地下室基础预应力管桩施工对某既有隧道的影响研究

谭黎明

(国家林业局和草原局 西南调查规划院 昆明市 650031)

0 引 言

桩周土体在沉桩过程中,受到径向挤压和竖向剪切作用,应力应变状态发生很大变化[1]。离桩体一定范围内的土体结构、密度及含水率改变将导致土的物理力学性质也发生改变[2]。其影响主要表现为:沉桩时,由于桩周土层被压密并挤开,使土体产生垂直方向的隆起和水平方向的侧向位移,引起已压入的桩上浮,桩端被“悬空”,使桩的承载力达不到设计要求;也会造成桩位偏移和桩身挠曲折断等质量事故,并可使相邻建筑物和市政设施发生不均匀变形甚至损坏[3]。

沉桩挤土效应的影响会波及到沉桩范围外一定距离。通过对模型桩和实际工程沉桩过程的观察发现,沉桩过程中桩尖土的形变类似于球形孔扩张引起的形变;而在除桩尖和地面附近绝大部分桩身周围,土的形变类似于圆柱形孔扩张引起的形变[4]。图1给出了沉桩过程中土体主要位移图示及桩周土中所形成的几个性质不同的区域:A区(强烈重塑区),紧贴桩身,在打桩过程中经历了大位移,且由于拖拽可能导致上下错位[5],结构完全破坏;B区(塑性区),受沉桩影响严重,土体产生大位移和塑性变形,但不至于导致上下错位;C区(弹性区),虽受沉桩的影响,但土体保持弹性变形[6]。孔隙水压力和侧压力虽不大,但仍然可以观察到;D区,该区不受沉桩的影响[6]。

图1 桩周土体主要位移图示和分区

1 项目概况

1.1 新建项目概况

新建项目C1地块拟建5栋高层建筑,其中1#栋、2#栋紧邻既有过江隧道。

C1地块基坑设计深度3.85～4.35m,采用土钉墙支护,注浆采用二次高压注浆工艺,放坡为1:0.5～1:0.75,设置2排土钉。

C1地块地下室基础主要采用预应力管桩,桩直径为0.5m。根据地质资料,预估桩长为12m,桩端要求进入持力层强风化泥质砂岩1.0m。

1.2 既有隧道概况

既有隧道为南北走向的并行双孔结构,双孔最小间距18m,单孔宽均为11m,净高7m,每孔设置单向两车道,设计时速50km/h。隧道全长1910m,暗埋段长1400m,敞开段长510m,临近C1地块的隧道顶埋深10.12～17.94m。

根据隧道竣工资料得知,该段隧道为明挖法施工,隧道施工基坑采用Φ800mm的钻孔桩+土钉墙围护,钻孔灌注桩长14.2m,桩间距为1m,采用C30水下混凝土;钻孔灌注桩外侧采用咬合旋喷桩止水,桩径600mm,桩间距400mm,进入强风化砾岩1m。

1.3 新建项目与既有隧道的位置关系

C1地块地下室外墙桩(计为第一排桩)距离隧道外墙水平距离在8.843～10.475m之间,第二排桩(靠近地下室外墙最近的一排桩,以下依次类推) 距离隧道外墙水平距离在13.371～14.160m之间。第三排桩距离隧道外墙水平距离在21.5m左右。第四排桩距离隧道外墙水平距离在28.0m左右。C1地块地与既有隧道平面及立面位置关系如图2、图3所示。

图2 C1地块建筑与既有隧道平面位置关系图

图3 C1地块建筑与既有隧道立面位置关系图(单位:mm)

图3中:(1)隧道在C1区西侧采用明挖法,隧道埋深10.12～17.94m;(2)隧道支护形式为:绝对标高28.5m以上采用1:1.25放坡,绝对标高18.5～28.5m采用“旋挖灌注桩+内支撑+止水帷幕桩”支护体系,绝对标高18.5m以下采用土钉墙支护,坡率为1:0.3;(3)支护桩采用旋挖灌注桩,设计桩长14.2m,桩径800mm,桩间距1000mm,主筋为16Φ28,桩顶标高为28.5m(相对基坑深度-4.1m);(4)内支撑在隧道施工完毕后,随回填逐步拆除;(5)土钉墙位于风化岩,对本工程无影响。

