陳鑫磊，張學(xué)民，趙勇，劉繼強(qiáng)，喻偉，周賢舜，董宗磊

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518052）

近年來，我國各大城市軌道交通事業(yè)發(fā)展迅猛，伴隨著城市化進(jìn)程，地鐵線路不可避免地與既有建筑物及其樁基礎(chǔ)在空間上產(chǎn)生交匯，在施工影響較大時需采取樁基托換施工措施。根據(jù)國內(nèi)外的施工實(shí)例[1-3]，樁基托換施工一般在地面施作托換梁或托換承臺等結(jié)構(gòu)進(jìn)行樁基的再承托，但在不具備地面施工條件的情況下，需要采取洞內(nèi)樁基托換的方法。與地面樁基托換不同，洞內(nèi)樁基托換僅截除樁基侵入隧道的部分，對隧道上部樁基進(jìn)行保留，且直接利用隧道自身襯砌作為承托梁，將被托換樁與隧道襯砌進(jìn)行連接。根據(jù)洞內(nèi)樁基托換施工特性可知，與常規(guī)隧道近穿樁基施工相比，此類工程中樁基會經(jīng)歷隧道開挖，樁基出露以及樁基截除等階段的影響，受力過程更為復(fù)雜，施工控制難度更大。因此，為了確保隧道順利通行及上部建筑結(jié)構(gòu)的安全，分析這類施工過程中樁基力學(xué)機(jī)理，明確關(guān)鍵影響因素，從而形成有效的預(yù)防控制措施是十分必要的?，F(xiàn)階段關(guān)于洞內(nèi)樁基托換的研究主要從施工技術(shù)方面[4-6]及隧道受力方面[7]進(jìn)行闡述，對于隧道開挖及托換過程中樁基的受力及變形規(guī)律尚缺少研究。目前國內(nèi)外學(xué)者就隧道開挖對鄰近樁基影響做出了一定研究，研究方法主要包括模型試驗(yàn)法[8-10]，理論解析法[11-13]以及數(shù)值模擬法[14-17]。而針對于隧道正穿樁基且對侵入樁基進(jìn)行托換保留的情況下，施工對既有樁基影響的研究則較少。為彌補(bǔ)關(guān)于隧道洞內(nèi)樁基托換施工過程中被托換樁基受力變形規(guī)律的研究空缺，本文依托深圳地鐵10號線益田停車場出入線暗挖區(qū)間工程，利用FLAC3D軟件對隧道開挖正穿樁基及洞內(nèi)樁基托換全過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析不同施工階段樁基力學(xué)響應(yīng)機(jī)理。

1 工程背景

1.1 工程概況

深圳市城市軌道交通10號線工程益田停車場出入線區(qū)間礦山法隧道區(qū)間起于福田口岸站西端盾構(gòu)井，止于盾構(gòu)接收井東端墻，全長82.850 m，線間距7.5～8 m，暗挖段隧道為雙洞隧道，埋深約為18～19 m。暗挖隧道平面示意圖參見圖1，地質(zhì)縱斷面圖參見圖2。

圖1 隧道下穿查驗(yàn)臺及人行天橋平面圖Fig.1 Layout plan of tunnel underpass inspection platform and pedestrian bridge

圖2 右線地質(zhì)縱斷面圖Fig.2 Geological profile of the right line of the tunnel

隧道距離福田口岸站約13～52 m段下穿海關(guān)人工檢查臺及其附屬人行天橋。海關(guān)查驗(yàn)臺為樁基礎(chǔ)，采用C80和Φ400 mm的預(yù)應(yīng)力管樁，樁長25 m，有18根樁基侵入礦山法段隧道；人行天橋有一根樁侵入隧道，該樁為C40和Φ800鉆孔灌注樁，樁長27 m。

1.2 托換段施工方案

洞內(nèi)樁基托換施工方法的核心思路是利用隧道自身襯砌結(jié)構(gòu)作為托換梁，為需要截除的侵入樁基提供端承力。本工程通過施加3層支護(hù)，包括初支，托樁套拱以及二襯，從而增加隧道支護(hù)剛度，提高隧道承載力，其中托樁套拱的具體施工工藝流程：

