群樁施工對(duì)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(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

近年來(lái)，鄰近地鐵隧道橋梁建設(shè)工程越來(lái)越多，橋梁群樁施工引起地層位移，進(jìn)而對(duì)地鐵隧道形成擾動(dòng)，引起隧道結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化。對(duì)位移規(guī)律開(kāi)展研究，確保樁基工程順利實(shí)施對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

已有文獻(xiàn)主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值分析方法對(duì)樁基施工時(shí)鄰近地鐵隧道位移規(guī)律開(kāi)展研究。徐云福等[1]開(kāi)展了單樁全套管旋挖施工對(duì)緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵隧道影響的試驗(yàn)研究，監(jiān)測(cè)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(duì)地鐵隧道位移的影響。樓曉明等[2-3]開(kāi)展了高層建筑物樁基施工對(duì)鄰近隧道位移和內(nèi)力的影響研究。莊妍等[4]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究了全套管灌注樁施工時(shí)的土體位移發(fā)展過(guò)程，表明盾構(gòu)隧道處于安全工作狀態(tài)。鄧指軍[5]對(duì)位于地鐵上部的樁基施工引起的隧道變形問(wèn)題開(kāi)展了研究，表明鄰近隧道的鋼套管旋轉(zhuǎn)壓入施工可導(dǎo)致盾構(gòu)管片變形，采用跳樁施工以及布置泄壓孔可減小對(duì)隧道的影響。丁智等[6]依托試樁試驗(yàn)，研究了樁基施工過(guò)程及完工后地層沉降對(duì)鄰近隧道的影響規(guī)律。路平等[7]采用有限元分析方法，對(duì)樁基施工引起的隧道內(nèi)力和形變進(jìn)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(guò)程對(duì)鄰近隧道位移和內(nèi)力的影響，表明鉆孔過(guò)程影響較小，混凝土澆注過(guò)程對(duì)隧道影響較大。閆靜雅等[9-10]利用數(shù)值分析方法開(kāi)展的研究表明，隨著樁間距及樁隧凈距的增大，樁基施工對(duì)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(duì)隧道的影響，要遠(yuǎn)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?qū)︵徑扔兴淼赖挠绊懀o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(chǔ)施工工況對(duì)鄰近隧道的影響，表明群樁至隧道的距離對(duì)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(duì)鄰近隧道的影響，而對(duì)群樁施工的影響研究成果較少，特別是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果開(kāi)展的研究更少，還沒(méi)有形成規(guī)律性認(rèn)識(shí)。杭州市一高架橋上跨地鐵 1號(hào)線和4號(hào)線，橋梁的群樁基礎(chǔ)鄰近地鐵隧道，本文采用工程實(shí)測(cè)和 ABAQUS三維有限元分析兩種方法，對(duì)群樁施工引起的隧道群位移開(kāi)展研究。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

地層柱狀圖見(jiàn)圖 1。地層主要由雜填土、素填土、塘泥、暗塘土、砂質(zhì)粉土、粉砂夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、圓礫、中細(xì)砂、含圓礫粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等組成，高架橋選擇⑨3層中風(fēng)化泥質(zhì)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。孔隙潛水主要賦存于淺部粉、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(duì)隔水層。基巖裂隙水賦存于第四系土層下部的風(fēng)化裂隙內(nèi)，對(duì)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(guān)系

杭甬高速公路抬升工程主線高架橋第七聯(lián) 23號(hào)、24號(hào)墩位于運(yùn)營(yíng)地鐵1號(hào)線兩側(cè)，每個(gè)樁群由12根直徑1.8 m單樁構(gòu)成，樁長(zhǎng)67.3～67.9 m，共計(jì)24根樁。群樁與地鐵隧道的平面關(guān)系見(jiàn)圖2。23號(hào)墩的群樁基礎(chǔ)離1號(hào)線右線管片外緣的最小距離為13.22 m，24號(hào)墩群樁基礎(chǔ)離1號(hào)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(duì)隧道的擾動(dòng)，采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔，每根樁基施工順序?yàn)閴喝脘撎坠堋⒊鐾梁凸嘧⒒炷粒?4根樁基主要工序的施工組織見(jiàn)表1所示。

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

樁基施工需保護(hù)的地鐵設(shè)施為地鐵1號(hào)線左線和右線、1號(hào)線出段線、4號(hào)線的出線段和入段線，共計(jì)5條地鐵線路，見(jiàn)圖3所示。

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

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在隧道中選擇距群樁最近的斷面布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)群樁施工過(guò)程中隧道水平位移和豎向位移。這些測(cè)點(diǎn)位于斷面的側(cè)壁，是監(jiān)測(cè)斷面上離群樁最近的位置。1號(hào)線的左線和出段線、4號(hào)線出段線選取離24號(hào)群樁最近的點(diǎn)，1號(hào)線右線和4號(hào)線入段線選取離23號(hào)群樁最近的點(diǎn)，觀測(cè)斷面位置見(jiàn)圖4，測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖5。采用徠卡TM50型測(cè)量機(jī)器人并組成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)位移。

