宋 輝， 常 瑩， 黃 超， 張孟喜

(1.上海大學(xué)土木工程系，上海200072;2.上海隧道工程股份有限公司，上海200082; 3.上海造幣有限公司，上海200061)

在城市軌道交通建設(shè)中，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)遇到既有道路橋梁、防汛墻時(shí)，需要將侵入到隧道開挖界限內(nèi)的樁基拔除［1］.但是，拔樁過程必然會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成影響，因此，必須對(duì)影響范圍內(nèi)的建筑物、構(gòu)筑物的沉降、側(cè)移進(jìn)行有效控制.套管法拔樁對(duì)環(huán)境影響較小，因而得到較多應(yīng)用.目前，對(duì)套管法拔樁的理論研究主要集中在抗拔樁的承載力及變形等方面.Parry等［2］和Rao等［3］通過模型實(shí)驗(yàn)研究了抗拔樁的破裂面形式，以及抗拔樁承載力隨著樁的長(zhǎng)徑比、樁表面粗糙度、土體的密實(shí)度變化情況;Ramanathan等［4］研究了砂土中拔樁的摩阻力規(guī)律; Chattopadhyay等［5］研究了傾斜荷載下樁的位移和極限承載力規(guī)律;劉文白等［6］用顆粒流軟件PFC2D和細(xì)觀試驗(yàn)?zāi)M了拔樁過程，綜合確定了樁的上拔承載力;賀嘉等［7］運(yùn)用ABAQUS軟件建立了大直徑樁的有限元模型，得到一些大直徑樁承載力-變形的規(guī)律性結(jié)論.

目前，關(guān)于拔樁對(duì)周圍環(huán)境影響的研究較少.丁紅巖等［8］運(yùn)用大型有限元通用軟件ANSYS研究了鉆井船拔樁對(duì)筒基平臺(tái)穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析;曹玉忠等［9］結(jié)合上海地鐵6號(hào)線的工程實(shí)例研究了套管法拔樁施工對(duì)鄰近箱涵的影響，但僅對(duì)拔出樁體的過程進(jìn)行了分析.對(duì)于套管法拔樁來說，拔出樁體屬于微擾動(dòng)施工，而對(duì)周圍環(huán)境影響最大的是壓入套管和拔出套管并回填的過程.因此，本研究以軌道交通7號(hào)線5標(biāo)區(qū)段內(nèi)一根廢棄混凝土灌注樁為例，研究套管法拔樁全過程對(duì)既有大直徑污水管的影響，并得到一些規(guī)律性的結(jié)論.

1 工程概況

本工程為上海軌道交通7號(hào)線5標(biāo)區(qū)間隧道.施工過程中，下行線盾構(gòu)掘進(jìn)斷面內(nèi)遇到中山北路高架廢棄的1根Φ 1 000 mm鉆孔灌注樁，需將其拔除.該樁右側(cè)為Φ 3 500 mm污水總管，相對(duì)位置如圖1所示.樁體所在位置的土層分布如圖2所示，各土層力學(xué)參數(shù)見表1.

圖1 待拔樁與污水管的相對(duì)位置Fig.1 Relationship between the pile and waste pipe

圖2 土體分層示意圖Fig.2 Layered soil

表1 土體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of the soils used in finite element analyse

2 套管法拔樁全過程對(duì)既有污水管的擾動(dòng)

套管為直徑2 000 mm，壁厚48 mm的鋼質(zhì)桶式結(jié)構(gòu).根據(jù)需要，將其分為長(zhǎng)度不同的若干節(jié)，每2節(jié)套管之間以高強(qiáng)螺栓連接.當(dāng)套管達(dá)到預(yù)定深度后，用直徑0.8 m鎖口管和樁頂部所有鋼筋燒焊牢固，將樁體拔出地面，最后將套管拔出，并對(duì)空隙進(jìn)行回填.套管法拔樁施工過程由壓入套管、拔出樁體、拔出套管并回填3個(gè)階段組成.該過程會(huì)對(duì)污水管產(chǎn)生3次擾動(dòng)，因此污水管的最終位移內(nèi)力情況是3次擾動(dòng)累加的結(jié)果.

首次擾動(dòng)：在壓入套管的過程中，土體受到套管向下的摩擦力，產(chǎn)生豎向和水平方向的位移，進(jìn)而對(duì)與樁身凈距僅為2.2 m的污水管產(chǎn)生擾動(dòng).本階段對(duì)污水管的擾動(dòng)明顯.

第二次擾動(dòng)：拔出樁體過程是在套管保護(hù)下，而且樁體與套管之間的土體已經(jīng)被高壓水沖蝕，樁體與周圍土體與套管的相互作用幾乎完全喪失.因此，拔出樁體對(duì)環(huán)境影響微小，屬于微擾動(dòng).

