鋼套筒壓入對鄰近地鐵影響的有限元分析

楊吉新，王耀東，張戰(zhàn)彪，馬旭超

鋼套筒壓入對鄰近地鐵影響的有限元分析

楊吉新1，王耀東1，張戰(zhàn)彪2，馬旭超3

(1. 武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063；2. 中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；3. 云南基礎設施投資股份有限公司，云南 昆明 650501)

為研究樁基施工過程中鋼套筒壓入對鄰近地鐵產(chǎn)生的擾動，利用Midas GTS有限元軟件，對鋼套筒的壓入過程進行數(shù)值模擬，并針對其施工順序及鋼套筒?土界面單元參數(shù)的影響進行了分析。研究結果表明：鋼套筒壓入引起的鄰近地鐵變形在允許范圍之內，全套管灌注樁適用于近地鐵的樁基施工；采用隧道兩側鋼套筒對稱施工的方法可減小對鄰近鄰地鐵的擾動；鄰近地鐵結構的位移對鋼套筒?土界面單元中的摩擦角和黏聚力十分敏感，地鐵隧道的變形量隨著二者取值的增大而顯著提高。實際工程可采取改善鋼套筒與土體邊界條件的方法，從而減小鋼套筒施工對緊鄰地鐵產(chǎn)生的不利影響。

全套管灌注樁；近地鐵；有限元；界面單元參數(shù)

隨著城市建設用地日益緊張，地鐵隧道成為城市交通發(fā)展的主要方向。如今，地鐵線路縱橫交錯，某些高層建筑、城市橋梁的樁基施工需面臨在毗鄰地鐵隧道進行。建筑結構的樁基施工會對周圍土體產(chǎn)生擾動，進而對鄰近地鐵隧道產(chǎn)生不利影響。丁智[1]等人采用了數(shù)值分析方法，建立樁?隧相互作用的三維有限元模型，通過改變樁?隧相對位置、隧道埋深、水平凈距、樁基半徑和群樁因素，研究了靜壓樁基施工對軟土地區(qū)既有地鐵隧道的影響。徐云福[2]等人采用現(xiàn)場試驗的方法，證明了采用全套管鋼套管護壁旋挖取土工藝能較好地預警、控制施工風險，并在施工過程中對盾構隧道和周圍土體進行動態(tài)信息化監(jiān)測。全套管灌注樁是一種新型灌注樁，由于施工工藝獨特，打樁過程對周圍地層的擾動較小，因此，在工程中被廣泛應用于近地鐵樁基施工。王永才[3]結合既有地鐵線路附近的一座高架橋樁基工程，介紹了全回轉全套管鉆機施工工藝，該工藝保證了工程按期進行和地鐵正常運營。現(xiàn)有的工程經(jīng)驗和研究成果表明：全套管灌注樁的施工過程中，對鄰近地下結構最大擾動主要是鋼套筒的壓入。張超[4]等人通過數(shù)值模擬，得到了對隧道影響較大的旋進深度和不同旋進深度作用于鋼套管的最大機械下壓力，并通過旋壓機械上的油壓表來控制鋼套管旋入過程。鄧指軍[5]對全回轉式全套管鉆機樁基施工過程中鋼套管壓入引起的鄰近地鐵隧道變形進行了分析，并采取了相應的改善措施，保證了地鐵的正常運營。王改[6]等人采用監(jiān)測地鐵全套管全回轉鉆機施工過程中引起的隧道水平位移及豎向沉降，分析了樁基施工過程中凈距和樁基類型對地鐵變形的影響規(guī)律。但國內外關于鋼套筒壓入對緊鄰地鐵影響的研究較少，且主要是通過對具體施工過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測進行分析，而現(xiàn)場試驗及監(jiān)測對人力、物力的消耗較大，也不能預估施工過程中存在的風險。因此，作者擬通過Midas GTS有限元軟件對近地鐵鋼套筒的壓入過程進行模擬，討論鋼套筒的有關參數(shù)、施工順序等因素對地鐵隧道的影響，并提出減少施工擾動的解決辦法，以期為類似工程施工提供借鑒。

1 全套管灌注樁施工技術

全套管灌注樁又叫貝諾特灌注樁，其施工工法也稱之為貝諾特工法，該工法利用全套管全回轉鉆機的全液壓動力傳動機制，帶動鋼套筒回轉，從而減小套筒與土體之間的摩擦力，一邊轉動鋼套筒，一邊將其壓入土中，同時使用沖挖斗挖除土體，重復該操作直至鋼套筒分節(jié)壓至樁端設計標高為止。挖掘完成后，立刻測定樁孔深度，確認持力層。達到合格標準后，清除孔底虛土，下放鋼筋籠，灌注混凝土成樁。

