章 磊 韓愛民

(南京工業(yè)大學交通學院,210009,南京∥第一作者,碩士研究生)

隔離樁對隧道側(cè)穿鄰近建筑物的沉降影響分析

章 磊 韓愛民

(南京工業(yè)大學交通學院,210009,南京∥第一作者,碩士研究生)

地鐵隧道開挖會引起周邊建構(gòu)筑物的沉降及變形,影響建構(gòu)筑物的安全與正常使用?；谀车罔F新建盾構(gòu)隧道側(cè)穿鄰近淺基建筑物工程,介紹了隔離樁的減沉機理,并通過三維數(shù)值模擬分析,研究了有隔離樁和無隔離樁兩種工況下隧道周邊土體的豎向沉降及水平位移分布情況。數(shù)值模擬結(jié)果表明:采用隔離樁能有效降低隧道周邊土體的豎向沉降及水平位移;土體的沉降在隔離樁附近有突變,土體豎向沉降被限制在隔離樁內(nèi)側(cè),但地表土體在隔離樁內(nèi)側(cè)附近有所增大;增加隔離樁能有效阻隔土體向隧道內(nèi)的滑動趨勢,保護隧道周邊建構(gòu)筑物的安全。

盾構(gòu)隧道; 隔離樁; 土體豎向沉降; 水平位移

Author′s address College of Transportation Science and Engineering, Nanjing Tech University, 210009,Nanjing,China

在地鐵隧道施工過程中,為避免或減少土體位移，以及隧道開挖產(chǎn)生的沉降對鄰近構(gòu)筑物的影響,常常在鄰近構(gòu)筑物與施工面間設(shè)置隔斷墻予以保護。隔斷墻形式通常采用鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等結(jié)構(gòu)形式。隔離樁的相互作用會產(chǎn)生微拱效應,該效應適度降低了樁外土體的變形。隔離樁良好的受力體系能夠?qū)⒊惺艿哪Σ亮v向擴散,隔斷樁體內(nèi)外豎向變形,從而減少地鐵隧道開挖引起的周邊臨近構(gòu)筑物的沉降。對于隔離樁在實際工程中的隔離效果,相關(guān)人員做了一定的研究[2-6]。文獻[2]報道了大連地鐵1號線黑石礁車站隔離樁的減沉效果,該站風道與輕軌橋樁之間的最近距離僅1.9 m,在車站施工期間,按照一定間距在風道與橋樁之間打設(shè)鋼管隔離樁,工程結(jié)果表明,隔離樁在水平方向上起到了變形阻斷作用,有效保證了隧道近距離穿越橋樁施工的安全。文獻[3]以西安地鐵2號線鐘樓段的盾構(gòu)施工過程為例,建立三維有限元模型模擬了有無隔離樁情況下盾構(gòu)掘進過程中地面點沉降、鐘樓周圍地表和鐘樓臺四角點沉降的動態(tài)變化規(guī)律,結(jié)果表明,在隧道與建筑物之間打設(shè)隔離樁能有效隔斷樁內(nèi)外的地表沉降(隔離樁內(nèi)外地表沉降差達到14.1 mm),對鐘樓起到了很好的保護作用。文獻[4]針對某地鐵新建隧道側(cè)穿鄰接淺基建筑采用隔離樁隔離的工程,進行有限元數(shù)值模擬,對比分析隧道施工對既有建筑地表沉降的影響,并對隔離樁的樁長及間距進行探討,對樁的參數(shù)進行優(yōu)化分析。

本文依據(jù)某地鐵新建盾構(gòu)隧道側(cè)穿鄰近淺基建筑物工程,采用ABAQUS有限元模擬軟件分析在有、無隔離樁兩種工況下,盾構(gòu)隧道開挖引起的周邊土體豎向沉降及水平位移分布狀況,對比分析隔離樁的減沉效果。

