地下室基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力管樁施工對某既有隧道的影響研究

譚黎明

(國家林業(yè)局和草原局 西南調(diào)查規(guī)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(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生很大變化[1]。離樁體一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)、密度及含水率改變將導(dǎo)致土的物理力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生改變[2]。其影響主要表現(xiàn)為:沉樁時(shí),由于樁周土層被壓密并擠開,使土體產(chǎn)生垂直方向的隆起和水平方向的側(cè)向位移,引起已壓入的樁上浮,樁端被“懸空”,使樁的承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;也會造成樁位偏移和樁身撓曲折斷等質(zhì)量事故,并可使相鄰建筑物和市政設(shè)施發(fā)生不均勻變形甚至損壞[3]。

沉樁擠土效應(yīng)的影響會波及到沉樁范圍外一定距離。通過對模型樁和實(shí)際工程沉樁過程的觀察發(fā)現(xiàn),沉樁過程中樁尖土的形變類似于球形孔擴(kuò)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(kuò)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(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域:A區(qū)(強(qiáng)烈重塑區(qū)),緊貼樁身,在打樁過程中經(jīng)歷了大位移,且由于拖拽可能導(dǎo)致上下錯(cuò)位[5],結(jié)構(gòu)完全破壞;B區(qū)(塑性區(qū)),受沉樁影響嚴(yán)重,土體產(chǎn)生大位移和塑性變形,但不至于導(dǎo)致上下錯(cuò)位;C區(qū)(彈性區(qū)),雖受沉樁的影響,但土體保持彈性變形[6]。孔隙水壓力和側(cè)壓力雖不大,但仍然可以觀察到;D區(qū),該區(qū)不受沉樁的影響[6]。

圖1 樁周土體主要位移圖示和分區(qū)

1 項(xiàng)目概況

1.1 新建項(xiàng)目概況

新建項(xiàng)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(shè)計(jì)深度3.85～4.35m,采用土釘墻支護(hù),注漿采用二次高壓注漿工藝,放坡為1:0.5～1:0.75,設(shè)置2排土釘。

C1地塊地下室基礎(chǔ)主要采用預(yù)應(yīng)力管樁,樁直徑為0.5m。根據(jù)地質(zhì)資料,預(yù)估樁長為12m,樁端要求進(jìn)入持力層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)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(jié)構(gòu),雙孔最小間距18m,單孔寬均為11m,凈高7m,每孔設(shè)置單向兩車道,設(shè)計(jì)時(shí)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(jù)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(hù),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(cè)采用咬合旋噴樁止水,樁徑600mm,樁間距400mm,進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化礫巖1m。

1.3 新建項(xiàng)目與既有隧道的位置關(guān)系

C1地塊地下室外墻樁(計(jì)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(guān)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(guān)系圖

圖3 C1地塊建筑與既有隧道立面位置關(guān)系圖(單位:mm)

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

2 沉樁時(shí)樁周土體的塑性區(qū)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(qiáng)度準(zhǔn)則;

(4)小孔擴(kuò)張前,土體具有各向等同的有效應(yīng)力。

2.2 塑性區(qū)半徑

根據(jù)小孔擴(kuò)張理論,設(shè)小孔擴(kuò)張半徑為r,在四周形成一個(gè)應(yīng)力影響區(qū)如圖4所示。

圖4 圓柱小孔擴(kuò)張示意圖

圖4中:R為塑性區(qū)半徑;r為擴(kuò)張小孔的半徑,即樁的半徑。

根據(jù)應(yīng)力平衡可計(jì)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(qiáng)度(kPa)。

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

3 某項(xiàng)目地下室預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)施工影響范圍計(jì)算

某項(xiàng)目C1地塊地下室及裙樓基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁。根據(jù)地質(zhì)資料,設(shè)計(jì)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(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,樁端進(jìn)入持力層內(nèi)的深度為1.0m,基坑開挖深度32.5m-28.15m=4.35m。根據(jù)地層情況,可得出樁長范圍內(nèi)土層情況如表1所示。

表1 樁長范圍內(nèi)地層土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)式(1)計(jì)算得到各個(gè)土層在沉樁過程中塑性區(qū)半徑如表2所示。

表2 某項(xiàng)目地下室基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力管樁施工塑性區(qū)半徑計(jì)算表

4 預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)施工對既有隧道的影響距離分析

根據(jù)C1地塊地下室基礎(chǔ)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(xiàng)目C1地塊地下室基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力管布置圖(單位:mm)

結(jié)合表2計(jì)算結(jié)果得知,第一、二排預(yù)應(yīng)力管樁11.5～13m深度范圍的樁周土體的塑性區(qū)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(yù)應(yīng)力管樁施工的擠壓影響。但由于隧道施工時(shí)遺留下來的支護(hù)樁和止水帷幕對預(yù)應(yīng)力管樁的施工影響的遮攔和屏障作用,預(yù)應(yīng)力管樁施工時(shí)通過土體向隧道傳遞的側(cè)向擠壓力及影響將得到弱化。

建議將靠近隧道的兩排預(yù)應(yīng)力管樁改為螺旋鉆孔灌注樁,避免預(yù)應(yīng)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(chǎn)生不利影響。同時(shí)在施工靠近隧道的其他預(yù)應(yīng)力管樁時(shí),設(shè)置減震溝、應(yīng)力釋放孔,并合理控制施工速度,從而使沉樁擠土效應(yīng)的不良影響得到減小。

5 結(jié)語

(1)預(yù)應(yīng)力管樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)分析表明,C1地塊地下室基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)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(xiàn)在地下以下11.5～13m樁長范圍?？紤]到既有隧道施工時(shí)遺留下來的支護(hù)樁和止水帷幕對后續(xù)施工預(yù)應(yīng)力管樁的屏障作用,預(yù)應(yīng)力樁施工產(chǎn)生的超凈孔隙水壓力和水平擠壓力對隧道結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力管樁改為非擠土樁,可避免預(yù)應(yīng)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(chǎn)生不利影響。對靠近隧道的其他預(yù)應(yīng)力管樁施工時(shí),建議設(shè)置減震溝、應(yīng)力釋放孔,并合理控制施工速度,從而使沉樁擠土效應(yīng)的不良影響減到最小。