楊 軍，趙 川

（1、廣州市市政工程設計研究總院有限公司 廣州510060；2、上海大學土木工程系 上海200444）

近年來，隨著城市建設的飛速發(fā)展，地下空間不斷被開發(fā)，軌道交通不斷在發(fā)展。隨之而來的是許多工程項目被迫在隧道附近施工，因此如何把樁基施工對隧道地影響降到最低，成為此類工程施工的重點和難點［1-3］。上海的相關部門根據(jù)本地土層特點，制定了軌道交通附近工程施工的控制標準［4］。

樁基施工對周邊土體的擾動是不可避免的，土中應力變化會引起隧道結構附加應力和附加內(nèi)力的變化，對隧道產(chǎn)生不利影響［5］。國外對此的研究較早，Benton等人［6］曾對群樁荷載造成的隧道縱向影響進行研究；Schroede［7］運用有限元方法分析了樁與隧道樁的相互影響。國內(nèi)對此的研究相對來說進行得較晚，黃志忠［8］對近距離地鐵隧道樁基設計的敏感性參數(shù)和施工技術進行了綜合分析；代志萍［9］采用數(shù)值模擬的方法，分析了鉆孔灌注樁施工對隧道產(chǎn)生的影響。張戈［10］提出軟土地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁施工對緊鄰運營地鐵隧道的位移控制對策。以上研究都是基于正常施工不發(fā)生意外的情況下，但由于鉆孔灌注樁的成樁工藝在施工過程中易發(fā)生塌孔、流砂、涌泥、縮頸、斷樁等現(xiàn)象，這些都可能對隧道造成破壞。采用鋼套管對樁孔護壁，不僅能避免發(fā)生此類工程事故，而且能進一步減少樁基施工對隧道及周邊土體的影響。閆靜雅［11］對比了加設鋼護筒、預設加固樁以及在地鐵運營空窗期快速施工等3種鉆孔灌注樁的施工保護措施，并分析了各種措施的優(yōu)劣。范禮彬等人［12］結合現(xiàn)場試樁試驗結果，分析全套管回旋灌注樁施工對高鐵樁基的影響，并對變形規(guī)律進行總結。這些研究表明采用鋼套管能夠減少樁基施工的影響。不過使用鋼套管護壁相較于泥漿護壁的成本會高出很多，將2 種工法結合，可以保證施工的安全性也能節(jié)約施工成本，但目前相關鋼套管的設計還未有統(tǒng)一標準。

本文以上海某軌道交通為依托，通過數(shù)值模擬的方法，分析套管長度對隧道的影響規(guī)律，從而得出既能保證安全性又能保證經(jīng)濟性的施工方案，為今后的類似工程提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 模型設置和模型參數(shù)

本研究以鉆孔灌注樁對鄰近上海某軌道隧道的影響為工程背景，建立計算模型，工程地層分布如圖1所示。基于Flac3D有限差分軟件建立數(shù)值計算模型，如圖2所示。

圖1 地層分布Fig.1 Stratigraphic Distribution

圖2 Flac3D模型Fig.2 Flac3D Model

模型中樁長30.0 m，樁徑1.0 m，隧道埋深12.0 m，隧道直徑6.2 m。鉆孔灌注樁距離隧道（下文簡稱為樁隧距）3.0 m。模型長度70.0 m，高度75.5 m，由于忽略軸向變形，故寬度方向6.0 m。該模型總計313 168個單元，34 604個節(jié)點。

模型中各層土的物理力學參數(shù)采用勘察成果資料，如表1 所示。本文中土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，由于該模型回彈模量和壓縮模量為同一值，但回彈模量會大于壓縮模量，為消除影響，輸入的彈性模量為壓縮模量的4倍。隧道采用線彈性模型模擬，彈性模量取32.5 GPa，泊松比取0.167。鋼套管用Flac3D 中的殼單元模擬。殼單元在Flac3D 屬于結構單元，所輸參數(shù)可以模擬鋼套管與土之間的接觸不需要另建接觸面，并且能更容易獲取所需數(shù)據(jù)。

表1 土體物理力學參數(shù)Tab.1 Soil Physical and Mechanical Parameters

1.2 邊界條件

本文中模型邊界為標準邊界。底邊全約束，約束其x、y、z三個方向的位移，左右兩邊約束x向位移，前后兩邊約束其y向位移，上邊為自由邊界，不施加約束。

1.3 施工過程

根據(jù)黃大維等人［13］的研究，當鋼套管下壓到一定深度，地基承載力會小于小于土柱底部應力，套管底部土體剪切破壞，從而發(fā)生擠土效應。由本文土層信息計算得出，當鋼套管一次旋入8.7 m 后，鋼套管繼續(xù)下壓會發(fā)生擠土效應。為減小甚至避免出現(xiàn)擠土效應，本文采取鋼套管邊跟進邊挖土的方式，分段開挖，每段開挖不大于8.0 m，并且在鋼套管深入隧道底部一定深度后采用泥漿護壁正循環(huán)工法進行施工，既能減少對隧道的擾動，又能節(jié)約工程成本［14］。