1 隔離樁減沉機理與變形分析

隔離樁是建、構(gòu)筑物基礎(chǔ)防護的常用方法,它可以把建、構(gòu)筑物周邊隧道施工、基坑開挖等工程施工引起的地層變形有效地限制在隔離樁之間[7]。隔離樁的結(jié)構(gòu)形式可分為樹根樁、灌注樁、地下連續(xù)墻和攪拌樁等。為有效控制土體變形，隔離樁需具備一定的強度和剛度。但剛度達到一定極限后，繼續(xù)增加隔離樁的剛度,其減沉效果不會有明顯提高。由于攪拌樁的剛度和強度較低,而地下連續(xù)墻剛度太大,作為隔離體性價比不高,因此,在實際工程應用上,隔離樁一般采取樹根樁和灌注樁的結(jié)構(gòu)形式。

地鐵隧道施工過程中,在盾構(gòu)管片沒有形成整體發(fā)揮支護作用前,隧道斷面會形成凌空面。在土壓力作用下,隧洞周邊土體會向隧洞內(nèi)產(chǎn)生滑移變形,從而引起隧道周邊結(jié)構(gòu)物發(fā)生沉降。隔離樁通過隔離土體應力,阻擋隧洞周邊土體往隧洞發(fā)生滑移變形的趨勢,提高滑移面的抗剪能力,樁身阻止側(cè)向壓力的傳遞,限制樁后土體的進一步變形,達到保護建筑物、減少建筑物沉降的作用[8-9]。隔離樁在隧道工程中的減沉機理及變形控制如圖1所示。

圖1 隔離樁減沉機理及變形控制

2 三維有限元模擬分析

基于某地鐵新建盾構(gòu)隧道側(cè)穿鄰近淺基建筑物工程,分別進行鄰近建筑物無隔離樁和有隔離樁工況下盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬,分析兩種工況下盾構(gòu)隧道周邊土體的沉降與水平位移分布情況,研究隔離樁在盾構(gòu)隧道側(cè)穿鄰近建筑物工程中的隔離減沉效果,并為實際施工方案選擇提供一定的參考指導。

2.1 工程概況與地質(zhì)狀況

本地鐵盾構(gòu)隧道工程為兩線盾構(gòu)隧道。鄰近建筑物位于盾構(gòu)隧道右側(cè),其基礎(chǔ)寬度為10 m,埋深為2 m,距右側(cè)盾構(gòu)隧道水平距離為4 m。地鐵盾構(gòu)隧道埋深為8.3 m,隧道直徑為6 m,兩線盾構(gòu)隧道間中心距為8.2 m。

由于鄰近建筑物離隧道距離較近,為保證盾構(gòu)隧道施工中建筑物的安全性,擬采用打設(shè)隔離樁的方案對周邊建筑物進行隔離減沉保護。隔離樁為小直徑鉆孔灌注樁,直徑為300 mm,樁長為17.2 m,穿過盾構(gòu)隧道底部。隔離樁間距為0.5 m,其在水平方向上距盾構(gòu)隧道最右側(cè)1.5 m。

工程地勘資料顯示,該暗挖隧道范圍內(nèi)上覆第四系人工堆積層(人工堆積素填土),厚度為3 m;第四系上更新統(tǒng)坡、洪積粉質(zhì)黏土層、碎石層(以粉質(zhì)黏土、碎石層為主),厚度2 m;下伏地層為黏土層。各層土體參數(shù)見表1。

表1 模型分析計算參數(shù)表

2.2 建立模型

2.2.1 模型尺寸和邊界條件

本文采用有限元數(shù)值分析軟件ABAQUS進行盾構(gòu)隧道施工模擬分析。ABAQUS為一種巖土工程通用軟件,具有界面友好性、可開發(fā)性及分析結(jié)果穩(wěn)定性等優(yōu)點,廣泛應用于巖土工程開挖、邊坡穩(wěn)定性、滲流領(lǐng)域的研究,取得了大量研究成果。

由于隧道在開挖過程中具有三維變形特性,本文采用三維有限元分析模型進行工程施工的模擬分析。根據(jù)已有研究成果,沉降槽的影響范圍大概為隧洞直徑的4～5倍,如果模型尺寸超過上述尺寸要求,就可以忽略邊界的影響?；诖?本文模型尺寸選用隧洞直徑的4.5倍,確定為水平方向68.2 m,垂直方向30 m(寬度方向9 m)。模型的邊界條件設(shè)定如下:模型表面邊界為自由邊界條件;模型底部邊界僅約束其豎向位移;模型兩側(cè)邊界約束其水平方向位移。分析模型如圖2所示。計算域內(nèi)無隔離樁方案中劃分32 668個節(jié)點,33 560個單元;修改后的加入隔離樁方案劃分34 046個節(jié)點,共35 430個單元。