第三次擾動(dòng)：拔出套管的同時(shí)，需要對(duì)樁體及套管拔除后留下的空隙進(jìn)行回填.拔出套管使土體受到向上的摩擦力;同時(shí)，由于回填材料在初期不能及時(shí)形成足夠剛度，導(dǎo)致周圍土體向回填區(qū)域運(yùn)動(dòng).二者共同作用，形成了對(duì)污水管的第三次擾動(dòng).本階段對(duì)污水管的擾動(dòng)明顯.

3 計(jì)算模型

從拔樁直徑、深度等自身難度上考慮，采用普通工藝完全可以將該樁順利拔出.但對(duì)于本工程而言，拔樁本身并不是最主要的，拔樁過程中對(duì)距離樁邊線僅2.2 m的一根Φ 3 500 mm污水管的保護(hù)，才是本次拔樁施工的關(guān)鍵.因此，通過數(shù)值模擬研究拔樁過程對(duì)既有管道的影響具有重要意義.本次模擬針對(duì)套管壓入、拔樁、套管拔出及回填過程中對(duì)污水管的影響，建立三維有限元模型進(jìn)行研究.

模型尺寸：計(jì)算模型如由圖3所示，X軸為水平方向，Y軸為合流管道軸線方向，Z軸為豎直方向.參考既有資料，并考慮計(jì)算時(shí)間代價(jià)，模型大小取為X×Y×Z=24 m×20 m×40 m.共劃分網(wǎng)格單元47 392個(gè)，節(jié)點(diǎn)51 500個(gè).模型3個(gè)方向的尺寸選取原則是包含所有拔樁影響范圍.

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

邊界條件：沿X軸方向，模型兩面邊界結(jié)點(diǎn)施加X方向的水平位移約束;沿Y軸方向，模型兩面邊界結(jié)點(diǎn)施加Y方向的水平位移約束，以考慮周圍土體的約束作用;模型底面結(jié)點(diǎn)，施加Z方向的豎向固定約束.

材料屬性：土體-彈塑性模型(Drucker-Prager模型)、污水管-實(shí)體彈性、灌注樁-實(shí)體彈性、套管-實(shí)體彈性.

本構(gòu)模型：土體采用Drucker-Prager彈塑性模型，套管采用線彈性模型，由于為鋼套管，故取E= 3×105MPa，μ=0.168.

套管與土體接觸關(guān)系：套管與土體之間的接觸采用庫倫摩擦模型.

4 計(jì)算結(jié)果分析

套管法拔樁過程由壓入套管、拔出樁體、拔出套管并回填3個(gè)階段組成，其中拔出樁體過程在套管保護(hù)下進(jìn)行，對(duì)污水管及周圍土體影響非常小，屬于微擾動(dòng)施工，因此，本次模擬不再進(jìn)行計(jì)算.本研究主要針對(duì)壓入套管和拔出套管2個(gè)施工過程進(jìn)行分析.

4.1 套管壓入過程

4.1.1 套管壓入過程原理及模擬

套管壓入過程共分5步完成，每步的下壓距離依次為4，2，4，6，10 m，每步為一個(gè)工況，依次為工況一～工況五.每一步壓入距離的確定要考慮土體分層的影響，并考慮套管穿過污水管上下附近區(qū)域時(shí)細(xì)化.壓入過程如圖4所示.

4.1.2 污水管位移

為研究套管法施工對(duì)既有污水管的影響，計(jì)算中重點(diǎn)關(guān)注在套管壓入和拔出的全過程中污水管的水平位移和豎向位移，并分析二者的量值關(guān)系.

圖4 套管壓入過程Fig.4 Process of pressing casing

隨著套管壓入深度的增加，沿污水管管頂縱向各節(jié)點(diǎn)水平(X)位移的變化情況如圖5(a)所示.可以看出，隨著壓入深度的增加，污水管向樁體方向產(chǎn)生位移，且水平位移不斷增大，這是由于套管下壓過程中，套管與土體之間存在的摩擦作用帶動(dòng)周圍土體產(chǎn)生向側(cè)下方移動(dòng)的趨勢(shì).當(dāng)套管壓入達(dá)到污水管管底6 m以下時(shí)，繼續(xù)下壓過程中污水管水平位移增大速度減緩，并最終達(dá)到0.4 mm.

隨著套管壓入深度的增加，污水管沉降的變化情況如圖5(b)所示.可以看出，隨著壓入深度的增加，污水管位移不斷增大;套管壓入達(dá)到污水管管底6 m以下后，繼續(xù)下壓過程中污水管沉降值不再繼續(xù)增大，逐漸穩(wěn)定在4 mm.

