基坑下方既有隧道的抗拔桩抗浮技术研究

马 辉， 周泽林

(1. 中国中铁二局集团有限公司，四川成都610031； 2. 中国十九冶集团有限公司路桥工程分公司，四川成都610031)

1 抗拔桩承载特性分析

由于基坑开挖引起基坑底下方土体回弹变形，对桩身上部产生上拔作用，而桩身下部试图限制这一上拔现象，从而在桩身中产生轴力(图1)。桩身的轴力最大值对应于桩侧摩阻力的反转点，也是桩身正负摩阻力的分界点。

图1 基坑下方抗拔桩的承载特性

以下采用二维数值模拟方法分析抗拔桩的承载特性，基坑开挖宽度36 m，开挖深度10 m，隧道位于基坑底正下方22 m。桩型为等截面方型抗拔桩，截面尺寸1 m×1 m，桩长32 m(从基坑底开始计算)，对称布置于隧道左、右两侧，与既有隧道的净距为3 m。模型纵向厚度取为抗拔桩纵向间距(3 m)。基坑土体采用分层开挖，每层2 m。

1.1 桩身轴力分析

随着基坑的开挖，桩身受力(轴力)发生变化，图2为基坑在不同挖深条件下的轴力分布曲线(拉为正，压为负)。从图中可以看出，桩身轴力分布呈“中间大、两头小”的特征。随着挖深的增大，桩身轴力不断增大，且轴力峰值位置逐渐向桩身下部发生移动。当基坑挖深为2 m时，由于卸荷影响小，桩体在自重和土体卸荷的综合作用下，产生较小的轴力。当挖深增大至10 m时，最大轴力值增大至2 760 kN，整个桩身以承受拉力为主；受桩身附近既有隧道结构的影响，桩顶下20 m处发生局部突变现象。

图2 桩身轴力分布曲线

1.2 桩-土相对位移分析

当桩身与土体界面上的剪应力超过摩阻力时，就会发生桩-土相对位移，图3为不同挖深条件下的桩-土相对位移分布曲线(土体竖向位移大于桩身竖向位移时为正值，反之为负)。从图中可以看出，桩-土相对位移经历了从正值变化到零值，甚至负值的过程，对应着三个特征区段：

(1)抗拔段：桩-土相对位移为正值的区段为抗拔段。抗拔段处于桩身上部，由于基坑开挖卸载导致桩身上部一定范围内的土体竖向回弹位移大于桩身竖向位移，则该部分桩体的存在相当于约束了周围土体发生向上回弹位移的趋势。桩与土之间发生了相对滑移，表明该区段内的桩身发挥了极限抗拔承载力，抗拔段是抵抗下卧地基土体回弹位移和限制邻近隧道隆起变形的主要作用区段。

(2)稳定段：桩-土相对位移为零值的区段定义为稳定段。稳定段分布在桩身中部一定范围内，该区段内的桩和土体均发生等值的竖向位移，发挥土体抗拔和隧道抗隆起的作用并不明显。

(3)嵌固段：桩-土相对位移为负值的区段定义为嵌固段。由于坑底面下方的土体位移随着深度急剧衰减，而刚性很大的抗拔桩的桩身位移随深度的衰减量却很小，导致桩身下部埋深较大处的稳定土层内的土体竖向回弹位移小于桩身位移，该区段的抗拔桩相当于“嵌固”在相对“稳定”的土层之中。对于抗拔桩而言，周围土体约束了桩体向上位移的趋势；但是对于土体而言，该区段内的抗拔桩不仅没有发挥抗拔作用，还会带动桩周的土体发生向上的位移。

从图3可以看出，随着基坑挖深的增大，桩-土相对位移急剧增大，桩身抗拔段和嵌固段的长度亦不断增大，而桩身稳定段长度则不断缩小；当挖深从2 m增大至10 m时，桩-土最大相对位移由2.1 mm增大至64.0 mm；抗拔段深度从4.0 m增大至18.0 m；嵌固段的长度从0 m增大至6.0 m。

