地下室基礎預應力管樁施工對某既有隧道的影響研究

譚黎明

(國家林業局和草原局 西南調查規劃院 昆明市 650031)

0 引 言

樁周土體在沉樁過程中,受到徑向擠壓和豎向剪切作用,應力應變狀態發生很大變化[1]。離樁體一定范圍內的土體結構、密度及含水率改變將導致土的物理力學性質也發生改變[2]。其影響主要表現為:沉樁時,由于樁周土層被壓密并擠開,使土體產生垂直方向的隆起和水平方向的側向位移,引起已壓入的樁上浮,樁端被“懸空”,使樁的承載力達不到設計要求;也會造成樁位偏移和樁身撓曲折斷等質量事故,并可使相鄰建筑物和市政設施發生不均勻變形甚至損壞[3]。

沉樁擠土效應的影響會波及到沉樁范圍外一定距離。通過對模型樁和實際工程沉樁過程的觀察發現,沉樁過程中樁尖土的形變類似于球形孔擴張引起的形變;而在除樁尖和地面附近絕大部分樁身周圍,土的形變類似于圓柱形孔擴張引起的形變[4]。圖1給出了沉樁過程中土體主要位移圖示及樁周土中所形成的幾個性質不同的區域:A區(強烈重塑區),緊貼樁身,在打樁過程中經歷了大位移,且由于拖拽可能導致上下錯位[5],結構完全破壞;B區(塑性區),受沉樁影響嚴重,土體產生大位移和塑性變形,但不至于導致上下錯位;C區(彈性區),雖受沉樁的影響,但土體保持彈性變形[6]。孔隙水壓力和側壓力雖不大,但仍然可以觀察到;D區,該區不受沉樁的影響[6]。

圖1 樁周土體主要位移圖示和分區

1 項目概況

1.1 新建項目概況

新建項目C1地塊擬建5棟高層建筑,其中1#棟、2#棟緊鄰既有過江隧道。

C1地塊基坑設計深度3.85～4.35m,采用土釘墻支護,注漿采用二次高壓注漿工藝,放坡為1:0.5～1:0.75,設置2排土釘。

C1地塊地下室基礎主要采用預應力管樁,樁直徑為0.5m。根據地質資料,預估樁長為12m,樁端要求進入持力層強風化泥質砂巖1.0m。

1.2 既有隧道概況

既有隧道為南北走向的并行雙孔結構,雙孔最小間距18m,單孔寬均為11m,凈高7m,每孔設置單向兩車道,設計時速50km/h。隧道全長1910m,暗埋段長1400m,敞開段長510m,臨近C1地塊的隧道頂埋深10.12～17.94m。

根據隧道竣工資料得知,該段隧道為明挖法施工,隧道施工基坑采用Φ800mm的鉆孔樁+土釘墻圍護,鉆孔灌注樁長14.2m,樁間距為1m,采用C30水下混凝土;鉆孔灌注樁外側采用咬合旋噴樁止水,樁徑600mm,樁間距400mm,進入強風化礫巖1m。

1.3 新建項目與既有隧道的位置關系

C1地塊地下室外墻樁(計為第一排樁)距離隧道外墻水平距離在8.843～10.475m之間,第二排樁(靠近地下室外墻最近的一排樁,以下依次類推) 距離隧道外墻水平距離在13.371～14.160m之間。第三排樁距離隧道外墻水平距離在21.5m左右。第四排樁距離隧道外墻水平距離在28.0m左右。C1地塊地與既有隧道平面及立面位置關系如圖2、圖3所示。

圖2 C1地塊建筑與既有隧道平面位置關系圖

圖3 C1地塊建筑與既有隧道立面位置關系圖(單位:mm)

圖3中:(1)隧道在C1區西側采用明挖法,隧道埋深10.12～17.94m;(2)隧道支護形式為:絕對標高28.5m以上采用1:1.25放坡,絕對標高18.5～28.5m采用“旋挖灌注樁+內支撐+止水帷幕樁”支護體系,絕對標高18.5m以下采用土釘墻支護,坡率為1:0.3;(3)支護樁采用旋挖灌注樁,設計樁長14.2m,樁徑800mm,樁間距1000mm,主筋為16Φ28,樁頂標高為28.5m(相對基坑深度-4.1m);(4)內支撐在隧道施工完畢后,隨回填逐步拆除;(5)土釘墻位于風化巖,對本工程無影響。

