基坑下方既有隧道的抗拔樁抗浮技術(shù)研究

馬 輝， 周澤林

(1. 中國(guó)中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川成都610031； 2. 中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司路橋工程分公司，四川成都610031)

1 抗拔樁承載特性分析

由于基坑開(kāi)挖引起基坑底下方土體回彈變形，對(duì)樁身上部產(chǎn)生上拔作用，而樁身下部試圖限制這一上拔現(xiàn)象，從而在樁身中產(chǎn)生軸力(圖1)。樁身的軸力最大值對(duì)應(yīng)于樁側(cè)摩阻力的反轉(zhuǎn)點(diǎn)，也是樁身正負(fù)摩阻力的分界點(diǎn)。

圖1 基坑下方抗拔樁的承載特性

以下采用二維數(shù)值模擬方法分析抗拔樁的承載特性，基坑開(kāi)挖寬度36 m，開(kāi)挖深度10 m，隧道位于基坑底正下方22 m。樁型為等截面方型抗拔樁，截面尺寸1 m×1 m，樁長(zhǎng)32 m(從基坑底開(kāi)始計(jì)算)，對(duì)稱(chēng)布置于隧道左、右兩側(cè)，與既有隧道的凈距為3 m。模型縱向厚度取為抗拔樁縱向間距(3 m)?；油馏w采用分層開(kāi)挖，每層2 m。

1.1 樁身軸力分析

隨著基坑的開(kāi)挖，樁身受力(軸力)發(fā)生變化，圖2為基坑在不同挖深條件下的軸力分布曲線(拉為正，壓為負(fù))。從圖中可以看出，樁身軸力分布呈“中間大、兩頭小”的特征。隨著挖深的增大，樁身軸力不斷增大，且軸力峰值位置逐漸向樁身下部發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)基坑挖深為2 m時(shí)，由于卸荷影響小，樁體在自重和土體卸荷的綜合作用下，產(chǎn)生較小的軸力。當(dāng)挖深增大至10 m時(shí)，最大軸力值增大至2 760 kN，整個(gè)樁身以承受拉力為主；受樁身附近既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，樁頂下20 m處發(fā)生局部突變現(xiàn)象。

圖2 樁身軸力分布曲線

1.2 樁-土相對(duì)位移分析

當(dāng)樁身與土體界面上的剪應(yīng)力超過(guò)摩阻力時(shí)，就會(huì)發(fā)生樁-土相對(duì)位移，圖3為不同挖深條件下的樁-土相對(duì)位移分布曲線(土體豎向位移大于樁身豎向位移時(shí)為正值，反之為負(fù))。從圖中可以看出，樁-土相對(duì)位移經(jīng)歷了從正值變化到零值，甚至負(fù)值的過(guò)程，對(duì)應(yīng)著三個(gè)特征區(qū)段：

(1)抗拔段：樁-土相對(duì)位移為正值的區(qū)段為抗拔段?？拱味翁幱跇渡砩喜浚捎诨娱_(kāi)挖卸載導(dǎo)致樁身上部一定范圍內(nèi)的土體豎向回彈位移大于樁身豎向位移，則該部分樁體的存在相當(dāng)于約束了周?chē)馏w發(fā)生向上回彈位移的趨勢(shì)。樁與土之間發(fā)生了相對(duì)滑移，表明該區(qū)段內(nèi)的樁身發(fā)揮了極限抗拔承載力，抗拔段是抵抗下臥地基土體回彈位移和限制鄰近隧道隆起變形的主要作用區(qū)段。

(2)穩(wěn)定段：樁-土相對(duì)位移為零值的區(qū)段定義為穩(wěn)定段。穩(wěn)定段分布在樁身中部一定范圍內(nèi)，該區(qū)段內(nèi)的樁和土體均發(fā)生等值的豎向位移，發(fā)揮土體抗拔和隧道抗隆起的作用并不明顯。