1)進(jìn)行降水、注漿加固等施工準(zhǔn)備；2)開挖至托換樁時及時施作初支；3)施作鋼托盤嵌入樁基，并施作托樁套拱鋼拱架，將鋼托盤與套拱鋼架焊接至一起；4)利用高強(qiáng)噴射混凝土施作托樁套拱；5)待套拱強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，截除樁基，施作二襯。

施工工藝流程如圖3所示。

圖3 洞內(nèi)托換施工流程Fig.3 Construction of underpinning in tunnel process in the tunnel

2 三維數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 模擬斷面選取

由于市政規(guī)劃等多方面因素，隧道所下穿的海關(guān)查驗(yàn)樓將會拆除重建，僅保留人行天橋部分，故現(xiàn)場施工重點(diǎn)對人行天橋樁基進(jìn)行了樁基托換處理，為與實(shí)際工程作為計算參照，本文也將選取人行天橋樁基礎(chǔ)前后5 m范圍作為本次數(shù)值模擬計算模型范圍。

2.2 計算模型

為消除邊界效應(yīng)影響，模型橫向?qū)挾热?0 m(約為10倍單洞洞徑)，縱向長度取10.5 m，模型高度根據(jù)隧道埋深等因素取為36 m，即模型整體尺寸為70×6×36(X×Y×Z)。模型整體及樁與隧道相對位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of the overall model

2.3 模型參數(shù)

1)地層結(jié)構(gòu)參數(shù)

計算采用大型巖土有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行模擬，土體采用三維實(shí)體單元，隧道初支及托樁套拱采用實(shí)體單元，隧道二襯采用二維結(jié)構(gòu)單元，橋梁樁基采用實(shí)體單元。地層采用莫爾庫倫本構(gòu)，其余建筑結(jié)構(gòu)物則采用彈性本構(gòu)模型，巖土物理力學(xué)參數(shù)選取參考鐵三院印發(fā)的《深圳市城市軌道交通10號線地質(zhì)勘查報告》，各單元參數(shù)參見表1。

表1 材料參數(shù)Table1 Material parameter

2)樁土接觸參數(shù)

為了模擬樁基與土的相對滑移與分離，本次模擬在樁-土交界面處施加了接觸單元面進(jìn)行模擬，接觸單元面可以模擬樁土間的相對位移情況，適用于模擬樁基在軟弱地層中開挖造成地層變形較大的情況下的相對位移情況及樁基承載力的變化情況，樁土接觸單元參數(shù)根據(jù)FlAC3D手冊中介紹的計算方法選取[18]，參見表2所示。

表2 接觸面單元參數(shù)Table 2 Contact surface element parameters

3 數(shù)值計算結(jié)果

3.1 數(shù)值計算與監(jiān)測結(jié)果對比

為監(jiān)測隧道施工時上部建筑變形情況，現(xiàn)場于海關(guān)查驗(yàn)樓柱體及人行天橋橋墩處布置了沉降測點(diǎn)，測點(diǎn)平面布置如圖5所示，本文數(shù)值模擬計算模型中的樁基上部橋墩對應(yīng)為圖中測點(diǎn)11。通過提取數(shù)值模擬各階段橋墩沉降值，與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行對比，繪制橋墩沉降計算值與實(shí)測值對比曲線圖如圖6所示。由對比曲線圖可知，數(shù)值計算中橋墩沉降變化規(guī)律與實(shí)際監(jiān)控量測的規(guī)律基本一致。隨著開挖進(jìn)行，橋墩沉降逐漸增大，在樁基出露這一階段開始，橋墩沉降速率顯著提升，而隨著樁基完成托換后，橋墩沉降速率開始放緩并最終趨于平穩(wěn)。

圖5 上部建筑變形測點(diǎn)平面布置Fig.5 Layout plan of upper building deformation measuring points

圖6 數(shù)值計算與實(shí)測橋墩沉降值對比曲線Fig.6 Comparison curve between numerical calculation and measured of bridge pier settlement

數(shù)值計算所得橋墩沉降值較實(shí)際測量值要小。分析可知施工中，由于現(xiàn)場超前注漿加固造成了前期的地層隆起，隨著注漿消散作用，地層及建筑也會產(chǎn)生一個相對沉降值，而數(shù)值模擬計算過程中未考慮注漿效應(yīng)的影響，因此計算所得橋墩沉降值要小于實(shí)測統(tǒng)計的橋墩沉降值。但本次計算所得橋墩沉降值與實(shí)際差值較小，且變形規(guī)律與實(shí)測值基本一致，可以證明本次數(shù)值模擬與實(shí)際情況較為吻合。

