群樁施工對鄰近地鐵隧道群位移的影響

王其炎，吳 健*，楊 飛，陳自海，楊建輝

（1.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江科技學院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

近年來，鄰近地鐵隧道橋梁建設工程越來越多，橋梁群樁施工引起地層位移，進而對地鐵隧道形成擾動，引起隧道結構的位移和應力變化。對位移規(guī)律開展研究，確保樁基工程順利實施對隧道運營安全具有重要現(xiàn)實意義。

已有文獻主要采用現(xiàn)場實測和數(shù)值分析方法對樁基施工時鄰近地鐵隧道位移規(guī)律開展研究。徐云福等[1]開展了單樁全套管旋挖施工對緊鄰運營地鐵隧道影響的試驗研究，監(jiān)測了隧道和土體位移，表明選擇全套管成樁工藝可以有效減小對地鐵隧道位移的影響。樓曉明等[2-3]開展了高層建筑物樁基施工對鄰近隧道位移和內(nèi)力的影響研究。莊妍等[4]采用現(xiàn)場實測的方法，研究了全套管灌注樁施工時的土體位移發(fā)展過程，表明盾構隧道處于安全工作狀態(tài)。鄧指軍[5]對位于地鐵上部的樁基施工引起的隧道變形問題開展了研究，表明鄰近隧道的鋼套管旋轉壓入施工可導致盾構管片變形，采用跳樁施工以及布置泄壓孔可減小對隧道的影響。丁智等[6]依托試樁試驗，研究了樁基施工過程及完工后地層沉降對鄰近隧道的影響規(guī)律。路平等[7]采用有限元分析方法，對樁基施工引起的隧道內(nèi)力和形變進行了研究，表明土體發(fā)生的豎向位移引起隧道整體沉降。代志萍[8]采用有限元分析方法，研究了灌注樁施工過程對鄰近隧道位移和內(nèi)力的影響，表明鉆孔過程影響較小，混凝土澆注過程對隧道影響較大。閆靜雅等[9-10]利用數(shù)值分析方法開展的研究表明，隨著樁間距及樁隧凈距的增大，樁基施工對隧道變形和內(nèi)力的影響逐漸減小，在隧道軸線方向上的樁間距對隧道的影響，要遠大于在垂直方向的樁間距的影響。宋福貴等[11]分析了鋼套管樁不同的群樁施工順序對鄰近既有隧道的影響，給出了優(yōu)化的施工順序。歸浩杰等[12]采用有限元分析方法研究了群樁基礎施工工況對鄰近隧道的影響，表明群樁至隧道的距離對隧道豎向位移影響較大。

總體上，目前的研究成果多集中在單樁施工對鄰近隧道的影響，而對群樁施工的影響研究成果較少，特別是結合現(xiàn)場監(jiān)測成果開展的研究更少，還沒有形成規(guī)律性認識。杭州市一高架橋上跨地鐵 1號線和4號線，橋梁的群樁基礎鄰近地鐵隧道，本文采用工程實測和 ABAQUS三維有限元分析兩種方法，對群樁施工引起的隧道群位移開展研究。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

地層柱狀圖見圖 1。地層主要由雜填土、素填土、塘泥、暗塘土、砂質粉土、粉砂夾粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉砂、圓礫、中細砂、含圓礫粉質黏土、全風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖等組成，高架橋選擇⑨3層中風化泥質粉砂巖作為樁端持力層。地下水分為孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水三種情況?？紫稘撍饕x存于淺部粉、砂性土層內(nèi)，受沉積層理控制，透水性具有各向異性。承壓水賦存于下部粉砂、圓礫層內(nèi)，含水層總厚度為10～15 m，透水性良好，上覆黏性土層為相對隔水層?；鶐r裂隙水賦存于第四系土層下部的風化裂隙內(nèi)，對本工程影響不大。

圖1 地基柱狀圖Fig.1 Stratigraphic column of ground

1.2 群樁施工與地鐵隧道位置關系

杭甬高速公路抬升工程主線高架橋第七聯(lián) 23號、24號墩位于運營地鐵1號線兩側，每個樁群由12根直徑1.8 m單樁構成，樁長67.3～67.9 m，共計24根樁。群樁與地鐵隧道的平面關系見圖2。23號墩的群樁基礎離1號線右線管片外緣的最小距離為13.22 m，24號墩群樁基礎離1號線左線管片外緣的最小距離為 12.43 m。為了降低樁基施工對隧道的擾動，采用全套管全回轉鉆機成孔，每根樁基施工順序為壓入鋼套管、出土和灌注混凝土，24根樁基主要工序的施工組織見表1所示。

圖2 樁基與地鐵隧道位置關系示意圖Fig.2 Schematic of position relationship between piles foundation and subway tunnels

樁基施工需保護的地鐵設施為地鐵1號線左線和右線、1號線出段線、4號線的出線段和入段線，共計5條地鐵線路，見圖3所示。

圖3 地鐵隧道剖面圖Fig.3 Transverse section of subway tunnel

2 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結果分析

2.1 監(jiān)測點布置

在隧道中選擇距群樁最近的斷面布置測點，監(jiān)測群樁施工過程中隧道水平位移和豎向位移。這些測點位于斷面的側壁，是監(jiān)測斷面上離群樁最近的位置。1號線的左線和出段線、4號線出段線選取離24號群樁最近的點，1號線右線和4號線入段線選取離23號群樁最近的點，觀測斷面位置見圖4，測點見圖5。采用徠卡TM50型測量機器人并組成自動測量系統(tǒng)觀測位移。