正常運營地鐵隧道的變形控制要求：若樁基施工在緊鄰運營的地鐵隧道范圍進行，周圍土體將不可避免地受到擾動，從而擠壓隧道結構，使得地鐵隧道產(chǎn)生附加變形和附加內力。若位移水平較大，會引起隧道管片開裂及不均勻沉降，嚴重影響地鐵的正常運營。因此，針對近地鐵的樁基施工，需要采取針對性的施工工藝，保證鄰近地鐵隧道結構的安全與穩(wěn)定。全套管全回轉鉆機灌注樁因采用鋼套筒護壁，可以大幅度減小對周圍土體的擾動。同時，該施工工藝具有垂直度高、充盈系數(shù)小、環(huán)保及可避免坍孔等特點。因此，適用于鄰近地鐵打樁的理想施工技術，現(xiàn)已被廣泛應用于實際工程中。

2 有限元模型的建立

鄰近地鐵在全套管灌注樁施工過程中受到的擾動主要來自鋼套筒的壓入。采用Midas GTS有限元軟件對緊鄰地鐵的鋼套筒壓入過程進行模擬。根據(jù)現(xiàn)場地質勘察報告，將土體劃分為7層。考慮到鋼套筒筒側及筒端旋進時對周圍土體的影響范圍，土層水平分布取40 m，深度取67 m。土體采用三維實體單元，本構采用莫爾?庫倫模型，對土體側面和底面分別予以水平和豎向約束。地鐵隧道埋深30 m，襯砌結構為C50混凝土，內徑為4.75 m，外徑為5.35 m，厚度為0.60 m，采用板單元進行模擬，本構為彈性模型。由于本研究建立的模型計算主要獲得鋼套筒施工時地鐵隧道的變形，因此，僅下壓4根鋼套筒，其與既有地鐵隧道的位置關系如圖1所示。鋼套筒兩兩對稱，分別位于隧道的水平兩側，與地鐵隧道的間隔均為4.25 m，鋼套筒之間的凈距為5 m，每根鋼套筒采用板單元，厚度為1 cm，本構采用彈性模型，鋼套筒的材料為Q345鋼，重度為78.5 kN/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28。每節(jié)鋼套筒長度為5 m，鋼套筒與周圍接觸土體之間設置界面單元，模擬二者之間的相互作用。地基土的材料計算參數(shù)見表1，有限元計算模型如圖2所示。

圖1 既有地鐵隧道與鋼套筒位置關系

圖2 有限元整體計算模型

表1 地基土材料參數(shù)表

由于本次計算只考慮鋼套管壓入的影響，因此，不考慮土體初始應力場及隧道開挖作用。開挖隧道土體時，添加襯砌單元，地鐵隧道結構對整體位移清零。然后，激活鋼套筒單元及界面單元。通過施加節(jié)點強制位移的方法，下壓鋼套筒，壓入過程中鉆機對鋼套筒的壓力為6 MPa，扭矩為250 kN·m。分2個工況，每次下壓2根鋼套筒，由隧道左側1#、2#鋼套筒向右側3#、4#鋼套筒非對稱施工，計算得到鄰近地鐵隧道位移。

3 結果分析

按照有限元模型建立過程，對模型劃分網(wǎng)格后進行計算，得到各個工況下現(xiàn)有地鐵隧道的變形，計算結果如圖3～6所示(透明部分為隧道變形前的位置)。施工地鐵左側鋼套筒時，隧道豎向最大沉降出現(xiàn)在靠近鋼套筒縱向一端拱頂，為2.17 mm，最大水平位移出現(xiàn)在靠近鋼套筒的一端中部，為0.52 mm，約占豎向位移的24%；施工地鐵右側鋼套筒時，隧道豎向沉降繼續(xù)增加，最大為3.95 mm，同樣出現(xiàn)在靠近鋼套筒縱向一端拱頂，而水平位移則出現(xiàn)回落，最大為0.16 mm。這是由于鋼套筒下沉時會擠壓土體朝著背離鋼套筒的方向移動，從而帶動隧道產(chǎn)生一定的水平位移，隧道左右兩側鋼套筒的施工引起鄰近地鐵水平位移方向相反。因此，下壓右側鋼套筒時，地鐵結構的水平位移會抵消一部分，從而減小位移。

