廣州某地下電纜軟土地層鋼板樁拔除對既有隧道影響分析

張征亮，胡盛斌

(1.海峽(福建)交通工程設計有限公司，福建福州 350001;2.南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧 530021;3.華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510641)

0 引言

隨著城市建設的大力發展和地下空間的開發利用，地下空間資源日趨緊張，地下管線的管理朝著高度集約化和可持續化方向發展。鋼板樁以其整體剛度大、打拔樁容易、施工速度快、回收率高、隔水性好、使用壽命長、對空間要求低和環保效果顯著等特點，被廣泛運用于基坑工程中。目前，對鋼板樁的理論研究主要集中于支護特性研究，如鋼板樁的內力、支撐系統內力、開挖方式和基坑穩定性等［1－3］，且多采用等值梁法［4］、彈性支點法［5］等進行計算，而在鋼板樁實踐研究多限于施工措施的總結，如王有才［6］結合某大面積深基坑拉森鋼板樁施工案例，總結了監測方案、施打法和施工要求;劉陽平［7］就某特大橋橋墩基坑鄰近鐵路施工時，根據理論公式對鋼板樁的受力、支撐和埋深等參數進行了設計計算，總結了施工工藝流程及施工要點;李仁民［8］對某特大橋橋墩圍堰深基坑采用的高壓注水振動沉樁法設計要點和施工工藝進行了詳細介紹。

鋼板樁施工一般在基坑回填后進行拔除，鋼板樁拔除時會產生一定的振動，易留下孔隙［9－10］，尤其在軟土地層，極易造成地面及其鄰近構筑物開裂［11］。目前軟土地層鋼板樁拔除對鄰近既有隧道影響的分析，尤其是定量地分析鋼板樁拔除產生孔隙對鄰近土體及建構筑物的位移和受力特性分析并不多見。結合廣州某市政工程鋼板樁施工案例，采用數值模擬軟件分析不同工況下不同孔隙大小對鄰近既有隧道的位移和受力影響，對軟土地層鋼板樁拔除時鄰近建構筑物的保護具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

本項目為廣州市某新建地下電纜管溝工程，呈南北走向，線路南接云城大道，并沿地鐵2號線、3號線向北延至均禾街接106國道，設計道路寬40 m，雙向6車道，為城市次干道。在緊鄰地鐵2號線一側采用拉森鋼板樁支護開挖，鋼板樁長約12 m，入土長度11.7 m，外露長度0.3 m，并采用1道 φ350的鋼管支撐，平均開挖深度為5.3 m。

該電纜管溝主要分布在道路中央分隔帶與南側人行道下，與既有地鐵線路走向一致，距地鐵左線邊界最小距離為6.6 m(DK0+390)，管溝終點距地鐵隧道左線界限距離為8.1 m。具體位置關系如圖1所示。

1.1 區域地質構造

根據區域基巖地質圖及提供的勘察資料顯示，場區沿線下伏基巖主要為二疊系(P1－2)沉積巖—灰巖、砂巖、炭質泥巖夾劣質煤層，北段局部為下第三系布心組(E1－2b)沉積層—棕褐－紫紅色粉砂巖及白云質灰巖、砂礫巖。

1.2 沿線巖土層結構

根據鉆探揭露，場區從上往下依次為〈1〉第四系全新統人工填土層(Q4ml)、〈2〉第四系全新統沖積層(Q4al)、〈3〉第四系殘積層(Qel)、〈4〉～〈5〉下第三系(E)沉積基巖。

圖1 電纜管溝與地鐵隧道位置關系Fig.1 Relationship between cable tunnel and existing Metro tunnel

1.3 水文地質條件

場區沿線地表水不發育，擬建隧道場地范圍內未見有地表水發育。

場地地基土中，人工填土為弱－中等透水層，粉質黏土為微透水層，沖積中粗砂為強透水層，強－中風化巖為中等－強透水層。

場地地下水按性質及賦存方式不同可分為2層地下水:第四系孔隙水和基巖風化帶孔隙裂隙水。

2 鋼板樁拔除對隧道產生影響原理分析

鋼板樁拔除過程中會導致既有隧道發生附加變形。隧道周邊地層位移是鋼板樁拔除引起應力場重分布的結果，是地層損傷產生傳遞的結果;產生地層位移的主要原因是縫隙兩側土體向縫隙凈空產生塑性的流動。