鉆孔灌注樁施工模擬步驟：①在自重應力下達到初始應力平衡；②隧道開挖、支護，再次達到地應力平衡；③鉆孔灌注樁分段開挖。

1.4 鋼套管以及泥漿模擬

鋼套管采用殼單元模擬，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3。泥漿護壁過程等效為靜水壓力荷載，泥漿壓力計算公式為：

式中：P為深度h處的等效靜水壓力；ρ為泥漿密度，根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范：JGJ 94—2008》［15］，一般地層泥漿密度應為1.1～1.2 g/cm3，本文中取1.2 g/cm3；g為重力加速度，取10 m/s2。

2 模擬結果分析

本文設計了4 種方案（見表2）進行灌注樁施工，分別分析隧道水平方向位移、豎直方向位移以及所受彎矩和軸力的變化，隧道觀測點選擇隧道拱頂、左拱腰、拱低和右拱腰4 處。同時分析深層土體水平位移和附近地表沉降，來綜合判斷鋼套管的最優(yōu)長度。

表2 施工方案Tab.2 Construction Plan

2.1 隧道襯砌受力分析

各方案模擬施工使隧道軸力玫瑰圖和各觀測點的軸力變化如圖3、圖4所示。

圖3 各方案隧道襯砌軸力玫瑰圖Fig.3 Rose Diagram of Axial Force of Tunnel Lining in Each Scheme

圖4 護壁套管長度不同時隧道軸力變化Fig.4 Change of Tunnel Axial Force with Different Length of Protective Casing

從圖3、圖4 可以看出，總體來說軸力最大的位置位于拱底，且左拱腰和拱底處的軸力會大于拱頂和右拱腰處，這說明灌注樁的施工引起隧道襯砌軸力的增加。隨著套管的長度增加，隧道所受軸力越小。4個方案的軸力最大值分別為6.8 kN、4.6 kN、3.4 kN、2.9 kN，隨著護壁套管長度增加，方案2～方案4 相對方案1 軸力減少2.3 kN、1.2 kN、0.5 kN，可見護壁套管長度超出隧道底部由0 m增加到4 m時軸力減少最多。

2.2 隧道襯砌變形分析

各方案隧道襯砌水平位移和垂直位移如圖5所示。

圖5 護壁套管不同長度時隧道位移Fig.5 Displacement of Tunnel with Different Length of Protective Casing

從圖5中可以看出，由于護壁套管長度變長，隧道4個觀測點的水平和垂直位移減小。左拱腰和拱底處的位移會大于拱頂和右拱腰處。在拱底處，4 個方案的水平位移分別為5.5 mm、4.5 mm、4.1 mm、3.9 mm，豎直位移分別為8.1 mm、6.0 mm、5.1 mm、4.8 mm。從數(shù)據(jù)可以看出，護壁套管長度從超出隧道底部0～4 m時，水平位移減少程度最高。繼續(xù)增加鋼套管長度對減少隧道水平位移效果變差。最大的水平位移為5.5 mm，最大的垂直位移8.5 mm，均低于警戒值，并且垂直位移略大于水平位移。

2.3 深層土體水平位移分析

深層土體水平位移觀測區(qū)距離隧道左拱腰1 m處，距離地表0～45 m 的水平位移如圖6所示。深層土體的水平位移在0～12 m 的范圍內(nèi)水平位移逐漸增加，在12～20 m 出現(xiàn)凹處，是由于隧道位于該土層，影響了土體的位移。深度在20 m以后，土體的水平位移迅速增加，這是由于使用泥漿護壁工法后，土層發(fā)生損失，土體水平位移增加迅速。在鋼套管護壁范圍內(nèi)，施工造成的土體位移影響較小，說明鋼套管對減小土體位移有良好效果。各個方案土體的最大位移分別為：鋼套管超出4 m時減少的土體位移效果明顯，繼續(xù)增加鋼套管長度，效果減弱。套管長度越長水平位移出現(xiàn)的最大值處逐漸下移。樁長只有30 m，土體發(fā)生位移的深度大于30 m，說明鉆孔灌注樁對深度超過樁長的土體存在影響。

圖6 護壁套管不同長度時深層土體水平位移Fig.6 Horizontal Displacement of Deep Soil under Different Length of Casing

2.4 地表沉降分析

位于鉆孔灌注樁右側，隧道上面的地表處沉降如圖7所示。4種方案引起的地表沉降值相似，表明鋼套管護壁對于減少地表沉降效果不佳。距離樁側1 m處左右的地表沉降值最大，4 種方案沉降最大值分別為3.0 mm、2.9 mm、2.7 mm、2.6 mm，且地表沉降值隨著逐漸遠離樁而逐漸減小，影響范圍大約為0～7 m，約是樁徑的7倍。