图3 桩-相对位移分布曲线

2 抗拔桩抗隆起作用机理

为了研究抗拔桩对减小周围地层和既有隧道隆起变形的作用机理，分别对有抗拔桩和无抗拔桩的情况进行二维模拟分析。计算取基坑挖深10 m，在既有隧道与左、右两侧水平净距3 m处分别设置了一排抗拔桩，抗拔桩长40 m，桩间距3 m。二维模型的厚度取为抗拔桩的纵向桩间距(3 m)。

图4为无抗拔桩和有抗拔桩情况下的基坑下卧地基土体的竖向位移云图。数值分析发现，无抗拔桩时，坑底最大回弹位移达207.5 mm，隧道隆起变形为136.9 mm；施做抗拔桩后坑底最大回弹位移为131.7 mm，减小了36.5 %，隧道隆起变形为88.5 mm，减小了35.4 %，说明抗拔桩对减小坑底土体变形和限制隧道隆起位移的作用十分显著。从图4可以看出，无抗拔桩时，下卧地基土体位移呈整体回弹型态分布。施做抗拔桩后，地基土体位移呈分块回弹型态分布，说明一方面抗拔桩依靠抗拔段的桩侧正摩阻力有效地约束了土体回弹变形；另一方面，地层中的桩体是异质体，桩身结构刚度很大，能阻断上部土体开挖产生的位移传递作用，使得地基土体位移场间断，从而起到减小土体回弹的作用。

(a)无抗拔桩

(b)有抗拔桩图4 基坑下卧地基土体竖向位移云图

图5给出了无抗拔桩和有抗拔桩情况下的基坑下卧地基土体剪切应变等值阴影图。可以看出，最大剪切应变均发生在基坑墙脚的应力突变处。无抗拔桩时，最大剪切应变为1.15×10-2，并且基坑左、右墙脚处与隧道洞室两侧之间分别形成了一条倾斜集中剪应变传递路径，导致洞室周围剪应变量值和范围较大；施做抗拔桩后，最大剪切应变减小至8.23×10-3，减小了28.4 %，并且刚性抗拔桩体切断了集中剪应变的传递路径，阻止了墙脚处集中剪应变往隧道结构传递与发展的趋势，因而大大地减小了洞室周围的集中剪切应变，降低了基坑施工对隧道的影响。可见，抗拔桩能有效地控制下卧地基土体的剪应变大小和分布范围，对隧道变形的限制作用也增强，起到了保护隧道的目的。

(a)无抗拔桩

(b)有抗拔桩图5 基坑下卧地基土体剪切应变等值阴影

3 影响参数分析

抗拔桩的桩长Lp、桩间距dp以及桩与隧道之间的净距dt是影响抗拔桩作用效果的三个重要参数。为了研究这三个参数对隧道隆起变形的控制效果，选取桩长Lp分别为16 m、20 m、24 m、28 m、32 m、36 m和40 m等7种情况来分析桩长的影响；选取桩与既有隧道之间的净距dt分别为3 m、6 m、9 m和12 m等4种情况来分析净距的影响；选取纵向桩间距dp分别为3 m、5 m和7 m等3种情况来分析桩间距的影响。二维模拟分析中，同样通过改变模型的厚度来体现纵向桩间距的变化。参数分析计算结果见图6。

(a)最大隆起位移与桩长和净距的关系(桩间距dp=3m)

(b)最大隆起位移与桩长和桩间距的关系(净距dt=3m)图6 影响参数分析结果

由图6可以看出，同样的桩长条件下，隧道最大隆起位移随着净距dt(或桩间距dp)的增大而不断增大；同样的净距dt(或桩间距dp)条件下，隧道最大隆起位移均随着桩长Lp的增大而不断减小，且净距dt(或桩间距dp)越小，位移减小幅度越大。因此，为了最大程度地发挥抗拔桩对既有隧道的抗隆起作用，应当尽量将抗拔桩布置在靠近隧道结构的两侧，并采用较小的桩间距布置形式。而当隧道与抗拔桩之间的净距dt或布桩间距dp较大时，通过改变增加桩长Lp来减小隧道隆起位移的意义并不大。