3.2 隧道開挖對樁基影響分區(qū)

隧道開挖對所穿越樁基的影響因素較多，包括隧道-結(jié)構(gòu)物空間關(guān)系，隧道開挖尺寸，施工方法，地層條件等，因此分析隧道穿越樁基是一個復(fù)雜的綜合性問題，很難通過單一要素對隧道所穿越的樁基影響程度做出一個定性分析。通過劃分影響分區(qū)，是一種較為直觀有效的方法。本文采用位移準(zhǔn)則進(jìn)行隧道開挖影響分區(qū)，根據(jù)樁基所處地層位移d的大小進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)主要參考《深圳城市軌道交通地下工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[19]，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 影響分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standard for the classifiction of influence zone

通過計算提取位移等值線如圖7所示，為簡化分析，將地層位移等值曲線簡化為直線，通過不同位移大小等值線劃定范圍，得到隧道開挖影響分區(qū)如圖8所示，分析圖8可知，樁基位于強(qiáng)烈影響區(qū)域，說明本工程隧道開挖對既有樁基會產(chǎn)生極為明顯的影響，十分有必要采取加固托換等措施保護(hù)樁基及上部結(jié)構(gòu)安全。

圖7 隧道貫通地層位移等值線Fig.7 Ground displacement map when the tunnels through

圖8 影響分區(qū)示意圖Fig.8 Schematic diagram of affected areas

3.3 樁基豎向響應(yīng)分析

1)樁基豎向位移分析

樁基隨開挖過程豎向位移曲線如圖9所示，分析可知，隨著隧道開挖，樁基沉降不斷的增大，樁身整體呈現(xiàn)下沉趨勢，在完成樁基托換后，樁基沉降值逐漸穩(wěn)定，樁基最大沉降值位于樁頂，最大沉降值達(dá)到9.5 mm。

圖9 各開挖階段樁基豎向位移曲線Fig.9 Vertical displacement curves diagram of pile in each excavation stage

左線隧道開挖過程中，樁基整體沉降較為均勻，樁頂樁端相對位移值約為0.5 mm，變形主要以下沉變形為主，隨著右線隧道的開挖，樁身沉降值繼續(xù)增大，但對比左線開挖，樁基底部沉降增長較頂部要小，樁頂與樁底之間沉降差值增大至約1.8 mm，在下沉的同時，亦呈現(xiàn)出擠壓變形。

2)樁基軸力分析

圖10為樁基各階段軸力分布圖，分析可知，樁基軸力整體呈受壓狀態(tài)，隨著隧道開挖，樁基軸力逐漸增大，在右線隧道開挖至樁基出露時，樁基軸力達(dá)到最大值，最大軸力值為1 534 kN。隨著樁基托換結(jié)束，隧道后續(xù)開挖，樁基整體軸力未出現(xiàn)明顯變化，截樁后樁基軸力最大值為

圖10 各開挖階段樁基軸力分布曲線Fig.10 Axial force distribution curves of pile in each excavation stage

1 311 kN。

分析樁基軸力隨深度分布規(guī)律可知，在隧道開挖之前，樁基軸力分布隨著深度增加而增大，而當(dāng)隧道開挖以后，樁基軸力分布發(fā)生了變化，開挖后樁基軸力隨深度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，樁基軸力最大值位置在隧道中心點(diǎn)埋深處。

3)樁土相對位移

上述樁基豎向響應(yīng)可從樁土相對位移進(jìn)行分析，右線隧道開挖土體變形與樁基變形相對位移特征如圖11所示，由于樁基侵入右線隧道，在右線隧道開挖過程中，位于開挖洞室底部土體受開挖影響較小，該部分土體沉降值較小甚至由于卸荷作用隆起，因此這部分土體相對樁基產(chǎn)生向上的位移，形成正摩阻力，阻止樁基底部沉降的增大。同時洞室上部分樁側(cè)土體沉降則較大，土體沉降相對樁基向下位移，在樁側(cè)產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力，受此作用，樁基會產(chǎn)生擠壓變形，同時樁基整體受壓，軸力最大處出現(xiàn)在樁基出露部分。

