樁基施工對鄰近頂管隧道的擾動影響

卞 榮, 龍 月, 賀 雷, 閆 斌, 張 琪*

(1. 國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院, 杭州 310012； 2. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院, 上海 200240；3. 中國電力科學研究院有限公司輸變電工程研究所, 北京 102401)

隨著中國城市化建設的高速發展,地面用地日益緊張,將傳統的地上輸電線路深埋入地是解決這一問題的有效途徑。然而隨著上海等一線城市多年來地下空間的持續發展,地下空間也變得逐漸擁擠,在既有頂管電纜隧道附近進行樁基施工的情況愈發增多。靜壓樁施工會對周圍土體產生顯著影響,進而間接影響鄰近既有頂管電纜隧道。一旦隧道結構產生較大的變形、偏轉或者管節錯動等問題,就會導致滲漏或襯砌結構和道面結構層開裂、結構承載能力下降,情況嚴重時甚至會引起隧道破壞,造成巨大的經濟損失。

針對樁基施工對鄰近既有隧道的影響問題,國內外的學者依據不同的施工狀況進行了一些研究。Schroeder 等[1]利用平面應變有限元方法分析了沉樁荷載作用對已有隧道變形及受力的影響,結果表明樁基礎荷載作用于鄰近隧道單側時,隧道位移以沉降為主,隧道彎矩分布向樁基礎方向偏轉。徐濤等[2]對緊鄰地鐵隧道的高橋橋臺樁基施工過程進行數值分析,研究了樁基施工對已完成初期支護的地鐵隧道產生的影響。張偉等[3]通過數值模擬研究單樁鄰近隧道施工及承載階段對盾構隧道管片變形及內力的影響,并對樁長、樁徑及樁-隧間距進行了敏感性分析。周立波等[4]通過有限元和現場監測結合對鉆孔灌注樁施工影響鄰近電力頂管隧道變形的機理進行了探討。安建永等[5]通過模型試驗研究了不同水平、豎向相對位置處的樁基施工對附近淺埋隧道的影響。王虹波等[6]通過對工程實例的分析研究了樁徑和樁護壁方式對于鄰近隧道應力和位移的影響。

上述研究表明,在樁基施工時,鄰近樁基施工的土層的應力分布、沉降以及土中結構應力均有明顯改變。以預制樁為例,一般認為在樁基施工過程中,鄰近隧道受到預制樁擠土作用,會產生較大的橫向變形[7]。預制樁施工影響既有隧道的因素是多方面的,其中預制樁擠土量[8],預制樁樁長及樁-隧間距[9](樁基中點至隧道管片邊緣距離)是三項主要影響因素。

現通過一系列Ko固結不排水剪切試驗,得到上海某地區軟土小應變范圍土體參數,利用數值方法研究軟土地區預制樁靜壓施工對既有頂管電纜隧道的擠土效應,分析不同預制樁長(L)、樁-隧間距(DH)及預制樁擠土量(r)的工況下,樁基施工影響鄰近頂管電纜隧道變形的規律,最后基于分析結果提出了樁基施工的強、弱影響區域劃分。

1 土體本構模型與參數確定

1.1 軟黏土本構模型

1.2 土體小應變三軸試驗

所用黏土試樣取自上海市虹口區某地,利用塊狀取土法取得具有上海黏土特征的第②-3、④-1和⑥-1層的土樣進行小應變三軸剪切試驗,土體的物理力學參數見表1。試驗儀器采用裝有線性可變差動變壓器(LVDT)局部位移傳感器的三軸儀,該三軸儀軸向位移計測量分辨率達到0.3 μm[13],軸向位移計安裝示意圖如圖1所示。利用該儀器對各地層土樣進行一系列Ko固結不排水剪切試驗,獲得了土體從小應變到大應變范圍內應力應變關系,以得到上海軟土在小應變范圍的土體剛度變化規律,計算得到了土體在HSS模型中的各項參數。

表1 HSS模型下土體物理力學參數

圖1 軸向位移計安裝示意圖

1.3 本構參數確定及驗證

數值計算所采用的土體參數為基于三軸試驗得到的小應變本構模型參數。通過試驗結果得到HSS模型相關參數取值,隨后采用數值方法進行三軸試驗數值模擬,輸入三軸試驗得到的HSS模型參數,將得到的模擬結果和試驗結果進行對比,如圖2所示。由圖可知,由HSS本構計算得到結果和試驗結果基本吻合。為進一步保證土體參數的準確性,本文還將數值計算結果與賀雷等[13]提出的靜壓預制樁引起的鄰近隧道水平位移理論計算方法進行對比,結果表明單樁和排樁施工對隧道變形影響基本相同,誤差在可接受范圍內,因此,利用這些土體參數所開展的數值計算結果是可靠的。數值計算中土體的本構參數如表2所示。

