隔离桩对盾构侧穿建筑物时基础变形的影响分析*

王国富 赵凯迪 路林海 王渭明

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院,266590,青岛; 2.济南轨道交通集团有限公司,250101,济南∥第一作者，研究员)

隔离桩对盾构侧穿建筑物时基础变形的影响分析*

王国富1,2赵凯迪1路林海2王渭明1

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院,266590,青岛; 2.济南轨道交通集团有限公司,250101,济南∥第一作者，研究员)

以济南地铁R1线地下段盾构近穿某建筑物为背景,采用数值分析的方法对隔离桩不同参数进行逐一模拟。研究了隔离桩不同桩长、桩洞距及桩间距对建筑物基础位移控制的影响。研究表明,桩长越长,隔离效果越好;在一定范围内,桩洞距越小隔离效果越好;由于桩间土拱效应,桩间距减小至一定程度后,隔离效果改善不明显。经优化选取桩长为30 m、桩洞距为2.0 m、桩间距为1.2 m的隔离桩。相比未打设隔离桩的情况，优化取值的隔离桩后，建筑物基础水平位移可减小36.6%,竖向位移可减小33.1%。

地铁盾构; 隔离桩; 基础变形; 数值模拟

近年来,我国城市轨道交通建设进入了高速发展阶段,截至2015年,我国已有38个城市已建或在建轨道交通,规划总里程超过6 880 km[1]。地铁隧道开挖必然会改变建筑物周围土体的力学状态,进而导致邻近建筑物发生不均匀变形甚至失稳[2-5]。因此,研究隧道开挖对建(构)筑物的影响规律并提出相应的变形控制措施至关重要。

目前,众多学者对隧道下穿建筑物时隔离桩的变形控制效果进行了大量研究。文献[6]以天津某基坑工程采用隔离桩保护既有隧道为背景,研究了隔离桩阻隔作用和牵引作用对既有隧道变形的影响,提出了一种埋入式隔离桩,用于优化隔离桩对隧道变形的控制。文献[7]以北京地铁5号线施工中保护联络通道开挖和既有环线崇文门地铁站为背景,分析了施工过程中导洞-隔离桩结构体系的受力特点,并采用梁和弹性地基梁两种模型模拟了影响隔离桩水平位移的影响因素。文献[8]针对某地铁隧道近穿浅基础建筑采用隔离桩隔离工程,通过有限元正交分析,模拟隔离桩不同参数下既有建筑因隧道施工引起地表沉降,确定了隔离桩各参数的影响因子。文献[9]以北京地铁10号线某渡线为例,采用数值模拟对隧道施工进行了力学分析,得到打设隔离桩时建筑基础的最大沉降量及最大差异沉降量,说明隔离桩能有效控制建筑物基础变形。

不同地层条件下的隔离桩隔离效果也不同。目前，针对黄河流域厚冲积地层中隧道下穿建筑物时隔离桩变形控制效果的研究较少。济南轨道交通R1线盾构近距离侧穿高层建筑物过程中,为控制盾构施工对建筑物基础的影响,通过打设隔离桩来减小建筑物桩基变形。本文通过数值分析研究了盾构侧穿建筑物时隔离桩的变形控制效果及隔离桩参数优化[10],以使隔离桩的隔离效果达到最佳。研究成果对济南厚冲洪积地层的盾构穿越建筑物施工设计及风险防控具有重要的参考价值。

1 工程概况

济南轨道交通R1线地下段盾构施工近侧穿某建筑物处线路里程为K21+577—K21+627。盾构管片内径为5.8 m,外径为6.4 m。隧道中心线与建筑物基础水平距离为8.2 m,建筑物桩基埋深为15 m,隧道中心埋深为20 m(见图1)。为减小盾构在穿越过程中对建筑物基础及周围环境的扰动,在隧道和建筑物基础间打设φ300 mm钻孔灌注桩作为隔离桩以控制建筑物基础变形。本下穿段地层条件至上而下分别为:杂填土、黄土、粉质黏土、黏土、胶结砂、黏土及中风化灰岩;地下水位为-10 m。相应的地层物理力学参数如表1所示。

2 隔离桩控制效果数值分析

2.1 建立计算模型

采用FLAC3D软件建立三维模型(见图2)。模型尺寸为60 m×60 m×60 m。对其四周进行水平约束,底面竖直方向约束,上边界为自由边界。通过施加地面超载作用于基础上来代替建筑物。土体模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,衬砌管片、桩基及隔离桩采用实体弹性模型[11]。