圖2 三維有限元計算模型圖

2.2.2 初始應力條件

模型初始應力場是盾構(gòu)隧道即將開挖時的應力場。本文采用土體自重應力場作為模型初始豎向應力場,模型水平方向應力場分布按照土層條件采用K0法進行確定。K0法是指在初始地應力分析中,豎向應力為重度與深度的乘積,而水平方向的應力大小為豎向應力乘以水平方向應力系數(shù)K0。此模擬分析方法與實際理論應力場分布是一致的。

2.2.3 鄰近建筑物荷載對初始應力狀態(tài)的影響

在有限元數(shù)值模擬分析中,通常采用“激活和鈍化”的方法來考慮鄰近建筑物荷載對初始應力的影響[4]。所謂的“激活和鈍化”法,即在隧道開挖前激活鄰近建筑物荷載,考慮其對初始應力場的影響,隨后在第一步開挖前將鄰近建筑物荷載對初始位移的影響設(shè)置為零,忽略其產(chǎn)生的初始位移。

2.2.4 巖土體及附屬結(jié)構(gòu)物本構(gòu)關(guān)系

由于本工程地下水位較深,分析中不考慮降水的影響,也忽略滲流作用對土體變形的影響。巖土材料采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,其控制參數(shù)為土體粘聚力及內(nèi)摩擦角。盾構(gòu)隧道襯砌材料為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其剛度較大,應力應變基本符合彈性關(guān)系,所采用的本構(gòu)模型為彈性模型。類似的基礎(chǔ)、隔離樁等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其應力應變關(guān)系基本為線性關(guān)系,選用的本構(gòu)模型為彈性模型。模擬中結(jié)構(gòu)和土體之間相互作用的接觸單元采用無厚度的接觸面本構(gòu)模型,所用參數(shù)見表1。

2.3 有限元計算結(jié)果分析

三維有限元分析過程中，采取兩盾構(gòu)隧道同時開挖的方式進行數(shù)值模擬分析。隧道采用分步開挖的方法,開挖結(jié)束之后激活襯砌,之后進行下一階段的開挖。在荷載開挖模擬過程中,本文未考慮盾構(gòu)機的影響,未考慮應力釋放及壁后注漿的影響,通過移除單元的方式模擬土體的開挖過程。土體開挖完后,即加上襯砌單元,由土體和襯砌單元共同承受應力釋放產(chǎn)生的變形。當兩隧道開挖全部結(jié)束之后，分析其周邊地表土體的沉降及水平位移。為了對比隔離樁的隔離效果,還模擬了無隔離樁情況下隧道開挖后周邊土體的沉降及變形。

2.3.1 地表土體沉降分析

圖3所示為隧道開挖后中心斷面I-I(見圖2)上土體豎向變形云圖?？梢钥闯?，隧道開挖后，在其頂部出現(xiàn)了較大程度沉降,最大沉降達到2cm左右,其在水平方向的影響范圍大致為0.5倍的隧道半徑；由于隧道的開挖,在隧道底部出現(xiàn)一定程度的隆起變形,最大隆起變形值接近8 mm,隆起變形場呈對稱輻射狀分布；在隧道周邊增加隔離樁后,限制了隔離樁后的土體向隧道方向塌落,其豎向沉降在隔離樁附近迅速衰減,土體沉降基本被限制在隔離樁內(nèi)側(cè),隔離樁外側(cè)土體沉降較小,有利于對周邊建筑物的保護,減小施工風險。此外，隔離樁的存在能很大程度上限制隧道底部隆起變形的范圍,有利于保護隧道周邊管線的正常使用。

