壓縮模量，為消除影響，輸入的彈性模量為壓縮模量的4倍。隧道采用線彈性模型模擬，彈性模量取32.5 GPa，泊松比取0.167。鋼套管用Flac3D 中的殼單元模擬。殼單元在Flac3D 屬于結(jié)構(gòu)單元，所輸參數(shù)可以模擬鋼套管與土之間的接觸不需要另建接觸面，并且能更容易獲取所需數(shù)據(jù)。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Soil Physical and Mechanical Parameters

1.2 邊界條件

本文中模型邊界為標(biāo)準(zhǔn)邊界。底邊全約束，約束其x、y、z三個(gè)方向的位移，左右兩邊約束x向位移，前后兩邊約束其y向位移，上邊為自由邊界，不施加約束。

1.3 施工過程

根據(jù)黃大維等人［13］的研究，當(dāng)鋼套管下壓到一定深度，地基承載力會(huì)小于小于土柱底部應(yīng)力，套管底部土體剪切破壞，從而發(fā)生擠土效應(yīng)。由本文土層信息計(jì)算得出，當(dāng)鋼套管一次旋入8.7 m 后，鋼套管繼續(xù)下壓會(huì)發(fā)生擠土效應(yīng)。為減小甚至避免出現(xiàn)擠土效應(yīng)，本文采取鋼套管邊跟進(jìn)邊挖土的方式，分段開挖，每段開挖不大于8.0 m，并且在鋼套管深入隧道底部一定深度后采用泥漿護(hù)壁正循環(huán)工法進(jìn)行施工，既能減少對(duì)隧道的擾動(dòng)，又能節(jié)約工程成本［14］。

鉆孔灌注樁施工模擬步驟：①在自重應(yīng)力下達(dá)到初始應(yīng)力平衡；②隧道開挖、支護(hù)，再次達(dá)到地應(yīng)力平衡；③鉆孔灌注樁分段開挖。

1.4 鋼套管以及泥漿模擬

鋼套管采用殼單元模擬，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3。泥漿護(hù)壁過程等效為靜水壓力荷載，泥漿壓力計(jì)算公式為：

式中：P為深度h處的等效靜水壓力；ρ為泥漿密度，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范：JGJ 94—2008》［15］，一般地層泥漿密度應(yīng)為1.1～1.2 g/cm3，本文中取1.2 g/cm3；g為重力加速度，取10 m/s2。

2 模擬結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)了4 種方案（見表2）進(jìn)行灌注樁施工，分別分析隧道水平方向位移、豎直方向位移以及所受彎矩和軸力的變化，隧道觀測點(diǎn)選擇隧道拱頂、左拱腰、拱低和右拱腰4 處。同時(shí)分析深層土體水平位移和附近地表沉降，來綜合判斷鋼套管的最優(yōu)長度。

表2 施工方案Tab.2 Construction Plan

2.1 隧道襯砌受力分析

各方案模擬施工使隧道軸力玫瑰圖和各觀測點(diǎn)的軸力變化如圖3、圖4所示。

圖3 各方案隧道襯砌軸力玫瑰圖Fig.3 Rose Diagram of Axial Force of Tunnel Lining in Each Scheme

圖4 護(hù)壁套管長度不同時(shí)隧道軸力變化Fig.4 Change of Tunnel Axial Force with Different Length of Protective Casing

從圖3、圖4 可以看出，總體來說軸力最大的位置位于拱底，且左拱腰和拱底處的軸力會(huì)大于拱頂和右拱腰處，這說明灌注樁的施工引起隧道襯砌軸力的增加。隨著套管的長度增加，隧道所受軸力越小。4個(gè)方案的軸力最大值分別為6.8 kN、4.6 kN、3.4 kN、2.9 kN，隨著護(hù)壁套管長度增加，方案2～方案4 相對(duì)方案1 軸力減少2.3 kN、1.2 kN、0.5 kN，可見護(hù)壁套管長度超出隧道底部由0 m增加到4 m時(shí)軸力減少最多。