2 沉樁時樁周土體的塑性區影響范圍

2.1 基本假定

(1)土是均勻且各向同性的理想彈性材料;

(2)飽和粘性土是不可壓縮的;

(3)土體屈服不受靜水壓力的影響,滿足庫倫-爾強度準則;

(4)小孔擴張前,土體具有各向等同的有效應力。

2.2 塑性區半徑

根據小孔擴張理論,設小孔擴張半徑為r,在四周形成一個應力影響區如圖4所示。

圖4 圓柱小孔擴張示意圖

圖4中:R為塑性區半徑;r為擴張小孔的半徑,即樁的半徑。

根據應力平衡可計算出R/r,如式(1)所示:

(1)

式中:E為土的彈性模量(MPa);v為土的泊松比,不排水條件下取0.5;Cu為土的不排水抗剪強度(kPa)。

從式(1)中可以看出,影響范圍不但與樁徑有關,也與土的剛性指標有關。塑性區的半徑與擴張孔半徑之比R/r與土的剛度指標E/Cu有關。E/Cu值越大,塑性區的半徑與擴張孔半徑之比也越大,相應的塑性區半徑也越大。

3 某項目地下室預應力管樁基礎施工影響范圍計算

某項目C1地塊地下室及裙樓基礎采用預應力管樁。根據地質資料,設計樁長定為L=12m。樁徑0.5m,壁厚0.125m,采用封底十字刃樁靴。樁端持力層為強風化泥質粉砂巖,樁端進入持力層內的深度為1.0m,基坑開挖深度32.5m-28.15m=4.35m。根據地層情況,可得出樁長范圍內土層情況如表1所示。

表1 樁長范圍內地層土體的物理力學性質指標

根據式(1)計算得到各個土層在沉樁過程中塑性區半徑如表2所示。

表2 某項目地下室基礎預應力管樁施工塑性區半徑計算表

4 預應力管樁基礎施工對既有隧道的影響距離分析

根據C1地塊地下室基礎樁基定位圖,如圖5所示。第一排樁(地下室外墻樁)距離隧道外墻水平距離在8.843～10.475m之間,第二排樁(靠近地下室外墻最近的一排樁,以下依次類推) 距離隧道外墻水平距離在13.371～14.160m之間。第三排樁距離隧道外墻水平距離在21.5m左右。第四排樁距離隧道外墻水平距離在28.0m左右。該既有隧道在臨近C1地塊段的隧道頂埋深為10.12～17.94m。

圖5 某項目C1地塊地下室基礎預應力管布置圖(單位:mm)

結合表2計算結果得知,第一、二排預應力管樁11.5～13m深度范圍的樁周土體的塑性區半徑20.41m大于樁與隧道外墻的間的距離,即隧道在此深度范圍將受到預應力管樁施工的擠壓影響。但由于隧道施工時遺留下來的支護樁和止水帷幕對預應力管樁的施工影響的遮攔和屏障作用,預應力管樁施工時通過土體向隧道傳遞的側向擠壓力及影響將得到弱化。

建議將靠近隧道的兩排預應力管樁改為螺旋鉆孔灌注樁,避免預應力管樁在施工過程中形成的超靜孔隙水壓力和水平擠壓力對既有隧道產生不利影響。同時在施工靠近隧道的其他預應力管樁時,設置減震溝、應力釋放孔,并合理控制施工速度,從而使沉樁擠土效應的不良影響得到減小。

5 結語

(1)預應力管樁施工產生的擠土效應分析表明,C1地塊地下室基礎預應力管樁對既有隧道安全存在一定的不利影響,但其影響深度僅出現在地下以下11.5～13m樁長范圍。考慮到既有隧道施工時遺留下來的支護樁和止水帷幕對后續施工預應力管樁的屏障作用,預應力樁施工產生的超凈孔隙水壓力和水平擠壓力對隧道結構的影響較小。

(2)考慮既有隧道的安全需求,建議將靠近既有隧道的兩排預應力管樁改為非擠土樁,可避免預應力管樁施工過程中形成的超靜孔隙水壓力和水平擠壓力對附近地下管線和隧道產生不利影響。對靠近隧道的其他預應力管樁施工時,建議設置減震溝、應力釋放孔,并合理控制施工速度,從而使沉樁擠土效應的不良影響減到最小。