软土中不同埋深地下通道开挖对邻近桩基的影响

任　云　逯相科　秦世伟

(1.上海祥测土木工程技术有限公司，上海　200072；　2.上海大学，上海　200444)



软土中不同埋深地下通道开挖对邻近桩基的影响

任云1逯相科2秦世伟2

(1.上海祥测土木工程技术有限公司，上海200072；2.上海大学，上海200444)

摘要：运用三维快速拉格朗日分析程序FLAC3D，分析了软土中不同埋深地下通道开挖对邻近桩基及地表产生的影响，并对地下通道开挖引起的地表沉降变形进行了数值模拟，同时得到邻近桩基桩顶的水平位移和竖向位移，并根据邻近建筑物的允许变形值评估该地下通道开挖对建筑物的影响程度，根据计算结果和通道开挖过程中周围土体运动趋势可以得出，随着地下通道埋深的增加，桩顶水平位移和沉降位移也随之增加，且增加幅度较大。

关键词：FLAC3D，地下通道，地表变形，桩顶位移，围岩参数

0引言

随着社会的不断发展，人类面临着人口膨胀、交通拥挤等诸多问题，基于目前的社会现状，人们意识到地下空间的有效利用是缓解目前这一系列问题的有效方法，规划了越来越多的地下工程，并且地下交通工程已经有效的缓解了交通拥挤、安全的问题。地下交通工程的快速发展势必会对地表建筑物及其基础造成不良的影响。由于地下通道的开挖势必会对岩土体造成扰动，引起土体应力重新分布，进而引起隧道周围地表发生变形，当变形超过一定限度时，将会影响周围地面建筑设施的正常运用。地下通道通常采用浅埋暗挖法进行施工。由于城市中建筑物分布密集，随着桩基础的大量运用，当地下通道邻近既有桩基础时，其开挖势必会对桩基造成影响。这一问题已经引起了广大学者的注意，并且进行了大量的研究，O.Reilly,New[1,2]等针对不同的地层，研究了采用不同施工方法所引起的地表沉降问题。Kimura和Mair等通过离心模型试验对伦敦几种地层中隧道施工所产生的地表沉降预计参数进行了探讨。董新平、周顺华、高万春和肖红渠从初支接触压力、支护整体刚度、支护结构受力、支护整体下沉等方面分析了开挖宽度对地表沉降的影响情况。张云军、宰金珉和王旭东等分析了邻近桩基的隧道开挖对建筑物桩基的影响，并选取了不同隧道挖深，模拟开挖对邻近建筑物桩基的影响。汪振伟等以重庆彭家花园矿山法双连拱隧道工程为背景，在不同施工条件下，针对不同隧道断面大小、埋深进行回归分析，得到了地表沉降规律并提出了矿山法施工条件下地表沉降的预测公式。Poulos和Davis采用简单的边界元方法研究隧道开挖时桩的侧向和轴向反应。Loganathan，Poulos和Xu引入一种边界元来研究隧道开挖对单桩和群桩的影响,研究中将桩和土均作为各向同性的线弹性体,桩土界面无相对滑动,群桩承台是刚性的且与土体不接触。

由于上海软土中地下水位较高，地下通道开挖引起邻近桩基侧壁和端部土体的位移变形以及孔隙水压力的消散，会对基桩承载力和桩底位移产生一定的影响。土体位移变形和孔隙水压力的消散程度越大，则对桩基的承载力影响也越大。本文运用FLAC3D软件对软土中不同埋深地下通道开挖引起的地表变形和邻近基桩桩顶水平位移和竖直位移进行了模拟计算，以便评估开挖对邻近建筑物的影响。

1工程概况

外滩隧道(Bund Tunnel)，是位于上海外滩地下的城市快速路。通道断面形式为圆形，直径6 m，地下水位位于地表以下1 m。隧道采用新奥法中的上下台阶法进行施工，施工流程为：先开挖隧道上半部分，随后进行支护衬砌；再开挖下半部分，随即支护衬砌。每次向前开挖5 m，直到将该通道施工完毕。邻近桩基为长20 m的钻孔灌注桩，桩径600 mm，桩身轴心距离通道边缘7 m(见图1)。

参考文献：

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[7]张原丁.论黄土的湿陷敏感性.岩土工程学报，1996,18(5):79-83.