圖3 開挖后I-I截面土體豎向變形云圖

圖4為有隔離樁及無隔離樁情況下I-I截面地表沉降曲線。從圖4可以看出,在隧道周邊增加隔離樁后,在隔離樁處土體沉降迅速衰減,隔離樁外側(cè)土體豎向沉降較無隔離樁工況有顯著減小,有效地保護了隔離樁外側(cè)的建筑物。值得注意的是,增加隔離樁后,土體沉降無法擴散至隔離樁外側(cè),導致在隔離樁內(nèi)側(cè)區(qū)域土體的沉降有所積聚,其最大沉降值及分布范圍較無隔離樁時有所增大,因此，若在此區(qū)域內(nèi)有管線等地下市政設(shè)施分布時,需要重點關(guān)心其安全。

2.3.2 地表土體水平位移分析

圖5所示為隧道開挖后中心斷面I-I上土體水平變形云圖?？梢钥闯?，隧道左側(cè)由于沒有增加隔離樁進行隔離減沉,其地表附近出現(xiàn)了較大區(qū)域的水平位移,最大水平位移達到6 mm,土體呈現(xiàn)向隧道內(nèi)滑動變形的趨勢。此外在左邊隧道軸線處左側(cè)的土體也出現(xiàn)了較大區(qū)域的水平位移。隧道右側(cè)由于增加了隔離樁進行隔離保護,土體水平位移大大減小,最大水平位移僅1 mm左右。隔離樁的存在能極大地限制隧道周邊土體向隧道內(nèi)的滑動變形趨勢,從而有效保護隔離樁外的建構(gòu)筑物；且隧道周邊土體的水平位移基本被限制在隔離樁內(nèi)側(cè),能對周邊管線等設(shè)施起到有效的保護作用。

圖4 不同工況下I-I截面地表沉降曲線

圖5 開挖后I-I截面土體水平變形云圖

由圖6有、無隔離樁情況下I-I截面地表土體水平位移曲線可以看出：隧道左側(cè)在兩種工況下均沒有隔離樁,其土體水平位移分布特點基本一致；隧道右側(cè)在有隔離樁的工況下，其土體水平位移顯著減小,建筑物附近的土體水平位移接近0。這說明通過采用隔離樁的施工方案，能有效限制隧道周邊土體的水平位移,保證隧道周邊建構(gòu)筑物的安全。

3 結(jié)語

(1) 在隧道周邊打設(shè)隔離樁能有效減小隧道周邊土體的豎向沉降,土體豎向沉降在隔離樁附近存在突變現(xiàn)象,土體豎向沉降主要被限制在隔離樁內(nèi)側(cè)。

(2) 由于隔離樁的隔離作用,土體豎向沉降在隔離樁內(nèi)側(cè)附近有所積聚,其沉降變形值有所增大,故對于這一區(qū)域內(nèi)的管線等設(shè)施需要重點關(guān)注。

圖6 不同工況下I-I截面地表土體水平位移曲線

(3) 增加隔離樁后能有效限制土體向隧道內(nèi)的滑動趨勢,阻隔隧道開挖所引起的地層變形向鄰近土體發(fā)展,隧道周邊土體的水平位移顯著減小,保證了隧道周邊建構(gòu)筑物的安全。

本文對隔離樁的減沉效果進行了分析,但對隔離樁間距、隔離樁打設(shè)深度、隔離樁剛度等影響因素沒有進行分析,有待進一步深入。此外,文中得出的隧道周邊土體沉降、變形規(guī)律尚需在將來的實際施工中進行對比驗證。

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Impact of Isolation Pile to Adjacent Buildings Side-crossed by Metro Tunnels

ZHANG Lei, HAN Aimin

Excavation of metro shield tunnel will induce settlement and deformation of the adjacent buildings, greatly influence the safety and normal use of the buildings. Based on an excavation project of metro tunnel side-crossing buildings, the deformation reducing theory and mechanism of isolation piles are analyzed, the ground vertical settlement and horizontal deformation near the shield tunnel in different construction conditions are studied via the method of numerical simulation. The results show that the isolation piles can reduce the vertical settlement and horizontal deformation effectively; the vertical settlement has a saltation near the isolation piles which confines the vertical settlement inside the piles, but the ground soil mass inside the isolation piles is increased. So, the isolation piles can prevent the soil sliding into the tunnel, and assure the safety of buildings adjacent to the shield tunnels.

shield tunnel; isolation pile; vertical soil settlement; horizontal deformation

U 456.1;TU 476+.9

10.16037/j.1007-869x.2017.01.020

2015-03-15)