根據修正的地層補償法［12］，若假定墻后土體的位移線為圓弧線，則土體以O為圓心的每一條圓弧都以O為圓心發生剛性轉動，如圖2所示。

圖2 地層補償原理示意圖Fig.2 Calculation principle of ground compensation method

在綜合考慮土體收縮性質及引入水平向收縮系數的基礎上，修正上述圓弧滑動法，假定拔樁縫隙臨空面位移曲線方程為S2=f(y)，則其兩側土體任意點(x，y)的水平位移和豎向位移為:

式中:δh，δv為土體任意一點水平和豎向位移值;x，y為土體中任意一點的坐標值。

3 數值模擬

文章選取鄰近隧道側鋼板樁拔除為研究對象。

3.1 計算假定

1)以地層、既有管線及隧道的自重應力作為初始應力場。

2)由于地鐵建成運營后，與場地周邊的既有建筑物及土體等一同形成了相對平衡、穩定的區域應力場，這些既有建筑物的存在不會對本次分析的電纜管溝結構產生影響，因此，建模時不考慮基坑及地鐵結構周邊的其他建筑物，僅分析鋼板樁拔除對地鐵隧道造成的位移、應力增量。

3)計算時不考慮水荷載影響，以及地下水的變化情況，僅考慮結構的自重荷載作用。

4)假定各層土體均為非線性彈塑性介質，地鐵結構(鋼筋混凝土墻體、隧道襯砌等)為線彈性材料。進行計算分析時，土體可選用彈塑性模型，地鐵結構可選用彈性模型。

3.2 計算模型

3.2.1 材料特性

本次計算中圍巖和隧道結構均選用平面應變單元Plan42進行模擬。為了減小邊界效應的影響，左、右及下邊界取4～5倍隧道的開挖洞徑。計算采用通用有限元軟件ANSYS，不考慮鋼板樁打樁等引起土體應力和性狀的改變。

根據工程地質勘察報告，土層從上至下為人工填土〈1〉，厚1.5 m;粉質黏土〈2－1－1〉，厚1.3 m;中粗砂〈2－4〉，厚5.28 m;殘積粉質黏土〈3〉，厚 4.91 m;粉質黏土〈2－5〉，厚11.25 m;微風化石灰巖〈5－3〉，厚4.91 m。各土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

3.2.2 單元選取與本構關系

對圍巖和結構采用Plan42號單元模擬，將面單元設置為平面應變。單元的每個節點有3個自由度，即沿x，y方向的線位移及繞z軸的角位移;對于孔隙兩側臨空采用接觸單元進行分析。模型的左右邊界x方向約束，頂部為自由面，底部y方向約束。ANSYS支持剛體—柔體的面—面的接觸單元，剛性面被當作“目標”面，用TARGE169來模擬;柔性體的表面被當作“接觸”面，用CONTA172來模擬。

根據隧道圍巖特征，采用D－P準則進行數值模擬，由圍巖自重形成初始地應力場。數值計算模型長76 m，寬34.3 m，鋼板樁距離左線隧道邊緣5.65 m，如圖3所示。

圖3 數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

D－P準則表達式為:

式中:I1和J2分別為第一球應力不變量和第二偏應力不變量;α和k為與材料性質有關的參數，α=(式中:c為黏聚力，φ為內摩擦角)。塑性流動采用相關聯的流動法則。

3.3 分析工況

將鋼板樁拔除遺留孔隙寬度按面積等代為矩形，其寬度根據鋼板樁的截面積和拔樁帶泥量計算得出:

式中δ1，δ2為鋼板樁、拔樁帶泥形成土中孔隙等代寬度，δ1=As/B，δ2=V/(B·S)(式中As，B分別為鋼板樁截面面積和寬度;S，V分別為鋼板樁埋入土中深度和拔樁帶泥體積)。

