桩基施工对邻近顶管隧道的扰动影响

卞 荣, 龙 月, 贺 雷, 闫 斌, 张 琪*

(1. 国网浙江省电力有限公司经济技术研究院, 杭州 310012； 2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院, 上海 200240；3. 中国电力科学研究院有限公司输变电工程研究所, 北京 102401)

随着中国城市化建设的高速发展,地面用地日益紧张,将传统的地上输电线路深埋入地是解决这一问题的有效途径。然而随着上海等一线城市多年来地下空间的持续发展,地下空间也变得逐渐拥挤,在既有顶管电缆隧道附近进行桩基施工的情况愈发增多。静压桩施工会对周围土体产生显著影响,进而间接影响邻近既有顶管电缆隧道。一旦隧道结构产生较大的变形、偏转或者管节错动等问题,就会导致渗漏或衬砌结构和道面结构层开裂、结构承载能力下降,情况严重时甚至会引起隧道破坏,造成巨大的经济损失。

针对桩基施工对邻近既有隧道的影响问题,国内外的学者依据不同的施工状况进行了一些研究。Schroeder 等[1]利用平面应变有限元方法分析了沉桩荷载作用对已有隧道变形及受力的影响,结果表明桩基础荷载作用于邻近隧道单侧时,隧道位移以沉降为主,隧道弯矩分布向桩基础方向偏转。徐涛等[2]对紧邻地铁隧道的高桥桥台桩基施工过程进行数值分析,研究了桩基施工对已完成初期支护的地铁隧道产生的影响。张伟等[3]通过数值模拟研究单桩邻近隧道施工及承载阶段对盾构隧道管片变形及内力的影响,并对桩长、桩径及桩-隧间距进行了敏感性分析。周立波等[4]通过有限元和现场监测结合对钻孔灌注桩施工影响邻近电力顶管隧道变形的机理进行了探讨。安建永等[5]通过模型试验研究了不同水平、竖向相对位置处的桩基施工对附近浅埋隧道的影响。王虹波等[6]通过对工程实例的分析研究了桩径和桩护壁方式对于邻近隧道应力和位移的影响。

上述研究表明,在桩基施工时,邻近桩基施工的土层的应力分布、沉降以及土中结构应力均有明显改变。以预制桩为例,一般认为在桩基施工过程中,邻近隧道受到预制桩挤土作用,会产生较大的横向变形[7]。预制桩施工影响既有隧道的因素是多方面的,其中预制桩挤土量[8],预制桩桩长及桩-隧间距[9](桩基中点至隧道管片边缘距离)是三项主要影响因素。

现通过一系列Ko固结不排水剪切试验,得到上海某地区软土小应变范围土体参数,利用数值方法研究软土地区预制桩静压施工对既有顶管电缆隧道的挤土效应,分析不同预制桩长(L)、桩-隧间距(DH)及预制桩挤土量(r)的工况下,桩基施工影响邻近顶管电缆隧道变形的规律,最后基于分析结果提出了桩基施工的强、弱影响区域划分。

1 土体本构模型与参数确定

1.1 软黏土本构模型

1.2 土体小应变三轴试验

所用黏土试样取自上海市虹口区某地,利用块状取土法取得具有上海黏土特征的第②-3、④-1和⑥-1层的土样进行小应变三轴剪切试验,土体的物理力学参数见表1。试验仪器采用装有线性可变差动变压器(LVDT)局部位移传感器的三轴仪,该三轴仪轴向位移计测量分辨率达到0.3 μm[13],轴向位移计安装示意图如图1所示。利用该仪器对各地层土样进行一系列Ko固结不排水剪切试验,获得了土体从小应变到大应变范围内应力应变关系,以得到上海软土在小应变范围的土体刚度变化规律,计算得到了土体在HSS模型中的各项参数。

表1 HSS模型下土体物理力学参数

图1 轴向位移计安装示意图

1.3 本构参数确定及验证

数值计算所采用的土体参数为基于三轴试验得到的小应变本构模型参数。通过试验结果得到HSS模型相关参数取值,随后采用数值方法进行三轴试验数值模拟,输入三轴试验得到的HSS模型参数,将得到的模拟结果和试验结果进行对比,如图2所示。由图可知,由HSS本构计算得到结果和试验结果基本吻合。为进一步保证土体参数的准确性,本文还将数值计算结果与贺雷等[13]提出的静压预制桩引起的邻近隧道水平位移理论计算方法进行对比,结果表明单桩和排桩施工对隧道变形影响基本相同,误差在可接受范围内,因此,利用这些土体参数所开展的数值计算结果是可靠的。数值计算中土体的本构参数如表2所示。