2数值模拟

2.1模型几何尺寸

地下通道模型采用直径6 m，长度30 m的圆形断面实体单元模拟。通道顶部到地面的距离h根据需要分别取1 m，2 m，3 m，4 m，5 m。邻近桩基础采用FLAC3D中的桩结构单元进行模拟，每个桩单元分为五段六节点，桩长为20 m，桩径0.6 m，桩身轴线到通道侧边缘的距离为7 m，即通道中心到桩身轴线的距离为10 m。采用位移边界条件，侧面限制水平位移，底部限制竖直位移，模型上表面取为自由边界，模型尺寸为30 m×40 m×30 m(见图2)。

地下通道采用上下两台阶法[10,11]进行开挖，通道周围建立厚度为50 cm的围岩圈作为支护结构。通过采用提高衬砌部位岩体参数的方法[12]来模拟衬砌和支护的力学性能参数。

2.2土层参数

为更好地模拟施工的影响，使用与原状土相同的土层参数进行计算，岩体参数见表1。

选用Mohr-Coulomb本构模型[13]，Mohr-Coulomb模型用到的是土体的体积模量和切变模量，所以需要将岩体压缩模量转为弹性体积模量K和切变模量G，转换公式如下：

式中：E——杨氏模量;

ν——泊松比，取0.5。

2.3地下通道开挖顺序

施工流程为：先开挖隧道上半部分，随后进行支护衬砌；再开挖下半部分，随即支护衬砌。每次向前开挖5 m，直到将该通道施工完毕。

地下通道断面和开挖顺序如图3所示。

3计算结果与分析

3.1不同埋深地下通道开挖引起的地表变形

依据所选的模型以及勘测的岩体参数，分析地下通道在不同深度开挖时的地表横向断面的沉降，并对地表沉降位移记录，观测记录点为垂直于通道中心线的一条直线，直线上每隔5 m布置一观测点，总共9个(见图2)。各个埋深开挖对应的地表沉降变形如图4所示。

3.2不同埋深地下通道开挖引起桩顶的沉降

通过对上述不同埋深的地下通道进行开挖，记录各桩顶的沉降位移，其中观测记录点为三根桩桩桩顶轴心对应的坐标点。各个埋深开挖对应的桩顶沉降位移如图5～图7所示。

由图5～图7可以看到，三根桩均表现为随着通道埋深的增加，桩顶竖直位移也增加，且当通道埋深增加4 m时，相应桩顶沉降增加了将近3倍。

在地下通道开挖过程中，通道断面的收缩变形，导致了通道周围土体向开挖空间运动，从而引起地表沉降[14,15]。随着通道开挖深度的增加，通道断面上应力也相应增加，通道断面收缩量变大，地表沉降增加。此外由于软土地区，地下水位较高，通道的开挖势必会引起地下水位的变化，随着通道开挖的进行，地下水朝着开挖空间运动，由此也带来的地表的部分沉降。

通道开挖引起邻近桩基桩侧土体下沉，导致桩侧摩阻力减小，于是桩在上部不变的荷载作用下发生沉降。由计算和分析可知，随着通道开挖深度越深，桩侧土体沉降量越大，桩侧摩阻力减小就越多，因此，通道开挖深度增加，桩顶竖直位移也增加。

3.3不同埋深地下通道开挖引起桩顶的水平位移

《危险房屋检定标准》[17]中明确规定，当地基不稳定产生滑移，水平位移量大于10 mm,并对上部结构有显著影响，且仍具有滑移迹象，则应评定该房屋为危险状态。桩基础顶部产生水平位移时，桩身下部由于土的约束作用，相对较稳定，这样势必造成桩身倾斜和弯曲，严重者可能导致破坏。