本項目采用拉森IV型鋼板樁，其寬度B=400 mm。根據工程經驗，單樁帶泥量為0.5～0.7 m3，鋼板樁入土以11.7 m 計，δ=106～150 mm。

本次計算參考文獻［10］，選取δ=40 mm(鋼板樁不帶泥)、δ=100 mm(鋼板樁帶少量泥)、δ=150 mm(鋼板樁正常帶泥)和δ=200 mm(鋼板樁大量帶泥)4組工況進行數值分析。

3.4 數值模擬結果分析

3.4.1 位移分析

1)既有隧道位移分析。通過數值計算，得出拔除鋼板樁后不同孔隙寬度時既有隧道位移增量云圖，如圖4所示。

圖4 既有隧道位移分布云圖Fig.4 Contour of displacement of existing tunnel

鋼板樁拔除后，土層中產生了一定的孔隙，致使土體產生向孔隙方向的位移?？傮w上來說，左線隧道受鋼板樁拔除影響較右線隧道大得多。其中水平位移是豎向位移的5～6倍，即鋼板樁拔除對既有隧道的影響以水平位移為主;同時，最大位移量分布在左線隧道左上側45°范圍內，分析判斷與隧道左上側位于中粗砂層有關，中粗砂層內聚力為0，自穩能力差。

由于既有隧道自重較大，加之鋼板樁拔除過程中對地層產生的擾動，周邊土體向孔隙凈空方向位移，導致既有隧道產生向孔隙凈空方向的位移趨勢，即在鄰近鋼板樁的左線左側產生較大位移。隨著孔隙寬度的增加，既有隧道位移也相應增大，水平位移增幅比豎向位移要大，縫隙寬度從40 mm增加到200 mm時，水平位移從6.85 mm 增加到 12.09mm，增幅 76.5%;豎向位移從1.32 mm增加到2.04 mm，增幅為54.5%。根據文獻［13］和規范要求，水平位移達12.09 mm，仍小于地鐵隧道結構累計水平位移控制值20 mm。

2)影響范圍分析。根據公式(4)，在鋼板樁入土深度為11.7 m時，可得縫隙寬度為150 mm，根據對稱性，單側土最大位移為75 mm。然而，一般情況下擋土墻達到主動土壓力極限狀態時水平位移為(0.1～0.3)%H(H為擋土墻高度)［14］，即 11.7 ～35 mm，遠小于75 mm，故拔樁后縫隙兩側土體已處于主動土壓力極限平衡狀態?？紤]到縫隙兩側土體接觸面上只有水平力，與朗肯土壓力黏性土、墻背光滑的假設一致，故可參照直壁擋墻模式朗肯土壓力破棱體理論計算拔樁影響范圍(見圖5)。

圖5 拔樁影響范圍Fig.5 Influencing scope of steel sheet pile removing

拔樁影響范圍

根據表1可知，該地層內摩擦角范圍為10°～39°，入土深度取11.7 m，得出理論影響范圍為5.6～9.4 m。

根據數值模擬結果，取鋼板樁孔隙右側地表位移為研究對象，得出各工況下地表沉降位移曲線，如圖6所示。

圖6 不同孔隙寬度時地表沉降曲線圖Fig.6 Ground surface settlement Vs void width

鋼板樁拔除后，孔隙周邊土體將會產生向孔隙凈空方向的滑移變形，在距離孔隙邊緣0～10 m范圍地表變形尤為顯著，與理論計算結果相近。

隨著孔隙寬度的增加，地表變形也相應增加。從圖6可以看出，在0～10 m范圍曲線斜率增幅較大，致使土體受拉而開裂;2種工況下豎向位移較水平位移隨著孔隙寬度增加而增幅相對減小?？梢姡捎阡摪鍢栋纬?，打破其周邊土體應力平衡狀態，致使土體產生相應的變形進行應力重分布。