圖3 施工左側鋼套筒隧道豎向沉降

圖4 施工左側鋼套筒隧道水平位移

圖5 施工右側鋼套筒隧道豎向沉降

從圖3～6中可以看出，鋼套筒旋進下壓過程，會使得周圍土體側向擠壓，鄰近隧道的阻擋會增大被擠壓土體的擠壓應力，該應力水平在短時間內無法消散，因此，隧道會受到較大的土壓力。既有地鐵隧道在周圍土壓力的作用下，其變形主要表現(xiàn)為豎向沉降，水平位移較小。兩側鋼套筒施工完畢后，最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂附近，為3.95 mm。現(xiàn)有研究結果表明：地鐵結構的最大位移不得超過20 mm[7]，地鐵隧道的安全性與穩(wěn)定性才能夠得到保障。由于隧道的最大沉降發(fā)生在拱頂處，實際工程中，可以通過監(jiān)測隧道拱頂位移，判斷隧道的變形是否在允許范圍之內，從而保證施工過程中地鐵的安全性與穩(wěn)定性。下壓右側鋼套筒時，地鐵的水平位移大幅度回落，表明：隧道左右兩側的鋼套筒壓入對水平位移有抵消作用。因此，可以考慮采取對稱施工的方式，減小對地鐵的擾動。

圖6 施工右側鋼套筒隧道水平位移

3.1 施工順序對隧道變形的影響

保證每個工況的鋼套筒施工數(shù)量不變的情況下，改變鋼套筒的施工順序，分析不同施工順序下隧道的變形情況，有限元計算結果見表2。

由表2可知，①采用左右兩側鋼套筒先后壓入的非對稱施工順序，即先旋進隧道一側的鋼套筒，后旋進另外一側。地鐵第1種工況的2個施工階段的隧道水平位移、豎向沉降、總變形均為最大，此時鋼套筒施工對鄰近地鐵最為不利。因此，這種施工方式在實際工程中不宜采用。②當左右兩側同時壓入鋼套筒，即采用第2種工況時，地鐵在2個施工階段的水平位移、豎向沉降、總變形量較之于第1種施工順序的均有一定程度減小。尤其是對第1個施工階段的水平位移，分別由0.52 mm降低至0.05 mm和0.10 mm，再一次驗證了隧道兩側鋼護筒的壓入對彼此產(chǎn)生水平位移的抵消作用。表明：實際工程中，若隧道左右兩側均存在樁基施工時，宜采取左右兩側同時下沉鋼套筒的方式，可減小對鄰近地鐵的擾動，保證隧道結構受力的均勻。③對于鋼套筒在地鐵附近的布置情況，通過比較3種工況的2個施工階段對地鐵隧道的影響可以發(fā)現(xiàn)，采用第3種工況，同時施工隧道左右兩側對角鋼套筒，鄰近地鐵隧道的附加變形最小。表明：工程實踐中，采用此方案作為參考進行樁基施工。

表2 不同施工順序下隧道變形情況

注：表中1#, 2#, 3#, 4#代表鋼套筒標號

3.2 鋼套筒?土界面參數(shù)對隧道變形的影響

鋼套筒在下壓過程中與周圍土體的相互作用是引起鄰近地鐵隧道附加應力和附加變形的根本原因。鋼套管在旋進土體時，鋼套管外側土體對鋼套管作用有徑向的土壓力、垂向摩擦力、切向摩擦力；鋼套管內土柱對套管有徑向土壓力、垂向摩擦力、切向摩擦力。鋼套管向下旋進過程中，管壁的端部受到向上的阻力及切向的摩擦力[4]。本研究采用Midas GTS有限元軟件模擬鋼套筒與土的接觸問題，界面非線性類型為庫侖摩擦，與該界面單元相關的參數(shù)有法向剛度模量n、剪切剛度模量s、黏聚力、摩擦角和剪脹角。n值取決于接觸面的受力特性，接觸面受壓時應取較大值，數(shù)量級為100×1011N/m3，防止接觸面材料的互相侵入。受拉時，為防止接觸面的脫落，應取較小值[8]。s的取值一般和s為同一數(shù)量級。對于參數(shù)和，根據(jù)有關研究成果，界面單元的黏聚力和摩擦角可取為周圍土體對應參數(shù)的0.5～0.8倍[9]。本次有限元建模計算不計剪脹角的影響，因此剪脹角不予考慮。接觸面單元的力學性質取決于接觸結構的力學參數(shù)，根據(jù)土體與鋼套筒的材料特性，Midas GTS提供了界面單元參數(shù)的自動計算功能，得到鋼套筒?土界面單元的法向剛度模量與剪切剛度模量，分別為742 053 kN·m?3和67 459 kN·m?3，接觸類型為摩爾?庫倫，其黏聚力和摩擦角分別為13.5 kN·m?2和7.5°，本研究有限元建模過程均采用了該界面單元。