對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，污水管水平位移非常小，在10-4m數(shù)量級(jí)上;而其沉降卻達(dá)到4 mm，是污水管位移的主要組成部分，水平位移約為沉降的1/10.因此，在施工過程中應(yīng)重點(diǎn)控制污水管沉降，并考慮水平位移的影響;在對(duì)污水管位移進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)注意以監(jiān)測(cè)其沉降為主.

圖5 套管壓入過程中污水管的位移曲線Fig.5 Displacement of waste pipe along casing pressing

4.2 套管拔出及回填過程

4.2.1 套管拔出及回填過程原理及模擬

與套管壓入過程類似，套管拔出及回填過程也分5步來完成，每步上拔距離依次為10，6，4，2，4 m.每步為一個(gè)工況，依次為工況A～工況E.在上拔的同時(shí)，對(duì)管內(nèi)空隙同步進(jìn)行回填.每一步上拔距離的確定原則是：考慮土體分層的影響，并考慮套管穿過污水管上下附近區(qū)域時(shí)細(xì)化.拔出過程如圖6所示.

圖6 套管拔出過程Fig.6 Process of pulling casing

4.2.2 污水管位移

圖7(a)為隨著套管不斷上拔，污水管水平位移的變化情況.可以看出，隨著套管拔出，污水管向樁體方向產(chǎn)生位移，且水平位移逐漸增大，并且當(dāng)套管上拔到污水管管底對(duì)應(yīng)高度后，繼續(xù)上拔時(shí)，總管水平位移突增.這是由于樁孔失去套管保護(hù)，而回填材料尚未形成有效剛度造成的.套管拔出高度超過污水管管頂后，繼續(xù)上拔時(shí)，污水管水平位移不再增大，最大位移最終達(dá)到了0.8 mm.

圖7(b)為污水管隨著套管不斷上拔，其沉降的變化情況.可以看出，隨著套管拔出，污水管沉降逐漸增大.套管拔出高度超過污水管管頂后，繼續(xù)上拔過程中污水管沉降增大趨勢(shì)減緩，最大位移最終穩(wěn)定在7 mm.

對(duì)比圖7(a)和圖7(b)，可以發(fā)現(xiàn)污水管水平位移較小，沉降較大，達(dá)到7 mm，水平位移約為沉降的1/10.因此，豎向沉降是污水管位移的主要組成部分.將模擬得到污水管最終沉降與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示.

通過對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，模擬得到的污水管沉降大于實(shí)地監(jiān)測(cè)得到的沉降，特別是測(cè)點(diǎn)GD5差異較大.這是由于實(shí)地工況中GD5周圍有B32號(hào)墩的4根樁對(duì)土體形成加固作用，造成測(cè)點(diǎn)GD5附近污水管沉降量較小，而本模型未考慮4根樁的影響，故差異較大.

圖7 套管拔出過程中污水管的位移曲線Fig.7 Displacement of waste pipe along casing pulling

圖8 污水管沉降過程中的模擬值與監(jiān)測(cè)值Fig.8 Comparison of the simulated results and monitored data

5 結(jié)論

針對(duì)套管法拔樁對(duì)既有污水管的影響，采用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)拔樁全過程進(jìn)行數(shù)值模擬.為反映實(shí)際施工過程，將拔樁全過程劃分為壓入套管、拔樁、拔出套管及回填3個(gè)步驟.通過計(jì)算與分析，得到如下結(jié)論.

(1)套管壓入過程中，隨著壓入深度的增加，污水管向樁體方向產(chǎn)生水平位移，且水平位移不斷增大;套管壓入達(dá)到污水管管底6 m以下后，繼續(xù)下壓過程中污水管水平位移增大趨勢(shì)減緩，并最終達(dá)到0.4 mm;隨著壓入深度的增加，污水管沉降不斷增大;套管壓入達(dá)到污水管管底6 m以下后，繼續(xù)下壓過程中污水管沉降不再繼續(xù)增大，逐漸穩(wěn)定在4 mm.

(2)套管拔出過程中，隨著套管拔出，污水管向樁體方向產(chǎn)生位移，且水平位移逐漸增大;當(dāng)套管上拔到污水管管底對(duì)應(yīng)高度后，繼續(xù)上拔使污水管水平位移突增;套管拔出高度超過污水管管頂后，繼續(xù)上拔過程中污水管水平位移不再增大，最大水平位移最終達(dá)到0.8 mm;隨著套管拔出，污水管沉降逐漸增大;套管拔出高度達(dá)到污水管管頂后，繼續(xù)上拔過程中污水管沉降增大趨勢(shì)減緩，最大位移最后穩(wěn)定在7 mm.

(3)豎向沉降是污水管整體位移的主要組成部分.在壓入套管和拔出套管過程中，污水管水平位移均約為其沉降的1/10.因此，在施工過程中應(yīng)重點(diǎn)控制污水管沉降，并考慮水平位移的影響;在對(duì)污水管位移進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)以沉降監(jiān)測(cè)為主.

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