表2 HSS模型本构参数

2 桩基施工对邻近隧道影响

为了研究桩基施工对邻近顶管电缆隧道的影响,采用Plaxis有限元软件对桩基-土体-隧道体系进行建模计算。分层土模型采用软黏土地区典型的上下层硬,中间层较软的“硬-软-硬”构造,分别对应上海软土的第②第、④、第⑥层土,与某隧道所处地层条件是接近的,土体的参数如表2所示,桩基与电缆隧道均为C50混凝土材料,选取参数相同的弹性材料,弹性模量25 000 MPa,泊松比0.15。建立二维的数值模型,模型尺寸为120 m×40 m。顶管电缆隧道采用上述隧道尺寸,外径Dt=3.54 m,内径3.0 m,埋深10.5 m；桩顶标高0 m,桩长25 m,桩径为0.8 m,如图3所示。模型顶面为自由边界,其余边界受法向约束。

图3 2D计算模型网格图

图4为桩基施工引起的隧道周围土体位移云图,可以看出桩基施工对桩周土的扰动最大,土体位移云图基本呈倒三角形分布,隧道在施工挤土效应影响下朝着远离桩的方向发生位移。图5(a)为隧道变形结果,隧道在桩基施工条件下会发生横向和竖向的变形,且两个方向变形量的最大值在不同的位置。同时由于隧道拱顶和拱底的位移量不同,隧道发生了一定程度的偏转[14]。分别进行桩-隧间距0.5Dt/1Dt/2Dt三种情况下隧道变形分析,统计各桩-隧间距下的隧道的最大变形量(Umax),最大横向变形量(Uxmax)以及最大竖向变形量(Uymax),如图5(b)所示。由图可知,桩-隧间距较小时隧道以横向变形为主,间距较大时横向和竖向变形量占比差别不大。随着桩-隧间距的增大,隧道的最大变形量和最大竖向变形量都在减小,但是其最大横向变形量在增加,三者基本呈线性变化。这是因为施工过程中,桩身由于摩擦对周围土体产生很大的竖向剪切作用,而竖向剪切作用随桩-隧间距增大很快发生衰减,但是隧道的横向位移是由于桩基施工的挤土效应导致的,其影响效应基本不会随桩-隧间距的增大发生变化。

图4 2D单桩模型计算位移云图

图5 2D单桩隧道变形计算结果

采用二维模型研究桩基施工对邻近顶管电缆隧道的影响时,并没有对相应参数进行折减,因此其影响结果更接近于三维情况下的排桩情况。为了验证计算结果的准确性,进一步建立三维排桩模型进行对比分析。模型尺寸为100 m×40 m×36 m,布置1×10群桩,桩间距为1 m,隧道和桩的其余尺寸材料与2D工况保持一致,土层参数如表1和表2所示,分析桩基施工对隧道变形的影响,来探究在平行隧道方向对隧道产生扰动的群桩施工范围。数值模型及群桩布置情况如图6所示。

图6 平行隧道方向群桩对隧道扰动施工范围计算模型

将群桩计算结果按桩基施工顺序输出,计算结果如图7所示。由图7中可以看出,随着群桩的施工,隧道变形量逐渐积累,但是变形量增加幅度逐渐放缓,即后续施工桩基对隧道最大变形量的影响逐渐减小。同时也可以看出随着桩-隧间距的增大,隧道最大变形变小,与前文2D计算结果类似。图8为3D模型排桩与2D模型隧道最大变形的对比结果,可以看出2D和3D不同桩-隧间距工况下隧道最大变形量计算结果差别不大。

图7 3D群桩隧道变形量计算结果

图8 2D单桩与3D群桩隧道最大变形量对比图

3 桩土参数影响分析

基于2D模型对桩长,桩-隧间距和挤土量对隧道变形的影响进行分析。模型尺寸、桩基和隧道尺寸材料参数与前文2D工况保持一致,土层参数如表1和表2所示。为了更好地对比各个参数对隧道变形的影响,设置了标准模型。标准模型参数为桩长L=25 m,桩-隧间距DH=7 m,挤土量r=40 cm。各工况设置如表3所示。

表3 2D模型工况设置

3.1 桩长对隧道变形的影响

桩长工况隧道变形量计算结果如图9所示。桩长逐渐增大,土体扰动范围也随之增大,顶管电缆隧道埋深虽然保持不变,但其与桩基的相对位置是在变化的。由图9可知,随着桩长的增大,顶管电缆隧道的总变形也是增大的,当桩长小于顶管电缆隧道埋深时,隧道变形增长较快,且隧道变形以横向变形为主；当桩长超过隧道埋深时,隧道变形增长较慢,且接近线性增长,最大竖向变形始终保持较大的增长幅度。隧道的最大横向变形量在桩长接近隧道埋深时达到最大值,这是因为在这个位置深度时,隧道位于桩基底部,桩底会出现应力集中现象,导致隧道挤压效果显著[15]。