2.2 隧道襯砌變形分析

各方案隧道襯砌水平位移和垂直位移如圖5所示。

圖5 護(hù)壁套管不同長度時(shí)隧道位移Fig.5 Displacement of Tunnel with Different Length of Protective Casing

從圖5中可以看出，由于護(hù)壁套管長度變長，隧道4個(gè)觀測點(diǎn)的水平和垂直位移減小。左拱腰和拱底處的位移會(huì)大于拱頂和右拱腰處。在拱底處，4 個(gè)方案的水平位移分別為5.5 mm、4.5 mm、4.1 mm、3.9 mm，豎直位移分別為8.1 mm、6.0 mm、5.1 mm、4.8 mm。從數(shù)據(jù)可以看出，護(hù)壁套管長度從超出隧道底部0～4 m時(shí)，水平位移減少程度最高。繼續(xù)增加鋼套管長度對(duì)減少隧道水平位移效果變差。最大的水平位移為5.5 mm，最大的垂直位移8.5 mm，均低于警戒值，并且垂直位移略大于水平位移。

2.3 深層土體水平位移分析

深層土體水平位移觀測區(qū)距離隧道左拱腰1 m處，距離地表0～45 m 的水平位移如圖6所示。深層土體的水平位移在0～12 m 的范圍內(nèi)水平位移逐漸增加，在12～20 m 出現(xiàn)凹處，是由于隧道位于該土層，影響了土體的位移。深度在20 m以后，土體的水平位移迅速增加，這是由于使用泥漿護(hù)壁工法后，土層發(fā)生損失，土體水平位移增加迅速。在鋼套管護(hù)壁范圍內(nèi)，施工造成的土體位移影響較小，說明鋼套管對(duì)減小土體位移有良好效果。各個(gè)方案土體的最大位移分別為：鋼套管超出4 m時(shí)減少的土體位移效果明顯，繼續(xù)增加鋼套管長度，效果減弱。套管長度越長水平位移出現(xiàn)的最大值處逐漸下移。樁長只有30 m，土體發(fā)生位移的深度大于30 m，說明鉆孔灌注樁對(duì)深度超過樁長的土體存在影響。

圖6 護(hù)壁套管不同長度時(shí)深層土體水平位移Fig.6 Horizontal Displacement of Deep Soil under Different Length of Casing

2.4 地表沉降分析

位于鉆孔灌注樁右側(cè)，隧道上面的地表處沉降如圖7所示。4種方案引起的地表沉降值相似，表明鋼套管護(hù)壁對(duì)于減少地表沉降效果不佳。距離樁側(cè)1 m處左右的地表沉降值最大，4 種方案沉降最大值分別為3.0 mm、2.9 mm、2.7 mm、2.6 mm，且地表沉降值隨著逐漸遠(yuǎn)離樁而逐漸減小，影響范圍大約為0～7 m，約是樁徑的7倍。

圖7 護(hù)壁套管不同長度時(shí)地表沉降Fig.7 Surface Settlement under Different Length of Wall Protection Casing

2.5 樁徑分析

在其他參數(shù)保持不變的基礎(chǔ)上，模擬樁徑分別為800 mm、1 000 mm、1 200 mm 時(shí)，4 種方案完成施工后引起隧道襯砌變形的情況。選取變形較大的左拱腰處作為觀測點(diǎn)，其水平位移和垂直位移如圖8所示。

圖8 不同樁徑時(shí)隧道位移Fig.8 Displacement of Tunnel with Different Pile Diameters

由圖8 可以看出，隧道襯砌的水平位移和垂直位移受樁徑的影響，樁徑越大引起的隧道襯砌位移越大。4 種施工方案中，當(dāng)護(hù)壁套管長度從超出隧道底部0～4 m 時(shí)，效果最明顯，繼續(xù)增加鋼套管長度對(duì)減少隧道位移效果變差。各方案水平位移差值如表3所示。因此，當(dāng)其他的施工條件不變時(shí)，樁徑大小改變，效果最優(yōu)的鋼套管護(hù)壁長度不受影響。