圖11 出露階段樁土豎向相對位移曲線Fig.11 Curves of vertical relative displacement of pile-soil in the exposed stage

3.4 樁基豎向承載力變化分析

根據(jù)3.1節(jié)，3.2節(jié)分析可知，本工程樁基承載力受隧道開挖影響主要可以分為3個階段：樁基出露前階段、樁基出露階段及樁基截除并完成托換階段。分析樁基承載力所受影響也可從這3個階段進(jìn)行分析。通過在樁頂施加集中荷載，進(jìn)行樁基載荷試驗(yàn)，每級荷載按300 kN一級逐級加載，通過提取結(jié)果繪制Q-S曲線。

判別樁基達(dá)到極限承載力的評判標(biāo)準(zhǔn)有多種，根據(jù)《建筑樁基監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[20]規(guī)定，對于陡降型Q-S曲線，可取Q-S曲線出現(xiàn)陡降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為樁基極限承載力。而對于緩降型曲線，可取樁頂位移達(dá)到50 mm時對應(yīng)的樁頂荷載作為樁基極限承載力。

圖12為各階段樁基Q-S曲線圖，由圖可知，樁基在未采取洞內(nèi)托換措施時，樁基Q-S曲線均呈陡降型。分析各階段極限承載力可知，在未受隧道開挖擾動時，樁基極限承載力約為5 500 kN，此時對應(yīng)的樁頂位移為36.126 mm；隨著左線隧道上臺階開挖，樁基極限承載力略有減少，樁基極限承載力降低至5 000 kN，對應(yīng)位移為36.96 mm。此時，隧道開挖對樁基影響仍較??；開挖至樁基出露階段時，樁基極限承載力為4 000 kN，相比于樁基未受開挖擾動前，極限承載力損失約27%，可以看出開挖至樁基出露受會使得樁基承載力明顯降低，嚴(yán)重影響到樁基正常使用及上部建筑的安全。

圖12 樁基托換前Q-S曲線Fig.12 Q-S curves diagram before pile underpinning

圖13為樁基完成洞內(nèi)托換后的Q-S曲線圖，此時樁基Q-S曲線呈現(xiàn)緩降型，樁基未出現(xiàn)位移陡降的現(xiàn)象。對于緩降型Q-S曲線，取樁頂沉降達(dá)到50 mm時為極限承載力值，此時樁頂荷載達(dá)到23 500 kN，相比于初始狀態(tài)，極限承載力值提升了約4倍。且隨著荷載增加，樁基位移變化整體呈線性關(guān)系。說明利用隧道襯砌對樁基進(jìn)行承托為樁基提供充足的端承力，洞內(nèi)樁基托換是一種確保截樁后樁基承載力的有效方法。

圖13 樁基完成托換后Q-S曲線Fig.13 Q-S curve diagram after pile underpinning

4 結(jié)論

1)通過施工影響分區(qū)劃分可知被托換樁基位于隧道開挖影響強(qiáng)烈的區(qū)域，因此建議在隧道開挖前采取超前地層加固以及地表袖閥管注漿等措施，以減小地表沉降及上部建筑物變形。

2)分析樁基豎向力學(xué)響應(yīng)及原因可知樁基產(chǎn)生變形及內(nèi)力變化主要原因?yàn)樗淼篱_挖引起的樁側(cè)土體變形，因此在臨近樁基開挖時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小開挖進(jìn)尺及單次開挖斷面大小，以減小隧道開挖引起的地層變形。

3)隧道開挖會造成樁基極限承載力損失，在樁基出露階段極限承載力損失最大，損失值達(dá)到約27%，而完成樁基托換后，樁基整體承載力得到明顯的提升，說明洞內(nèi)托換可有效提高建筑樁基承載能力。

4)樁基出露階段樁基變形，內(nèi)力及承載力損失均達(dá)到最大值，因此該階段應(yīng)作為洞內(nèi)托換施工控制關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)，建議該階段應(yīng)當(dāng)增加施工監(jiān)測頻率，并快速施作托換結(jié)構(gòu)，確保能夠及時控制樁基及上部建筑變形。