2 沉桩时桩周土体的塑性区影响范围

2.1 基本假定

(1)土是均匀且各向同性的理想弹性材料;

(2)饱和粘性土是不可压缩的;

(3)土体屈服不受静水压力的影响,满足库伦-尔强度准则;

(4)小孔扩张前,土体具有各向等同的有效应力。

2.2 塑性区半径

根据小孔扩张理论,设小孔扩张半径为r,在四周形成一个应力影响区如图4所示。

图4 圆柱小孔扩张示意图

图4中:R为塑性区半径;r为扩张小孔的半径,即桩的半径。

根据应力平衡可计算出R/r,如式(1)所示:

(1)

式中:E为土的弹性模量(MPa);v为土的泊松比,不排水条件下取0.5;Cu为土的不排水抗剪强度(kPa)。

从式(1)中可以看出,影响范围不但与桩径有关,也与土的刚性指标有关。塑性区的半径与扩张孔半径之比R/r与土的刚度指标E/Cu有关。E/Cu值越大,塑性区的半径与扩张孔半径之比也越大,相应的塑性区半径也越大。

3 某项目地下室预应力管桩基础施工影响范围计算

某项目C1地块地下室及裙楼基础采用预应力管桩。根据地质资料,设计桩长定为L=12m。桩径0.5m,壁厚0.125m,采用封底十字刃桩靴。桩端持力层为强风化泥质粉砂岩,桩端进入持力层内的深度为1.0m,基坑开挖深度32.5m-28.15m=4.35m。根据地层情况,可得出桩长范围内土层情况如表1所示。

表1 桩长范围内地层土体的物理力学性质指标

根据式(1)计算得到各个土层在沉桩过程中塑性区半径如表2所示。

表2 某项目地下室基础预应力管桩施工塑性区半径计算表

4 预应力管桩基础施工对既有隧道的影响距离分析

根据C1地块地下室基础桩基定位图,如图5所示。第一排桩(地下室外墙桩)距离隧道外墙水平距离在8.843～10.475m之间,第二排桩(靠近地下室外墙最近的一排桩,以下依次类推) 距离隧道外墙水平距离在13.371～14.160m之间。第三排桩距离隧道外墙水平距离在21.5m左右。第四排桩距离隧道外墙水平距离在28.0m左右。该既有隧道在临近C1地块段的隧道顶埋深为10.12～17.94m。

图5 某项目C1地块地下室基础预应力管布置图(单位:mm)

结合表2计算结果得知,第一、二排预应力管桩11.5～13m深度范围的桩周土体的塑性区半径20.41m大于桩与隧道外墙的间的距离,即隧道在此深度范围将受到预应力管桩施工的挤压影响。但由于隧道施工时遗留下来的支护桩和止水帷幕对预应力管桩的施工影响的遮拦和屏障作用,预应力管桩施工时通过土体向隧道传递的侧向挤压力及影响将得到弱化。

建议将靠近隧道的两排预应力管桩改为螺旋钻孔灌注桩,避免预应力管桩在施工过程中形成的超静孔隙水压力和水平挤压力对既有隧道产生不利影响。同时在施工靠近隧道的其他预应力管桩时,设置减震沟、应力释放孔,并合理控制施工速度,从而使沉桩挤土效应的不良影响得到减小。

5 结语

(1)预应力管桩施工产生的挤土效应分析表明,C1地块地下室基础预应力管桩对既有隧道安全存在一定的不利影响,但其影响深度仅出现在地下以下11.5～13m桩长范围。考虑到既有隧道施工时遗留下来的支护桩和止水帷幕对后续施工预应力管桩的屏障作用,预应力桩施工产生的超净孔隙水压力和水平挤压力对隧道结构的影响较小。

(2)考虑既有隧道的安全需求,建议将靠近既有隧道的两排预应力管桩改为非挤土桩,可避免预应力管桩施工过程中形成的超静孔隙水压力和水平挤压力对附近地下管线和隧道产生不利影响。对靠近隧道的其他预应力管桩施工时,建议设置减震沟、应力释放孔,并合理控制施工速度,从而使沉桩挤土效应的不良影响减到最小。