表3 各施工方案隧道襯砌水平位移差值Tab.3 Horizontal Displacement Difference of TunnelLining in Each Construction Scheme （mm）

由本文2.1節(jié)可知方案2，也就是鋼套管護(hù)壁超過隧道底部4 m時(shí)，軸力減小的效果最好，因此選擇方案2觀測隧道襯砌在樁徑不同時(shí)的軸力，如圖9 所示?？梢钥闯?，軸力隨著樁徑的增大而增大，并且在隧道左下部分，軸力受到樁徑的影響會(huì)比其他部分更大。軸力最大點(diǎn)位于拱底處，最大軸力分別為4.3 kN、4.6 kN、4.9 kN，均低于警戒值。

圖9 不同樁徑時(shí)隧道襯砌軸力玫瑰圖Fig.9 Rose Diagram of Axial Force of Tunnel Lining under Different Pile Diameters

2.6 樁隧距分析

在其他參數(shù)保持不變的基礎(chǔ)上，模擬樁隧距分別為3 m、5 m、7 m 時(shí)，4 種方案完成施工后引起隧道襯砌變形的情況。同本文2.5 節(jié)一樣選擇左拱腰處作為觀測點(diǎn)，其水平位移和垂直位移如圖10所示。

圖10 不同樁隧距時(shí)隧道位移Fig.10 Displacement of Tunnel with Different Distance between Piles and Tunnels

由圖10可以看出，樁隧距越大隧道襯砌的水平位移和垂直位移越小。樁隧距為3 m 時(shí)，方案2 的施工工況下，水平位移4.1 mm，而當(dāng)樁隧距為7 m時(shí)，方案1的施工工況下，水平位移為4.4 mm，略大于前值。這說明樁隧距增加，可以適當(dāng)減少鋼套管護(hù)壁的長度?？紤]經(jīng)濟(jì)效益，遠(yuǎn)離隧道的鉆孔灌注樁可以選擇更短長度的鋼套管甚至不使用鋼套管護(hù)壁。

在方案2 的施工工況下，隧道襯砌在樁隧距不同時(shí)的軸力，如圖11 所示。當(dāng)樁隧距增大時(shí)，隧道襯砌所受的軸力減小。樁隧距3 m、5 m、7 m 時(shí)，拱底處軸力分別為4.6 kN、4.3 kN、3.7 kN，樁隧距5 m、7 m 相較于3 m，軸力分別減少了0.3 kN、1.9 kN，可見樁隧距越大，軸力減小的程度越高。

圖11 不同樁隧距時(shí)隧道襯砌軸力玫瑰圖Fig.11 Rose Diagram of Axial Force of Tunnel Lining under Different Distance between Piles and Tunnels

3 結(jié)論

本文采取數(shù)值模擬的方法，分析了不同長度的鋼套管對(duì)鄰近隧道的內(nèi)力、變形，以及對(duì)樁與隧道間深層土體水平位移和地表沉降的影響。得出以下結(jié)論：

⑴軸力最大的位置位于拱底，且左拱腰和拱底處的軸力會(huì)大于拱頂和右拱腰處。隨著套管的長度增加，隧道所受軸力越小。

⑵由各方案對(duì)比分析可知，鋼套管長度超出隧道底部4 m，然后采取泥漿護(hù)壁工法施工，對(duì)隧道的內(nèi)力和位移影響小且更加經(jīng)濟(jì)。

⑶使用增加鋼套管長度對(duì)于減小地表沉降的效果不明顯。該工法施工時(shí)，地表沉降最大值發(fā)生在一倍樁徑處，沉降值隨著距離的增加逐漸減少，影響范圍大概為樁徑的7倍。

⑷同等條件下，樁徑增大，隧道襯砌的變形增加，但是改變樁徑，鋼套管的最優(yōu)長度不會(huì)因此改變。

⑸樁隧距越大，隧道襯砌的變形越小，鋼套管護(hù)壁的長度可以適當(dāng)減短。隧道襯砌所受的軸力隨著樁隧距增大而減小，并且樁隧距越大，軸力減小值越大。