4 抗拔桩布置型式的影响

采用三维数值模拟方法来探讨不同的抗拔桩布置型式对隧道纵向隆起变形的控制效果。假设基坑平面开挖尺寸B×L=36m×80m，开挖深度H=10m，既有隧道位于基坑正下方，中心埋深22 m。在既有隧道两侧分别施做1排、2排和3排等截面抗拔方桩，方桩截面尺寸为1 m×1 m，桩长均为40 m。抗拔桩沿隧道纵向布置范围为1.5倍基坑开挖长度。抗拔桩与隧道之间的位置关系及桩间距如图7所示。

图7 抗拔桩布置型式

采用三维数值模拟方法对这三种抗拔桩布置型式下的隧道隆起变形进行了分析，同时与无抗拔桩的计算结果也进行了对比，用于分析抗拔桩的作用效果。三维计算区域尺寸为160 m×70 m×124 m。

图8为3种不同的布桩型式下的计算得到的抗拔桩桩身竖向位移云图，为了显示直观，图中只显示出了隧道一侧的抗拔桩。可以看出，基坑下方的抗拔桩均发生了不同程度的整体上浮，且越靠近基坑开挖中心处的桩身上浮位移就越大；同样的土体卸荷作用下，桩身最大上浮位移随着抗拔桩排数的增多而逐渐减小，在单排布桩→2排布桩→3排布桩型式下，基坑下方桩身最大上浮位移分别为6.69 cm → 6.09 cm → 5.72 cm。其原因是下卧回弹变形地基范围内所布置的抗拔桩数量越多，则每根桩参与分配和承受的上拔力就越小，“群桩效应”就越明显，则桩身结构的上浮位移也就越小。从图中亦可看出，与单排抗拔桩相比，2排、3排布桩情况下的整个桩群位移分布云图更加均匀，桩群受力更加合理。

(a) 1排抗拔桩

(b) 2排抗拔桩

(c) 3排抗拔桩图8 抗拔桩竖向位移云图

三维计算区域尺寸为160 m×70 m×124 m。图9图为3种布桩型式下，基坑下方隧道隆起位移分布曲线。可以看出，与无抗拔桩的情况相比，施做抗拔桩后不仅隧道隆起位移明显减小，且隧道轴线隆起变形范围也得到了有效的控制，说明抗拔桩对隧道的保护效果非常明显。无抗拔桩时，隧道隆起位移峰值为13.6 cm，施做一排抗拔桩后，位移峰值为9.1 cm，减小了33.1 %；施做两排抗拔桩后，位移峰值为8.2 cm，减小了39.7 %；施做三排抗拔桩后，位移峰值为7.8 cm，减小了42.6 %。可见，随着抗拔桩排数的增多，对减小隆起变形的效果越来越小。其原因为，抗拔桩距离隧道结构越远，其限制隧道竖向位移的作用就越弱。因此，施工中不应当盲目的通过增加抗拔桩数量来控制隧道变形，避免不必要的浪费。

图9 隧道隆起分布曲线对比

5 结论

本文针对基坑下方既有隧道的抗浮开展研究，得出如下主要研究成果：(1)桩-土相对位移经历了从正值变化到零值，甚至负值的过程，对应着三个特征区段：抗拔段、稳定段、嵌固段；(2)抗拔桩抗拔段的桩侧正摩阻力有效地约束了土体回弹变形，同时，地层中的桩体是异质体，桩身结构刚度很大，从而能阻断上部土体开挖产生的位移传递作用。使得地基土体位移场间断，从而起到减小土体回弹的作用；(3)一定桩长时，隧道最大隆起位移随着桩间距dp的增大而增大。一定桩间距时，隧道最大隆起位移均随着桩长Lp的增大而减小，且桩间距越小，位移减小幅度越大；(4)与单排抗拔桩相比，2排、3排布桩的整个桩群位移分布云图更加均匀，桩群受力更加合理。

基坑下方施作完抗拔桩后，一方面抗拔桩作为异质体对上部开挖产生的土体位移场具有阻断作用；另一方面，抗拔桩切断了围护墙墙脚与基坑洞室侧面的集中剪应变传递的路径，显著地减小了洞室周围集中剪应变的大小和分布区域。因此，施作抗拔桩能有效限制桩周土体和邻近隧道的隆起变形，起到保护既有隧道的目的。为了最大程度地发挥抗拔桩的抗隆起效应，应尽量将抗拔桩布置在靠近既有隧道结构的两侧，并采用较小的桩间距。