鋼套筒與土界面參數(shù)決定了鋼套筒在旋進土體過程中的受力特性，樁土界面的摩擦角是影響摩擦樁承載性能的關鍵因素[10]。根據(jù)該結論，僅考慮界面單元的黏聚力和摩擦角的作用，即分別以黏聚力和摩擦角作為控制參數(shù)，其他界面參數(shù)不變。同時，保證參數(shù)取值在合理范圍內，研究鋼套筒施工過程中黏聚力和摩擦角的取值對鄰近地鐵隧道的影響。為計算簡便，只下壓1#鋼套筒，計算結果如圖7所示。

圖7 不同黏聚力與內摩擦角下隧道最大位移變化曲線

從圖7中可以看出，保證黏聚力不變的情況下，當摩擦角由6.5°提高到9°時，隧道最大位移增值為0.60～1.25 mm，黏聚力越大，隧道變形增量也越大。保證摩擦角不變的情況下，當黏聚力由13.5 kN/m2提高到25.5 kN/m2時，隧道最大位移增值為0.78～1.47 mm，摩擦角越大，隧道變形增量也越大。因此，在鋼套筒施工過程中，界面單元黏聚力和摩擦角對鄰近隧道的變形影響較大，表現(xiàn)為正相關關系，并且地鐵結構的位移對摩擦角的敏感性大于黏聚力的。所以在有限元模擬鋼套筒施工的過程中，隧道變形計算結果的準確性對界面單元參數(shù)的精確程度要求較高，選擇合理的鋼套筒參數(shù)是正確建模的關鍵。目前，相關研究表明：周圍土參數(shù)的基礎上，乘以界面接觸材料所對應的折減系數(shù)，以此作為界面單元參數(shù)進行有限元建模計算，得到的結果與實際情況較為一致。因此，界面單元黏聚力與摩擦角取值的準確性最終歸結于周圍土體材料參數(shù)測定的準確性，現(xiàn)場測量人員應嚴格遵守規(guī)范試驗流程，減小土體黏聚力與內摩擦角測定的誤差。

因為界面單元參數(shù)的取值與周圍土體的材料參數(shù)是息息相關的，所以針對鋼套筒與土體界面參數(shù)對隧道變形的影響，在實際工程中可采取鋼套筒與土體之間注水或添加潤滑材料，改善鋼套筒與土體的接觸條件，使其接觸面更加光滑，從而減小鋼套筒旋進過程中受到的側摩阻力，降低鋼套筒施工對鄰近地鐵隧道的擾動，保證地鐵安全性。

4 結論

采用Midas GTS有限元軟件對鋼套筒的壓入過程進行了模擬，研究了施工過程對鄰近地鐵隧道的影響，得到結論：

1) 全套管灌注樁鋼套筒的施工過程中，鄰近地鐵隧道的變形主要表現(xiàn)為豎向沉降，水平方向的位移較小，隧道總體變形在容許范圍之內。對于鄰近地鐵打樁，采用全套管灌注樁施工工藝是合理的。

2) 鋼套筒施工順序對鄰近地鐵的變形有一定的影響，隧道兩側鋼套筒的壓入對彼此產(chǎn)生的水平位移有抵消作用。對于隧道兩側均存在樁基施工的情況，采用兩側同時對稱施工鋼套筒的施工順序，對鄰近地鐵產(chǎn)生的擾動較小。

3) 鋼套筒?土界面的黏聚力與摩擦角對鄰近地鐵的變形影響較大，隧道位移量對這兩個參數(shù)的變化十分敏感，總體變形隨著界面黏聚力和摩擦角的增大而顯著提高。實際工程中，可以通過改善鋼套筒與周圍土體的接觸條件，在鋼套筒與土體之間注水或添加潤滑劑，減小鋼套筒旋進過程中受到的側摩阻力，降低緊鄰地鐵結構所受到的擾動。

[1] 丁智,張霄.樁基施工對鄰近既有地鐵隧道影響的數(shù)值分析[J].中南大學學報(自然科學版),2019,50(2): 390?399.(DING Zhi, ZHANG Xiao. Numerical analysis of influence of pile foundation construction on adjacent metro tunnel[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2019, 50(2): 390?399. (in Chinese))

[2] 徐云福,王立峰.近鄰樁基施工對城市地鐵隧道的影響分析[J].巖土力學,2015,36(S2):577?582.(XU Yun-fu, WANG Li-feng. Analysis of effects on city metro tunnel due to adjacent pile foundation construction[J]. Rock and Soil Mechanics,2015,36(S2):577?582.(in Chinese))