圖4 位移測點所在斷面的三維示意圖Fig.4 3-D diagram of section of displacement measurement points

圖5 位移測點剖面示意圖Fig.5 Profile diagram of displacement measurement points

2.2 模型建立

模型土體選用M-C模型，為了將問題簡化，根據(jù)地層構成情況，將相近地層合并，模型共設7個土層，其物理力學取值見表 2。灌注樁、鋼套管、隧道管片選用線彈性模型，參數(shù)如表 3。模型沿隧道軸線方向（Y軸）和垂直隧道方向（X軸）取250 m，地層深度（Z軸）取60 m。在模型左右兩側邊界水平方向位移設置為零（UX=0，UY=0），在模型底部邊界設定豎向位移為零（UZ=0），模型頂部表面設置為自由邊界。

表2 土體參數(shù)表Table 2 Soil parameters

表3 線彈性材料參數(shù)表Table 3 Parameters of linear elastic materials

根據(jù)實際工程的鉆孔灌注樁施工工序，在數(shù)值分析時將單樁施工分為壓入鋼套管、出土-泥漿護壁、混凝土灌注、混凝土硬化4個步驟。壓入鋼套管工序模擬時，將鋼套管X和Y兩個方向的位移設為零，即UX=0，UY=0，并將下壓深度值設為向下的位移；通過單元生死功能模擬出土工序，即將土體單元進行移除，出土的同時設置靜水壓力模擬泥漿護壁工序，泥漿的重度設為12 kN/m3；混凝土灌注過程等效為靜水壓力，灌注混凝土的重度設為24 kN/m3；通過單元生死功能模擬混凝土硬化，即將混凝土單元激活。

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結果分析

數(shù)值分析模型上選取與現(xiàn)場相同的監(jiān)測斷面和觀測點，對其位移進行分析，見圖4和圖5所示。為了便于分析，定義位移數(shù)據(jù)的正負，水平位移以靠近最近的樁基為正，反之為負，隧道以上浮位移為正，沉降為負。考慮樁基施工時間較短（37 d），淤泥質土層來不及固結，故在本次模擬分析中沒有考慮流固耦合作用。

（1）水平位移分析

將工程實測和有限元模型數(shù)據(jù)進行分析，得到水平位移的發(fā)展過程，見圖6。從圖6可見，在樁基施工過程中，在水平方向上各條隧道發(fā)生移動，移動方向總體是離開鄰近的樁基，期間有離開和靠近的波動。1號線左線、1號和 4號線出段線的水平位移方向是離開24號樁基，1號線右線和4號線入段線的水平位移方向是離開23號樁基。6月22日前，各測點的位移增長較緩慢，之后增長較快。這與樁基每日的施工數(shù)量有關，由表1可見，在6月22日之前每日只施工一根樁，之后每日成樁數(shù)量增多，導致對地層和地鐵隧道的擾動程度加劇，于是出現(xiàn)了6月 22日前位移增長較為緩慢，而后增長較快的現(xiàn)象。

圖6 各測點水平位移發(fā)展規(guī)律Fig.6 Time-history curves of tunnel horizontal displacements

由圖6可見，有限元分析獲得的水平位移數(shù)據(jù)與工程實測存在一定差異，但兩者的發(fā)展規(guī)律基本相符。相比較可見，數(shù)值分析得到的水平位移隨著施工進展增長較為平緩，而工程實測曲線波動幅度較大，這可能和項目工地的施工設備移位、社會車輛通行、出土和堆土情況有關。

由圖6可見，工程實測和有限元分析數(shù)據(jù)都說明，隧道群埋深越大，水平位移越大。各測點的水平位移較小，大部分測點水平位移均處于預警范圍之內(nèi)（2 mm），全部小于報警值（4 mm）。

（2）豎向位移分析

將工程實測和有限元分析數(shù)據(jù)進行分析，得到豎向位移的發(fā)展過程，見圖7。

圖7 各測點豎向位移發(fā)展規(guī)律Fig.7 Time-history curves of tunnel vertical displacements

由圖7可見，各隧道測點豎向位移總體上都是沉降，期間存在上浮和下沉的波動，與水平位移相似，6月22日之前豎向位移增長緩慢，之后增長較快。有限元分析獲得的豎向位移數(shù)據(jù)與工程實測存在一定差異，但兩者的發(fā)展規(guī)律基本相符，有限元分析獲得豎向位移的變化幅度較小，曲線平緩，工程實測曲線波動幅度更大。從圖7可見，工程實測和有限元分析數(shù)據(jù)都說明，隧道埋深越大，沉降越小。各測點的豎向位移較小，全部測點水平位移均處于預警范圍（3 mm）之內(nèi)。

圖 6和圖 7中實測的隧道水平位移和豎向位移存在波動（回彈）現(xiàn)象，這與群樁施工期間每天施工流程有關。由表1可見，施工內(nèi)容包括壓管、出土、灌注混凝土等，每個工序對隧道位移存在影響，不同工序的影響也存在耦合作用，導致隧道的位移過程極為復雜，出現(xiàn)了圖6和圖7中的位移波動現(xiàn)象。

3 結 論

（1）工程實測及有限元分析都表明，隧道群的水平移動趨勢表現(xiàn)為離開鄰近的樁基，埋深越大的隧道，水平位移越大。

（2）豎向位移總體表現(xiàn)為下沉，隧道群埋深越大，豎向位移越小。各地鐵隧道水平位移均大于沉降沉降。

（3）水平和豎向位移增長量與當日樁基完成數(shù)量密切相關，完成數(shù)量少，隧道位移增長緩慢，數(shù)量多則位移增長較快。

（4）各測點的水平位移和豎向位移均較小，測點位移處于預警范圍之內(nèi)，全部小于報警值，說明全套管全回轉鉆機成孔群樁施工對隧道擾動較小。