由此可见，桩顶水平位移在开挖过程中应引起足够的重视。本文中为了检测桩顶水平位移，在不同埋深地下通道进行开挖的过程中，记录了各桩顶的水平位移，观测记录点取为三根桩桩顶轴心对应的坐标点。各个埋深开挖对应的各桩顶水平位移如图8～图10所示。

由图8～图10可以看到随着地下通道开挖深度的增加，桩顶水平位移也相应增加，当通道埋深增加4 m时，相应的水平位移增加2倍多。

通道开挖过程中，开挖断面在围岩应力作用下收缩变形，从而导致了周围土体向开挖部分运动(见图11)，这样一来则带动了临近桩基向通道方向发生水平位移。当通道埋深增加时，上部土体运动越剧烈，从而导致了桩顶水平位移也随之增加。

4结语

通过上述计算与分析可知，随着地下通道开挖深度的增加，地表沉降和桩顶的位移也相应增加。在埋深增加4 m的时候，相应的沉降位移增加将近3倍，水平位移增加将近2倍。而且土质越软地下水位越高，由于开挖引起地下水的流动与土体中孔隙水压力的消散，导致土体的变形加剧，从而引起桩基更大的沉降和水平位移。因此在实际的地下通道工程中，为了尽量减少对邻近建筑物的影响，我们应该合理的选择通道的埋深和施工方法，以避免造成对周围环境的破坏。

[1]M.P.O.Reilly,B.M New.Settlements above tunnels in the UK their magnitude and prediction.Tunnelling,1982(82):173-181.

[2]Barry M.New,M.P.O.Reilly.Tunneling induced ground movement:predicting the magnitude and effects.in:James D Geddes eds.,Proc.4th International Conference on Ground Movements and Structures,Pentech Press,London,1992:671-697.

[3]T.Kimura,R.J.Mair.Centrifugal testing of model tunnels in soft clay.Proc.of Int.Conf.Soil Mechanics & Foundation Engineering,Stockholm,Balkema,1981.

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[17]JGJ 125—99，危险房屋检定标准.

Influence of pile foundation induced by adjacent underpass excavation in soft soil

Ren Yun1Lu Xiangke2Qin Shiwei2

(1.ShanghaiXiangceCivilEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200072,China;2.ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China)

Abstract: With numerical code FLAC3D, influence of pile foundation induced by adjacent underpass excavation in soft soil was researched. At the same time, surface deformation, by numerical code result, vertical and horizontal displacement of pile top were found. The impact of the underpass excavation will be estimated according to the allowable deformation of adjacent building. According the result and the moving current of soil beside underpass, we can see that vertical and horizontal displacement of pile top will enhance, if the depth of underpass increasing, and the volume extent is greater.

Key words: FLAC3D, underpass, surface deformation, displacement at pile top, geotechnical parameter

Analysis of soil deformation and destruction of a buiding foundation loess area★

Yang XuZhen PingfuLiu KuiChen Donggui

(ElectionicComprehensiveSurveyInstititeoftheMinistryIndustry,Xi’an710054,China)

Key words:loess， deformation and destruction， moisture content， compressibility, collapsibility

Abstract:In Xi’an around a disease project as an example, through field drilling, investigation and indoor test analysis, from the foundation soil moisture content, compressibility, collapsibility and so on, briefly analyzes the causes of damage to building deformation, on the basis of the collapsible loess region disease control measures are put forward.

文章编号：1009-6825(2016)14-0057-03

收稿日期：2016-03-06

作者简介：任云(1979- )，女，工程师；逯相科(1989- )，男，在读硕士；秦世伟(1973- )，男，博士，讲师

中图分类号：TU473

文献标识码：A