图1 济南轨道交通R1线下穿段工程位置示意图

表1 地层物理力学参数表

图2 三维计算模型

隔离桩的作用机理实质是控制建筑物基底的土体位移。即将隔离桩穿过土体变形可能的滑移面,以增强土体的抗滑移能力,隔离建筑物与隧道间的土体位移场,从而减小建筑物下方土体变形,达到保护建筑物的目的。为分析隔离桩对盾构侧穿建筑基础的隔离效果,对桩长、桩洞距(隔离桩与盾构隧道的间隔)和桩间距等参数按不同水平取值进行单因素分析。隔离桩参数的具体取值见表2。选取通过建筑物中心位置且垂直于盾构方向的断面,来分析盾构穿越后建筑物侧方土体及桩基变形情况。

表2 隔离桩工况表

2.2 隔离桩长度对建筑基础及侧方土体位移的影响

隧道埋深大于建筑物基础埋深,为全面了解隔离桩的隔离效果,取建筑物邻近隧道侧沿隧道开挖方向地下30 m土体(土体A)进行研究。

为逐一分析各工况隔离桩对隧道周围土体影响,先选取桩洞距为2.0 m、桩间距为1.2 m,然后模拟不同隔离桩长度下盾构开挖过程,并对建筑物桩基及土体A进行监测,以便深入研究隔离桩隔离效果。土体A的水平位移和竖向位移如图3—4所示;建筑物基础水平位移和竖向位移如图5—6所示。

图3 隔离桩长度不同时土体A水平位移

图4 隔离桩长度不同时土体A竖向位移

由图3—4可知：

(1) 隔离桩长度不同时,建筑物侧方土体水平位移最大值均出现在地下埋深20 m处,即隧道开挖中心所对应的位置;最大竖向位移均出现在地面处。

(2) 土体A的水平位移随隔离桩长度的增大有减小的趋势,但当隔离桩长20 m时土体A的水平位移却最大;土体A的竖向位移随隔离桩长度增大而减小。

(3) 土体A水平位移随隔离桩长度变化呈梭状。当隔离桩长20 m时最大水平位移最大,土体A的水平位移为5.5 mm；当隔离桩长30 m时最大水平位移最小,土体A的水平位移为4.6 mm。土体A竖向位移随隔离桩长度增大而减小。当隔离桩长15 m时，土体A最大竖向位移最大,为15.8 mm；当隔离桩长30 m时，土体A的最大竖向位移最小,为10.8 mm。

土体A最大水平位移为负值,并出现在-20 m埋深处，与开挖盾构的隧道中心处于同一水平面。这是因为土体自重应力大于侧压力,且隧道受上方土体自重应力挤压所致。土体A水平位移呈梭状变化,并在地表及盾构开挖平面下方出现正值。这是由于隔离桩在隔离隧道变形时受到桩体两端的牵引作用[12]。当隔离桩桩长与隧道埋深均为20 m时,桩体两端的牵引作用最小,故土体A水平位移最大。受盾构开挖后的土体自重应力影响，土体A竖向位移为负值,并随深度增加而降低。在侧压力作用下,开挖面以下的水平面还出现1～2 mm隆起。总体来讲,随着隔离桩长度的增加,土体A的水平位移和竖向位移均出现减小的趋势。即：隔离桩长度越长,隔离效果越好。

图5 隔离桩长度不同时建筑物基础水平位移

图6 隔离桩长度不同时建筑物基础竖向位移

由图5及图6可知,隔离桩长度对建筑物基础位移的影响与对侧方土体位移影响趋势基本一致。建筑物基础最大水平位移出现在桩端位置,最大竖向位移出现在桩顶位置。随着隔离桩长度的增加,基础水平位移和竖向位移均有所减小,其最大位移减小量如表3所示。

表3 不同桩长下基础隔离效果表

2.3 桩洞距对建筑物基础位移的影响

由上文可知,隔离桩越长,对盾构近穿建筑物基础变形控制效果越好。取桩长为30 m、桩间距为1.2 m,模拟不同桩洞距下盾构开挖时建筑物基础的水平位移和竖向位移，模拟结果如图7—8所示。据此可确定隔离桩与盾构隧道的最优距离。

图7 不同桩洞距下建筑物基础水平位移

图8 不同桩洞距下建筑物基础竖向位移

由图7—8可知,当桩洞距分别为4.0 m、3.0 m及2.0 m时,随着桩洞距的减小,建筑物基础的水平位移和竖向位移均有明显的减小。但当桩洞距为1.0 m时,建筑物下方水平位移和竖向位移又出现反弹的迹象。经分析，这应为隔离桩和盾构隧道距离过小,使隔离效果受到影响。不同桩洞距下建筑物基础最大位移变化如表4所示。