圖7 護壁套管不同長度時地表沉降Fig.7 Surface Settlement under Different Length of Wall Protection Casing

2.5 樁徑分析

在其他參數(shù)保持不變的基礎上，模擬樁徑分別為800 mm、1 000 mm、1 200 mm 時，4 種方案完成施工后引起隧道襯砌變形的情況。選取變形較大的左拱腰處作為觀測點，其水平位移和垂直位移如圖8所示。

圖8 不同樁徑時隧道位移Fig.8 Displacement of Tunnel with Different Pile Diameters

由圖8 可以看出，隧道襯砌的水平位移和垂直位移受樁徑的影響，樁徑越大引起的隧道襯砌位移越大。4 種施工方案中，當護壁套管長度從超出隧道底部0～4 m 時，效果最明顯，繼續(xù)增加鋼套管長度對減少隧道位移效果變差。各方案水平位移差值如表3所示。因此，當其他的施工條件不變時，樁徑大小改變，效果最優(yōu)的鋼套管護壁長度不受影響。

表3 各施工方案隧道襯砌水平位移差值Tab.3 Horizontal Displacement Difference of TunnelLining in Each Construction Scheme （mm）

由本文2.1節(jié)可知方案2，也就是鋼套管護壁超過隧道底部4 m時，軸力減小的效果最好，因此選擇方案2觀測隧道襯砌在樁徑不同時的軸力，如圖9 所示?？梢钥闯?，軸力隨著樁徑的增大而增大，并且在隧道左下部分，軸力受到樁徑的影響會比其他部分更大。軸力最大點位于拱底處，最大軸力分別為4.3 kN、4.6 kN、4.9 kN，均低于警戒值。

圖9 不同樁徑時隧道襯砌軸力玫瑰圖Fig.9 Rose Diagram of Axial Force of Tunnel Lining under Different Pile Diameters

2.6 樁隧距分析

在其他參數(shù)保持不變的基礎上，模擬樁隧距分別為3 m、5 m、7 m 時，4 種方案完成施工后引起隧道襯砌變形的情況。同本文2.5 節(jié)一樣選擇左拱腰處作為觀測點，其水平位移和垂直位移如圖10所示。

圖10 不同樁隧距時隧道位移Fig.10 Displacement of Tunnel with Different Distance between Piles and Tunnels

由圖10可以看出，樁隧距越大隧道襯砌的水平位移和垂直位移越小。樁隧距為3 m 時，方案2 的施工工況下，水平位移4.1 mm，而當樁隧距為7 m時，方案1的施工工況下，水平位移為4.4 mm，略大于前值。這說明樁隧距增加，可以適當減少鋼套管護壁的長度?？紤]經(jīng)濟效益，遠離隧道的鉆孔灌注樁可以選擇更短長度的鋼套管甚至不使用鋼套管護壁。

在方案2 的施工工況下，隧道襯砌在樁隧距不同時的軸力，如圖11 所示。當樁隧距增大時，隧道襯砌所受的軸力減小。樁隧距3 m、5 m、7 m 時，拱底處軸力分別為4.6 kN、4.3 kN、3.7 kN，樁隧距5 m、7 m 相較于3 m，軸力分別減少了0.3 kN、1.9 kN，可見樁隧距越大，軸力減小的程度越高。

圖11 不同樁隧距時隧道襯砌軸力玫瑰圖Fig.11 Rose Diagram of Axial Force of Tunnel Lining under Different Distance between Piles and Tunnels

3 結論

本文采取數(shù)值模擬的方法，分析了不同長度的鋼套管對鄰近隧道的內(nèi)力、變形，以及對樁與隧道間深層土體水平位移和地表沉降的影響。得出以下結論：

⑴軸力最大的位置位于拱底，且左拱腰和拱底處的軸力會大于拱頂和右拱腰處。隨著套管的長度增加，隧道所受軸力越小。

⑵由各方案對比分析可知，鋼套管長度超出隧道底部4 m，然后采取泥漿護壁工法施工，對隧道的內(nèi)力和位移影響小且更加經(jīng)濟。

⑶使用增加鋼套管長度對于減小地表沉降的效果不明顯。該工法施工時，地表沉降最大值發(fā)生在一倍樁徑處，沉降值隨著距離的增加逐漸減少，影響范圍大概為樁徑的7倍。

⑷同等條件下，樁徑增大，隧道襯砌的變形增加，但是改變樁徑，鋼套管的最優(yōu)長度不會因此改變。

⑸樁隧距越大，隧道襯砌的變形越小，鋼套管護壁的長度可以適當減短。隧道襯砌所受的軸力隨著樁隧距增大而減小，并且樁隧距越大，軸力減小值越大。