表2 HSS模型本構參數

2 樁基施工對鄰近隧道影響

為了研究樁基施工對鄰近頂管電纜隧道的影響,采用Plaxis有限元軟件對樁基-土體-隧道體系進行建模計算。分層土模型采用軟黏土地區典型的上下層硬,中間層較軟的“硬-軟-硬”構造,分別對應上海軟土的第②第、④、第⑥層土,與某隧道所處地層條件是接近的,土體的參數如表2所示,樁基與電纜隧道均為C50混凝土材料,選取參數相同的彈性材料,彈性模量25 000 MPa,泊松比0.15。建立二維的數值模型,模型尺寸為120 m×40 m。頂管電纜隧道采用上述隧道尺寸,外徑Dt=3.54 m,內徑3.0 m,埋深10.5 m；樁頂標高0 m,樁長25 m,樁徑為0.8 m,如圖3所示。模型頂面為自由邊界,其余邊界受法向約束。

圖3 2D計算模型網格圖

圖4為樁基施工引起的隧道周圍土體位移云圖,可以看出樁基施工對樁周土的擾動最大,土體位移云圖基本呈倒三角形分布,隧道在施工擠土效應影響下朝著遠離樁的方向發生位移。圖5(a)為隧道變形結果,隧道在樁基施工條件下會發生橫向和豎向的變形,且兩個方向變形量的最大值在不同的位置。同時由于隧道拱頂和拱底的位移量不同,隧道發生了一定程度的偏轉[14]。分別進行樁-隧間距0.5Dt/1Dt/2Dt三種情況下隧道變形分析,統計各樁-隧間距下的隧道的最大變形量(Umax),最大橫向變形量(Uxmax)以及最大豎向變形量(Uymax),如圖5(b)所示。由圖可知,樁-隧間距較小時隧道以橫向變形為主,間距較大時橫向和豎向變形量占比差別不大。隨著樁-隧間距的增大,隧道的最大變形量和最大豎向變形量都在減小,但是其最大橫向變形量在增加,三者基本呈線性變化。這是因為施工過程中,樁身由于摩擦對周圍土體產生很大的豎向剪切作用,而豎向剪切作用隨樁-隧間距增大很快發生衰減,但是隧道的橫向位移是由于樁基施工的擠土效應導致的,其影響效應基本不會隨樁-隧間距的增大發生變化。

圖4 2D單樁模型計算位移云圖

圖5 2D單樁隧道變形計算結果

采用二維模型研究樁基施工對鄰近頂管電纜隧道的影響時,并沒有對相應參數進行折減,因此其影響結果更接近于三維情況下的排樁情況。為了驗證計算結果的準確性,進一步建立三維排樁模型進行對比分析。模型尺寸為100 m×40 m×36 m,布置1×10群樁,樁間距為1 m,隧道和樁的其余尺寸材料與2D工況保持一致,土層參數如表1和表2所示,分析樁基施工對隧道變形的影響,來探究在平行隧道方向對隧道產生擾動的群樁施工范圍。數值模型及群樁布置情況如圖6所示。

圖6 平行隧道方向群樁對隧道擾動施工范圍計算模型

將群樁計算結果按樁基施工順序輸出,計算結果如圖7所示。由圖7中可以看出,隨著群樁的施工,隧道變形量逐漸積累,但是變形量增加幅度逐漸放緩,即后續施工樁基對隧道最大變形量的影響逐漸減小。同時也可以看出隨著樁-隧間距的增大,隧道最大變形變小,與前文2D計算結果類似。圖8為3D模型排樁與2D模型隧道最大變形的對比結果,可以看出2D和3D不同樁-隧間距工況下隧道最大變形量計算結果差別不大。

圖7 3D群樁隧道變形量計算結果

圖8 2D單樁與3D群樁隧道最大變形量對比圖

3 樁土參數影響分析

基于2D模型對樁長,樁-隧間距和擠土量對隧道變形的影響進行分析。模型尺寸、樁基和隧道尺寸材料參數與前文2D工況保持一致,土層參數如表1和表2所示。為了更好地對比各個參數對隧道變形的影響,設置了標準模型。標準模型參數為樁長L=25 m,樁-隧間距DH=7 m,擠土量r=40 cm。各工況設置如表3所示。

表3 2D模型工況設置

3.1 樁長對隧道變形的影響

樁長工況隧道變形量計算結果如圖9所示。樁長逐漸增大,土體擾動范圍也隨之增大,頂管電纜隧道埋深雖然保持不變,但其與樁基的相對位置是在變化的。由圖9可知,隨著樁長的增大,頂管電纜隧道的總變形也是增大的,當樁長小于頂管電纜隧道埋深時,隧道變形增長較快,且隧道變形以橫向變形為主；當樁長超過隧道埋深時,隧道變形增長較慢,且接近線性增長,最大豎向變形始終保持較大的增長幅度。隧道的最大橫向變形量在樁長接近隧道埋深時達到最大值,這是因為在這個位置深度時,隧道位于樁基底部,樁底會出現應力集中現象,導致隧道擠壓效果顯著[15]。