3.4.2 既有隧道應力分析

既有應力分布云圖如圖7所示。

鋼板樁拔除過程中，周邊土體將產生變形，進而引起既有隧道結構產生附加應力，附加應力的大小將影響既有結構的安全性。

從圖7可以看出，最大拉應力出現在既有隧道左線左下側45°處，最大壓力應力則出現在既有隧道左線左上側45°處，鋼板樁拔除對既有隧道受力產生較大影響，鄰近鋼板樁側比遠離鋼板樁側要大，這與現實情況基本相符，同時也說明鄰近鋼板樁側是鋼板樁拔除時監控的重點對象。

根據文獻［15］選取鐵路隧道健康狀況評定等級(C級)時結構應力增量控制標準，如表2所示。從上述計算結果可知，在δ=150 mm(鋼板樁正常帶泥)時，拉壓應力增量為4.65 MPa，大于4.5倍的拉應力容許值，隨著孔隙寬度進一步增大，應力增長減緩，表明隧道襯砌已產生大量裂縫破壞?？梢?，在鋼板樁拔除過程中，必須嚴格控制其帶泥量。

4 工程對策

鋼板樁拔除前，要認真研究確定拔樁順序、拔樁時間、樁孔處理方法以及監測要求。

圖7 既有隧道應力分布云圖Fig.7 Contour of stress of existing tunnel

表2 結構應力增量控制標準Table 2 Control standard of structural stress increment MPa

1)優化拔樁順序。對封閉式鋼板樁墻，拔樁起點應離開角樁5根以上?？筛鶕驑稌r的情況確定拔樁起點，必要時也可采用間隔跳拔和跟進壓密注漿工藝，間隔時間待水泥漿凝固并達到一定強度。

2)減少拔樁帶泥量。拔樁時采用灌水、灌砂等措施，還可以對鋼板樁周身涂刷油脂、瀝青等潤滑劑，如果有條件，采用振動錘復打一次，減少鋼板樁拔出帶泥量。

3)周邊土體加固。對鋼板樁與既有隧道之間一定范圍內土體進行注漿，增加土體強度，增加土顆粒的移動阻力，以減少拔樁對土體的破壞作用。

4)加密監測和巡查。在鋼板樁拔除過程中，加強對周邊土體和既有隧道的監測和巡視，同時對孔隙填充情況及時檢查，發現問題立即采取措施進行補救。

5 結論與建議

運用數值模擬計算分析，研究了鋼板樁拔除對既有隧道的影響，得到以下結論:

1)鋼板樁拔除后產生一定的孔隙，導致其周邊土體產生向孔隙凈空方向的位移，對既有隧道位移、受力產生較大的影響。鋼板樁拔樁帶泥產生的縫隙會導致其周邊土體產生沿縫隙凈空方向的塑性滑動，分析表明，孔隙寬度越大，既有隧道位移、受力也越大，在縫隙寬度為150 mm時，拉應力增量為4.65 MPa，大于拉應力增量容許值的4.5倍;既有隧道鄰近鋼板樁側的位移和受力較遠離鋼板樁側要大得多;鋼板樁拔除后產生的孔隙對其周邊10 m范圍內的土體影響顯著。

2)鋼板樁拔除帶泥產生縫隙會引起孔隙周邊土體產生塑性滑動。鋼板樁拔出過程中帶泥量越大，即縫隙越大，對既有隧道結構受力及變形影響就越大，縫隙寬度在40～100 mm范圍時，既有地鐵隧道受力、變形均處于安全可控范圍內，且影響范圍也相對較小，為此，減少拔樁帶泥量尤為重要，必要時可對鋼板樁與既有隧道之間土體進行隔離性加固，以減小對既有隧道的影響。

3)鋼板樁的拔除是一個動態的過程，拔除過程中可能由于摩阻力太大，須邊振動邊拔。

4)鋼板樁拔樁拔除時應著重考慮減少帶泥量，可采用灌水、灌砂、樁身涂油以及振動錘復打等措施。

本文數值計算未考慮地下水位變化、地表堆載、地層加固以及基坑、地鐵結構周邊的其他建構筑物的影響，在今后的研究中有必要對這些影響因素進行深入探討。

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