表4 不同桩洞距下基础隔离效果表

由表4可见，桩洞距对建筑物基础位移影响较大。当桩洞距由4.0 m减小至2.0 m时,建筑物基础最大水平位移减小2.0 mm,最大竖向位移减小5.4 mm。但继续减小桩洞距后,由于隔离桩和隧道距离过近而相互影响,隔离桩隔离效果变差。可见,在隔离桩不扰动隧道盾构施工的范围内,桩洞距越小,隔离效果越好。

2.4 桩间距对建筑物基础位移的影响

由上述分析可知,盾构近穿建筑物时建筑物基础位移与隔离桩长度和桩洞距有关。在一定范围内隔离桩长度越长,隔离桩和隧道距离越近,隔离桩隔离效果越好。现取隔离桩桩长30 m、桩洞距2.0 m,对不同桩间距下的盾构开挖情况进行模拟,以便确定最优桩间距。模拟结果如图9—10所示。

由图9—10可知,随着桩间距的减小,建筑物基础的水平位移和竖向位移均呈减小趋势；但由于隔离桩之间存在土拱效应[13],故桩间距减小至一定程度后,对隔离效果的提升幅度有限。不同桩间距对应建筑物基础位移如表5所示。

图9 不同桩间距下建筑物基础水平位移

图10 不同桩间距下建筑物基础竖向位移

表5 不同桩间距下基础隔离效果表

2.5 有无隔离桩对比

由上述分析可知,在一定范围内,隔离桩长度越长,桩洞距和桩间距越小,隔离的效果就越好。现将打设隔离桩情况与不打设隔离桩情况对应的建筑物基础位移进行对比。根据上述研究的优化取值,取隔离桩桩长为3.0 m、桩洞距为2.0 m、桩间距为1.2 m。由经过建筑物基础中心且垂直于隧道开挖方向的断面分析土体总位移,所得云图如图11—12所示。

图11 未打设隔离桩土体总位移云图

由图11—12可知,越靠近隧道处土体位移越大,且隔离桩对控制建筑物基础变形效果显著。未打设隔离桩时建筑物基础水平位移最大值为7.1 mm,竖向位移最大值为18.4 mm;打设隔离桩后,水平位移最大值为4.5 mm,竖向位移最大值为12.3 mm。与不打设隔离桩相比,打设参数优化的隔离桩后,建筑物基础最大水平位移可减小36.6%,最大竖向位移可减小33.1%。

图12 打设隔离桩后土体总位移云图

3 结论

以济南轨道交通R1线盾构近穿某建筑物为背景,研究了不同工况下隔离桩参数对建筑物基础隔离效果的影响，得到以下结论:

(1) 隔离桩的隔离效果与桩长、桩洞距和桩间距有关。一般情况下隔离桩桩长越长、桩洞距和桩间距越小,隔离效果越好。

(2) 将隔离桩各参数按对隔离效果的影响由大到小依次排列为桩洞距、桩长和桩间距。当桩洞距由4.0 m减小至2.0 m时,建筑物基础水平位移减小了30.7%,竖向位移减小了30.5%；但当桩洞距继续减小至1.0 m时,建筑物基础位移略有反弹。桩长由15 m增加至30 m时,建筑物基础水平位移减小15.1%,竖向位移减小12.7%。由于存在桩间土拱效应,在土拱范围内隔离桩间距对隔离效果影响不大。

(3) 当盾构近穿建筑物的隔离桩长为30 m、桩洞距为2.0 m、桩间距为1.2 m时,对建筑物基础变形控制效果最优。较之无隔离桩,此时建筑物基础最大水平位移减小36.6%,最大竖向位移减小33.1%。

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Impact Analysis of Isolation Piles on Foundation Deformation with Shield Construction Penetrating Buildings

WANG Guofu, ZHAO Kaidi, LU Linhai, WANG Weiming

According to the project on Jinan metro Line R1, the shield construction of which penetrates a business hotel, various parameters of isolation piles are studied by numerical simulation. Firstly, the influence of different pile lengths on foundation displacement control is studied by selecting the distance between the piles, pile spacings and the tunnels. The research indicates tha the longer the piles length,the better the effect of isolation; the smaller the distance between the piles and the tunnel, the better the isolation effect in a certain range. But the isolation effect of piles spacing will not be obvious due to the soil arch effect between the piles. Isolation pile is optimized to 30 m long, keeping 2.0 m distance between the piles and the tunnel with 1.2 m pile spacing. This method could decrease the horizontal displacement of building foundation by 36.6% and vertical displacement by 33.1%.

metro shield; isolation pile; foundation deformation; numerical simulation

Institute of civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,266590,Qingdao,China

*国家自然科学基金项目(41472280)；山东省自然科学基金项目(ZR2014EEQ028);山东省重点研发计划项目(2015GSF120017)

TU 433; U 455,43

10.16037/j.1007-869x.2017.03.006

2016-04-19)