圖9 樁長對隧道變形影響關系圖

3.2 樁-隧間距對隧道變形的影響

樁-隧間距隧道變形量計算結果如圖10所示。由圖10可以看出,隨著距離的增大,鄰近樁基施工對既有頂管電纜隧道的擾動從總變形來看是逐漸減小的,側邊距為2.8 m時,總位移量為15 mm,與變形安全限值相同[16],側邊距繼續增大,總位移量要小于15 mm。距離較近時,隧道位移以豎向位移為主,距離增大的過程中,豎向位移明顯減小,而橫向位移變化較小,過渡到以橫向位移為主。這是因為施工過程中,樁身由于摩擦對周圍土體產生很大豎向剪切作用,豎向剪切作用隨間距增大衰減很快,而橫向的擠土效應衰減不明顯。

圖10 樁-隧間距對隧道變形影響關系圖

3.3 擠土量對隧道變形的影響

擠土量隧道變形量計算結果如圖11所示。隨著樁基擠土量的增大,對鄰近頂管電纜隧道造成的豎向、橫向和總擾動位移也逐漸增大,且總位移,橫向位移和豎向位移近似呈線性變化。

圖11 擠土量對隧道變形影響關系圖

4 樁基施工保護距離

前述結果表明樁長、樁-隧間距以及樁擠土量對隧道擾動位移均有明顯影響。圖12展示了不同樁長條件下,對土體的影響范圍。

圖12 不同樁長施工對土體擾動范圍

總體來看,樁基施工對土體的擾動范圍曲線較為復雜,沒有呈現簡單統一的規律。但通過歸納對比發現土體的擾動在淺部土層中明顯要大于中部土層,當樁長<20 m時,樁基底部土體的擾動較小；當樁長≥20 m時,樁基底部土體擾動量有很明顯增長,這是由于第三層黏土層偏軟?？紤]到頂管電纜隧道的埋深一般不會達到20 m,因此著重分析施工過程中上部土層的擾動位移發展規律。根據前文計算結果,埋深為10.5 m(3Dt)頂管電纜隧道,與樁基側邊距為3 m(0.86Dt)時,擾動位移達到15 mm變形安全限值,側邊距為9.5 m(2.71Dt)時,擾動位移為5 mm,可以此作為樁基施工對埋深較大頂管電纜隧道的影響區域,為保證安全和便于工程實際應用,可進一步取強影響區范圍為1Dt,弱影響區范圍3Dt。當樁長<2Dt時,擾動位移約為埋深在2Dt～6Dt時的1.5倍,故建議取強影響區范圍為1.5Dt,弱影響區范圍4Dt,以便實際應用。日本近距離施工指南中還考慮了樁徑DP/群樁樁臺寬度的影響,本文也對其進行了一定的參考。

綜上,既有頂管電纜隧道的變形受到樁基的樁長、擠土量和樁-隧間距三個因素共同控制。結合15 mm和5 mm控制變形的依據[16],對樁基施工提出如下控制標準,將樁基施工對既有隧道的影響劃分為2個范圍,即強影響區域(該區域中頂管電纜隧道位移將超過變形限值15 mm)和弱影響區域(頂管電纜隧道位移達到5 mm),得出鄰近擠土樁施工時隧道影響區域范圍圖(圖13)和表4。

表4 鄰近樁基條件下頂管電纜隧道安全保護范圍

5 結論

鄰近樁基施工對既有頂管電纜隧道會產生一定擾動位移,而不同的樁基施工形式也會對樁基周圍土體造成不同的影響。

(1)在2D模型中計算單樁施工對隧道變形的影響時,樁基施工導致隧道變形近似于平面問題,隧道越靠近樁身,受到的擾動位移越大,且以豎向位移為主,這是由于樁基施工過程摩擦作用引起較強豎向剪切導致的。在3D工況平行于隧道方向的單排樁基施工過程中,其對隧道的影響與2D工況下單樁施工影響差別不大

(2)基于2D模型可發現,隧道總變形和豎向變形隨樁長的增大而增大,橫向變形在樁長等于隧道埋深時達到最大值；隧道總變形和豎向變形隨樁-隧間距的增大而減小,橫向變形基本沒有什么變化；隧道總變形,橫向和豎向變形都隨著擠土量的增大而增大,且近似線性增長。

(3)在不同樁長、擠土量和樁-隧間距的施工條件下,同時考慮樁徑Dp鄰近隧道保護區范圍可根據不同的樁長來劃分。當樁長小于2倍隧道外徑Dt時,強影響區域范圍為max(1.5Dt,4.5Dp),弱影響區域范圍為max(4Dt,8Dp)；當樁長位于(2Dt,6Dt)范圍時,強影響區域范圍為max(Dt,3Dp),弱影響區域范圍為max(3Dt,6Dp)。