圖4 位移測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(wèn)題簡(jiǎn)化，根據(jù)地層構(gòu)成情況，將相近地層合并，模型共設(shè)7個(gè)土層，其物理力學(xué)取值見(jiàn)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(cè)邊界水平方向位移設(shè)置為零（UX=0，UY=0），在模型底部邊界設(shè)定豎向位移為零（UZ=0），模型頂部表面設(shè)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(shí)際工程的鉆孔灌注樁施工工序，在數(shù)值分析時(shí)將單樁施工分為壓入鋼套管、出土-泥漿護(hù)壁、混凝土灌注、混凝土硬化4個(gè)步驟。壓入鋼套管工序模擬時(shí)，將鋼套管X和Y兩個(gè)方向的位移設(shè)為零，即UX=0，UY=0，并將下壓深度值設(shè)為向下的位移；通過(guò)單元生死功能模擬出土工序，即將土體單元進(jìn)行移除，出土的同時(shí)設(shè)置靜水壓力模擬泥漿護(hù)壁工序，泥漿的重度設(shè)為12 kN/m3；混凝土灌注過(guò)程等效為靜水壓力，灌注混凝土的重度設(shè)為24 kN/m3；通過(guò)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(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值分析模型上選取與現(xiàn)場(chǎng)相同的監(jiān)測(cè)斷面和觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)其位移進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4和圖5所示。為了便于分析，定義位移數(shù)據(jù)的正負(fù)，水平位移以靠近最近的樁基為正，反之為負(fù)，隧道以上浮位移為正，沉降為負(fù)。考慮樁基施工時(shí)間較短（37 d），淤泥質(zhì)土層來(lái)不及固結(jié)，故在本次模擬分析中沒(méi)有考慮流固耦合作用。

（1）水平位移分析

將工程實(shí)測(cè)和有限元模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到水平位移的發(fā)展過(guò)程，見(jiàn)圖6。從圖6可見(jiàn)，在樁基施工過(guò)程中，在水平方向上各條隧道發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)方向總體是離開(kāi)鄰近的樁基，期間有離開(kāi)和靠近的波動(dòng)。1號(hào)線左線、1號(hào)和 4號(hào)線出段線的水平位移方向是離開(kāi)24號(hào)樁基，1號(hào)線右線和4號(hào)線入段線的水平位移方向是離開(kāi)23號(hào)樁基。6月22日前，各測(cè)點(diǎn)的位移增長(zhǎng)較緩慢，之后增長(zhǎng)較快。這與樁基每日的施工數(shù)量有關(guān)，由表1可見(jiàn)，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(dǎo)致對(duì)地層和地鐵隧道的擾動(dòng)程度加劇，于是出現(xiàn)了6月 22日前位移增長(zhǎng)較為緩慢，而后增長(zhǎng)較快的現(xiàn)象。

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

由圖6可見(jiàn)，有限元分析獲得的水平位移數(shù)據(jù)與工程實(shí)測(cè)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(jiàn)，數(shù)值分析得到的水平位移隨著施工進(jìn)展增長(zhǎng)較為平緩，而工程實(shí)測(cè)曲線波動(dòng)幅度較大，這可能和項(xiàng)目工地的施工設(shè)備移位、社會(huì)車輛通行、出土和堆土情況有關(guān)。

由圖6可見(jiàn)，工程實(shí)測(cè)和有限元分析數(shù)據(jù)都說(shuō)明，隧道群埋深越大，水平位移越大。各測(cè)點(diǎn)的水平位移較小，大部分測(cè)點(diǎn)水平位移均處于預(yù)警范圍之內(nèi)（2 mm），全部小于報(bào)警值（4 mm）。

（2）豎向位移分析

將工程實(shí)測(cè)和有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到豎向位移的發(fā)展過(guò)程，見(jiàn)圖7。

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

由圖7可見(jiàn)，各隧道測(cè)點(diǎn)豎向位移總體上都是沉降，期間存在上浮和下沉的波動(dòng)，與水平位移相似，6月22日之前豎向位移增長(zhǎng)緩慢，之后增長(zhǎng)較快。有限元分析獲得的豎向位移數(shù)據(jù)與工程實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)曲線波動(dòng)幅度更大。從圖7可見(jiàn)，工程實(shí)測(cè)和有限元分析數(shù)據(jù)都說(shuō)明，隧道埋深越大，沉降越小。各測(cè)點(diǎn)的豎向位移較小，全部測(cè)點(diǎn)水平位移均處于預(yù)警范圍（3 mm）之內(nèi)。

圖 6和圖 7中實(shí)測(cè)的隧道水平位移和豎向位移存在波動(dòng)（回彈）現(xiàn)象，這與群樁施工期間每天施工流程有關(guān)。由表1可見(jiàn)，施工內(nèi)容包括壓管、出土、灌注混凝土等，每個(gè)工序?qū)λ淼牢灰拼嬖谟绊懀煌ば虻挠绊懸泊嬖隈詈献饔茫瑢?dǎo)致隧道的位移過(guò)程極為復(fù)雜，出現(xiàn)了圖6和圖7中的位移波動(dòng)現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

（1）工程實(shí)測(cè)及有限元分析都表明，隧道群的水平移動(dòng)趨勢(shì)表現(xiàn)為離開(kāi)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(zhǎng)量與當(dāng)日樁基完成數(shù)量密切相關(guān)，完成數(shù)量少，隧道位移增長(zhǎng)緩慢，數(shù)量多則位移增長(zhǎng)較快。

（4）各測(cè)點(diǎn)的水平位移和豎向位移均較小，測(cè)點(diǎn)位移處于預(yù)警范圍之內(nèi)，全部小于報(bào)警值，說(shuō)明全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔群樁施工對(duì)隧道擾動(dòng)較小。