图9 桩长对隧道变形影响关系图

3.2 桩-隧间距对隧道变形的影响

桩-隧间距隧道变形量计算结果如图10所示。由图10可以看出,随着距离的增大,邻近桩基施工对既有顶管电缆隧道的扰动从总变形来看是逐渐减小的,侧边距为2.8 m时,总位移量为15 mm,与变形安全限值相同[16],侧边距继续增大,总位移量要小于15 mm。距离较近时,隧道位移以竖向位移为主,距离增大的过程中,竖向位移明显减小,而横向位移变化较小,过渡到以横向位移为主。这是因为施工过程中,桩身由于摩擦对周围土体产生很大竖向剪切作用,竖向剪切作用随间距增大衰减很快,而横向的挤土效应衰减不明显。

图10 桩-隧间距对隧道变形影响关系图

3.3 挤土量对隧道变形的影响

挤土量隧道变形量计算结果如图11所示。随着桩基挤土量的增大,对邻近顶管电缆隧道造成的竖向、横向和总扰动位移也逐渐增大,且总位移,横向位移和竖向位移近似呈线性变化。

图11 挤土量对隧道变形影响关系图

4 桩基施工保护距离

前述结果表明桩长、桩-隧间距以及桩挤土量对隧道扰动位移均有明显影响。图12展示了不同桩长条件下,对土体的影响范围。

图12 不同桩长施工对土体扰动范围

总体来看,桩基施工对土体的扰动范围曲线较为复杂,没有呈现简单统一的规律。但通过归纳对比发现土体的扰动在浅部土层中明显要大于中部土层,当桩长<20 m时,桩基底部土体的扰动较小；当桩长≥20 m时,桩基底部土体扰动量有很明显增长,这是由于第三层黏土层偏软。考虑到顶管电缆隧道的埋深一般不会达到20 m,因此着重分析施工过程中上部土层的扰动位移发展规律。根据前文计算结果,埋深为10.5 m(3Dt)顶管电缆隧道,与桩基侧边距为3 m(0.86Dt)时,扰动位移达到15 mm变形安全限值,侧边距为9.5 m(2.71Dt)时,扰动位移为5 mm,可以此作为桩基施工对埋深较大顶管电缆隧道的影响区域,为保证安全和便于工程实际应用,可进一步取强影响区范围为1Dt,弱影响区范围3Dt。当桩长<2Dt时,扰动位移约为埋深在2Dt～6Dt时的1.5倍,故建议取强影响区范围为1.5Dt,弱影响区范围4Dt,以便实际应用。日本近距离施工指南中还考虑了桩径DP/群桩桩台宽度的影响,本文也对其进行了一定的参考。

综上,既有顶管电缆隧道的变形受到桩基的桩长、挤土量和桩-隧间距三个因素共同控制。结合15 mm和5 mm控制变形的依据[16],对桩基施工提出如下控制标准,将桩基施工对既有隧道的影响划分为2个范围,即强影响区域(该区域中顶管电缆隧道位移将超过变形限值15 mm)和弱影响区域(顶管电缆隧道位移达到5 mm),得出邻近挤土桩施工时隧道影响区域范围图(图13)和表4。

表4 邻近桩基条件下顶管电缆隧道安全保护范围

5 结论

邻近桩基施工对既有顶管电缆隧道会产生一定扰动位移,而不同的桩基施工形式也会对桩基周围土体造成不同的影响。

(1)在2D模型中计算单桩施工对隧道变形的影响时,桩基施工导致隧道变形近似于平面问题,隧道越靠近桩身,受到的扰动位移越大,且以竖向位移为主,这是由于桩基施工过程摩擦作用引起较强竖向剪切导致的。在3D工况平行于隧道方向的单排桩基施工过程中,其对隧道的影响与2D工况下单桩施工影响差别不大

(2)基于2D模型可发现,隧道总变形和竖向变形随桩长的增大而增大,横向变形在桩长等于隧道埋深时达到最大值；隧道总变形和竖向变形随桩-隧间距的增大而减小,横向变形基本没有什么变化；隧道总变形,横向和竖向变形都随着挤土量的增大而增大,且近似线性增长。

(3)在不同桩长、挤土量和桩-隧间距的施工条件下,同时考虑桩径Dp邻近隧道保护区范围可根据不同的桩长来划分。当桩长小于2倍隧道外径Dt时,强影响区域范围为max(1.5Dt,4.5Dp),弱影响区域范围为max(4Dt,8Dp)；当桩长位于(2Dt,6Dt)范围时,强影响区域范围为max(Dt,3Dp),弱影响区域范围为max(3Dt,6Dp)。