(3)嵌固段：樁-土相對(duì)位移為負(fù)值的區(qū)段定義為嵌固段。由于坑底面下方的土體位移隨著深度急劇衰減，而剛性很大的抗拔樁的樁身位移隨深度的衰減量卻很小，導(dǎo)致樁身下部埋深較大處的穩(wěn)定土層內(nèi)的土體豎向回彈位移小于樁身位移，該區(qū)段的抗拔樁相當(dāng)于“嵌固”在相對(duì)“穩(wěn)定”的土層之中。對(duì)于抗拔樁而言，周?chē)馏w約束了樁體向上位移的趨勢(shì)；但是對(duì)于土體而言，該區(qū)段內(nèi)的抗拔樁不僅沒(méi)有發(fā)揮抗拔作用，還會(huì)帶動(dòng)樁周的土體發(fā)生向上的位移。

從圖3可以看出，隨著基坑挖深的增大，樁-土相對(duì)位移急劇增大，樁身抗拔段和嵌固段的長(zhǎng)度亦不斷增大，而樁身穩(wěn)定段長(zhǎng)度則不斷縮小；當(dāng)挖深從2 m增大至10 m時(shí)，樁-土最大相對(duì)位移由2.1 mm增大至64.0 mm；抗拔段深度從4.0 m增大至18.0 m；嵌固段的長(zhǎng)度從0 m增大至6.0 m。

圖3 樁-相對(duì)位移分布曲線

2 抗拔樁抗隆起作用機(jī)理

為了研究抗拔樁對(duì)減小周?chē)貙雍图扔兴淼缆∑鹱冃蔚淖饔脵C(jī)理，分別對(duì)有抗拔樁和無(wú)抗拔樁的情況進(jìn)行二維模擬分析。計(jì)算取基坑挖深10 m，在既有隧道與左、右兩側(cè)水平凈距3 m處分別設(shè)置了一排抗拔樁，抗拔樁長(zhǎng)40 m，樁間距3 m。二維模型的厚度取為抗拔樁的縱向樁間距(3 m)。

圖4為無(wú)抗拔樁和有抗拔樁情況下的基坑下臥地基土體的豎向位移云圖。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)抗拔樁時(shí)，坑底最大回彈位移達(dá)207.5 mm，隧道隆起變形為136.9 mm；施做抗拔樁后坑底最大回彈位移為131.7 mm，減小了36.5 %，隧道隆起變形為88.5 mm，減小了35.4 %，說(shuō)明抗拔樁對(duì)減小坑底土體變形和限制隧道隆起位移的作用十分顯著。從圖4可以看出，無(wú)抗拔樁時(shí)，下臥地基土體位移呈整體回彈型態(tài)分布。施做抗拔樁后，地基土體位移呈分塊回彈型態(tài)分布，說(shuō)明一方面抗拔樁依靠抗拔段的樁側(cè)正摩阻力有效地約束了土體回彈變形；另一方面，地層中的樁體是異質(zhì)體，樁身結(jié)構(gòu)剛度很大，能阻斷上部土體開(kāi)挖產(chǎn)生的位移傳遞作用，使得地基土體位移場(chǎng)間斷，從而起到減小土體回彈的作用。

(a)無(wú)抗拔樁

(b)有抗拔樁圖4 基坑下臥地基土體豎向位移云圖

圖5給出了無(wú)抗拔樁和有抗拔樁情況下的基坑下臥地基土體剪切應(yīng)變等值陰影圖?？梢钥闯?，最大剪切應(yīng)變均發(fā)生在基坑墻腳的應(yīng)力突變處。無(wú)抗拔樁時(shí)，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.15×10-2，并且基坑左、右墻腳處與隧道洞室兩側(cè)之間分別形成了一條傾斜集中剪應(yīng)變傳遞路徑，導(dǎo)致洞室周?chē)魬?yīng)變量值和范圍較大；施做抗拔樁后，最大剪切應(yīng)變減小至8.23×10-3，減小了28.4 %，并且剛性抗拔樁體切斷了集中剪應(yīng)變的傳遞路徑，阻止了墻腳處集中剪應(yīng)變往隧道結(jié)構(gòu)傳遞與發(fā)展的趨勢(shì)，因而大大地減小了洞室周?chē)募屑羟袘?yīng)變，降低了基坑施工對(duì)隧道的影響?？梢?jiàn)，抗拔樁能有效地控制下臥地基土體的剪應(yīng)變大小和分布范圍，對(duì)隧道變形的限制作用也增強(qiáng)，起到了保護(hù)隧道的目的。