[3] 王永才.全回轉全套管鉆機成樁施工技術[J].石家莊鐵道大學學報(自然科學版),2014,27(S1):239?241. (WANG Yong-cai.Pile construction technology for full- rotation and full-casing drilling rig[J].Journal of Shijiazhuang Tiedao University (Natural Science Edition), 2014, 27(S1): 239? 241.(in Chinese))

[4] 張超,楊龍才,黃大維,等.鋼套管施工對地鐵隧道影響分析及變形控制研究[J].巖石力學與工程學報,2013, 32(S2):3584?3591.(ZHANG Chao, YANG Long-cai, HUANG Da-wei,et al.Effect of steel casing construction on metro tunnel and deformation control[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013, 32(S2): 3584?3591.(in Chinese))

[5] 鄧指軍.鋼套筒壓入對鄰近地鐵隧道的影響分析[J].施工技術,2011,40(13):77?79.(DENG Zhi-jun.Analysis on influence of steel sleeve indentation on adjacent metro tunnel[J].Construction Technology,2011,40(13):77?79.(in Chinese))

[6] 王改,王宏濤,陳自海,等.全套管全回轉鉆樁基施工對運營地鐵隧道的影響研究[J].隧道建設,2018,38(S2): 318? 323.(WANG Gai,WANG Hong-tao,CHEN Zi-hai, et al. Research on influence of construction of pile foundation by full-sleeve rotary drilling rig on existing operation metro tunnel[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(S2): 318?323.(in Chinese))

[7] 吉茂杰,劉國彬.開挖卸荷引起地鐵隧道位移預測方法[J].同濟大學學報(自然科學版),2001,29(5):531?535.(JI Mao-jie,LIU Guo-bin.Prediction method of displacement of subway tunnel due to excavation[J].Journal of Tongji University (Natural Science), 2001, 29(5): 531?535. (in Chinese))

[8] 吳懷忠,王汝恒,張桂富,等.土與結構接觸面的本構關系與數(shù)值模擬[J].四川建筑科學研究,2007,33(5):88?90. (WU Huai-zhong,WANG Ru-heng,ZHANG Gui-fu,et al. The stress and strain connection and mathematic model for soil and structure interfaces[J].Sichuan Building Science,2007,33(5):88?90.(in Chinese))

[9] 邱瑞成,艾健森.基于FLAC3D的單樁靜載模擬樁土接觸面參數(shù)敏感性研究[J].路基工程,2019(2):164?169.(QIU Rui-cheng, AI Jian-sen. FlAC3D-based study on sensitivity of pile-soil interface parameters by static load test of single pile[J]. Subgrade Engineering, 2019(2): 164?169.(in Chinese))

[10] 岳晨雨,馬震岳,王偉,等.接觸單元在樁?土接觸模擬中的應用研究[J].黑龍江大學工程學報,2015,6(3): 1?5. (YUE Chen-yu, MA Zhen-yue, WANG Wei, et al. Application of the interface elements between pile and soil[J].Journal of Engineering of Heilongjiang University, 2015,6(3):1?5.(in Chinese))

Finite element analysis of the influence of steel sleeve pressing on adjacent subway

YANG Ji-xin1, WANG Yao-dong1, ZHANG Zhan-biao2, MA Xu-chao3

(1.School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2.Central and Southern China Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Wuhan 430010, China;3.Yunnan Construction infrastructure investment Co., Ltd., Kunming 650501,China)

In order to investigate the impact of disturbance of the steel sleeve on adjacent subway during the construction of the pile foundation, the finite element software MIDAS GTS was used to simulate the press-in process of steel sleeve. The influence of construction sequence and the interface parameter of steel sleeve and soil on the deformation of the subway was analyzed. The results show that, the deformation of the adjacent subway caused by the press-in of steel sleeve is permitted and accepted, the full-sleeve caisson pile is a suitable pile foundation near subway. The impact of construction disturbance on adjacent subway can be decreased, when the steel sleeve is constructed symmetrical on the both side of the tunnel. The displacement of the subway structure is sensitive to the friction angle and cohesion of the interface unit of steel sleeve and soil. The deformation of the subway tunnel increases significantly with the increase of those parameters. The adverse effect of steel sleeve construction on tunnel can be reduced, when the interface parameter of steel sleeve and soil was improved.

full-sleeve caisson pile; near subway; finite element; interface parameter

U 457+.6；TU473.1+2

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0014 ? 06

2020?06?06

楊吉新(1964?)，男，武漢理工大學教授。