(a)無(wú)抗拔樁

(b)有抗拔樁圖5 基坑下臥地基土體剪切應(yīng)變等值陰影

3 影響參數(shù)分析

抗拔樁的樁長(zhǎng)Lp、樁間距dp以及樁與隧道之間的凈距dt是影響抗拔樁作用效果的三個(gè)重要參數(shù)。為了研究這三個(gè)參數(shù)對(duì)隧道隆起變形的控制效果，選取樁長(zhǎng)Lp分別為16 m、20 m、24 m、28 m、32 m、36 m和40 m等7種情況來(lái)分析樁長(zhǎng)的影響；選取樁與既有隧道之間的凈距dt分別為3 m、6 m、9 m和12 m等4種情況來(lái)分析凈距的影響；選取縱向樁間距dp分別為3 m、5 m和7 m等3種情況來(lái)分析樁間距的影響。二維模擬分析中，同樣通過(guò)改變模型的厚度來(lái)體現(xiàn)縱向樁間距的變化。參數(shù)分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

(a)最大隆起位移與樁長(zhǎng)和凈距的關(guān)系(樁間距dp=3m)

(b)最大隆起位移與樁長(zhǎng)和樁間距的關(guān)系(凈距dt=3m)圖6 影響參數(shù)分析結(jié)果

由圖6可以看出，同樣的樁長(zhǎng)條件下，隧道最大隆起位移隨著凈距dt(或樁間距dp)的增大而不斷增大；同樣的凈距dt(或樁間距dp)條件下，隧道最大隆起位移均隨著樁長(zhǎng)Lp的增大而不斷減小，且凈距dt(或樁間距dp)越小，位移減小幅度越大。因此，為了最大程度地發(fā)揮抗拔樁對(duì)既有隧道的抗隆起作用，應(yīng)當(dāng)盡量將抗拔樁布置在靠近隧道結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，并采用較小的樁間距布置形式。而當(dāng)隧道與抗拔樁之間的凈距dt或布樁間距dp較大時(shí)，通過(guò)改變?cè)黾訕堕L(zhǎng)Lp來(lái)減小隧道隆起位移的意義并不大。

4 抗拔樁布置型式的影響

采用三維數(shù)值模擬方法來(lái)探討不同的抗拔樁布置型式對(duì)隧道縱向隆起變形的控制效果。假設(shè)基坑平面開(kāi)挖尺寸B×L=36m×80m，開(kāi)挖深度H=10m，既有隧道位于基坑正下方，中心埋深22 m。在既有隧道兩側(cè)分別施做1排、2排和3排等截面抗拔方樁，方樁截面尺寸為1 m×1 m，樁長(zhǎng)均為40 m。抗拔樁沿隧道縱向布置范圍為1.5倍基坑開(kāi)挖長(zhǎng)度?？拱螛杜c隧道之間的位置關(guān)系及樁間距如圖7所示。

圖7 抗拔樁布置型式

采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)這三種抗拔樁布置型式下的隧道隆起變形進(jìn)行了分析，同時(shí)與無(wú)抗拔樁的計(jì)算結(jié)果也進(jìn)行了對(duì)比，用于分析抗拔樁的作用效果。三維計(jì)算區(qū)域尺寸為160 m×70 m×124 m。

圖8為3種不同的布樁型式下的計(jì)算得到的抗拔樁樁身豎向位移云圖，為了顯示直觀，圖中只顯示出了隧道一側(cè)的抗拔樁?？梢钥闯?，基坑下方的抗拔樁均發(fā)生了不同程度的整體上浮，且越靠近基坑開(kāi)挖中心處的樁身上浮位移就越大；同樣的土體卸荷作用下，樁身最大上浮位移隨著抗拔樁排數(shù)的增多而逐漸減小，在單排布樁→2排布樁→3排布樁型式下，基坑下方樁身最大上浮位移分別為6.69 cm → 6.09 cm → 5.72 cm。其原因是下臥回彈變形地基范圍內(nèi)所布置的抗拔樁數(shù)量越多，則每根樁參與分配和承受的上拔力就越小，“群樁效應(yīng)”就越明顯，則樁身結(jié)構(gòu)的上浮位移也就越小。從圖中亦可看出，與單排抗拔樁相比，2排、3排布樁情況下的整個(gè)樁群位移分布云圖更加均勻，樁群受力更加合理。

(a) 1排抗拔樁

(b) 2排抗拔樁

(c) 3排抗拔樁圖8 抗拔樁豎向位移云圖

三維計(jì)算區(qū)域尺寸為160 m×70 m×124 m。圖9圖為3種布樁型式下，基坑下方隧道隆起位移分布曲線?？梢钥闯觯c無(wú)抗拔樁的情況相比，施做抗拔樁后不僅隧道隆起位移明顯減小，且隧道軸線隆起變形范圍也得到了有效的控制，說(shuō)明抗拔樁對(duì)隧道的保護(hù)效果非常明顯。無(wú)抗拔樁時(shí)，隧道隆起位移峰值為13.6 cm，施做一排抗拔樁后，位移峰值為9.1 cm，減小了33.1 %；施做兩排抗拔樁后，位移峰值為8.2 cm，減小了39.7 %；施做三排抗拔樁后，位移峰值為7.8 cm，減小了42.6 %。可見(jiàn)，隨著抗拔樁排數(shù)的增多，對(duì)減小隆起變形的效果越來(lái)越小。其原因?yàn)?，抗拔樁距離隧道結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)，其限制隧道豎向位移的作用就越弱。因此，施工中不應(yīng)當(dāng)盲目的通過(guò)增加抗拔樁數(shù)量來(lái)控制隧道變形，避免不必要的浪費(fèi)。

圖9 隧道隆起分布曲線對(duì)比

5 結(jié)論

本文針對(duì)基坑下方既有隧道的抗浮開(kāi)展研究，得出如下主要研究成果：(1)樁-土相對(duì)位移經(jīng)歷了從正值變化到零值，甚至負(fù)值的過(guò)程，對(duì)應(yīng)著三個(gè)特征區(qū)段：抗拔段、穩(wěn)定段、嵌固段；(2)抗拔樁抗拔段的樁側(cè)正摩阻力有效地約束了土體回彈變形，同時(shí)，地層中的樁體是異質(zhì)體，樁身結(jié)構(gòu)剛度很大，從而能阻斷上部土體開(kāi)挖產(chǎn)生的位移傳遞作用。使得地基土體位移場(chǎng)間斷，從而起到減小土體回彈的作用；(3)一定樁長(zhǎng)時(shí)，隧道最大隆起位移隨著樁間距dp的增大而增大。一定樁間距時(shí)，隧道最大隆起位移均隨著樁長(zhǎng)Lp的增大而減小，且樁間距越小，位移減小幅度越大；(4)與單排抗拔樁相比，2排、3排布樁的整個(gè)樁群位移分布云圖更加均勻，樁群受力更加合理。

基坑下方施作完抗拔樁后，一方面抗拔樁作為異質(zhì)體對(duì)上部開(kāi)挖產(chǎn)生的土體位移場(chǎng)具有阻斷作用；另一方面，抗拔樁切斷了圍護(hù)墻墻腳與基坑洞室側(cè)面的集中剪應(yīng)變傳遞的路徑，顯著地減小了洞室周?chē)屑魬?yīng)變的大小和分布區(qū)域。因此，施作抗拔樁能有效限制樁周土體和鄰近隧道的隆起變形，起到保護(hù)既有隧道的目的。為了最大程度地發(fā)揮抗拔樁的抗隆起效應(yīng)，應(yīng)盡量將抗拔樁布置在靠近既有隧道結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，并采用較小的樁間距。