盾构隧道近邻建筑物桩基的相互影响分析
2011-07-02 19:09
盾构隧道近邻建筑物桩基的相互影响分析
【摘 要】以某城际轨道交通盾构隧道工程为背景，建立了盾构隧道近邻建筑物桩基的二维有限元分析模型，对盾构近邻穿越建筑物桩基时桩基与盾构隧道结构的相互影响进行了分析。建筑物桩基的存在对盾构隧道的受力有不利影响，而桩体的存在对盾构引起的变形有隔离作用。通过隔离桩的设置可以达到降低建筑物沉降与倾斜的作用，并对隔离桩桩径进行了分析。
【关键词】盾构隧道 建筑物桩基 隔离桩
随着国家综合实力的逐步提高，城市及城际轨道交通等公共交通基础设施建设的力度也在大幅加快，而此类轨道交通受到环境、规划等限制，位于城市内部的大部分线路选择地下铺设的方式，这样，不可避免地会出现隧道与大量既有建筑物“擦肩而过”的情况。在近邻穿越过程中，盾构隧道自身的安全性以及穿越过程中对建筑物沉降的影响成为普遍关注和研究的热点问题［１－２］。有学者采用力学分析和数值计算的手段对盾构隧道近邻穿越桩基地层引起的地层受力和变形进行了一定的研究［３－５］。由于岩土层及其相互作用的复杂性，目前还未形成系统的评价与设计方法，故针对此种情况进行全面分析，并采取相应措施，从而确保隧道结构和建筑物的安全成为迫切需要解决的课题。
本文以某城际轨道交通隧道从高层建筑间穿越的工程实例，对隧道和近邻建筑物桩基的相互影响进行有限元分析，对建筑物的安全性进行评估，并给出了可行的保护措施。
１、工程概况
拟建隧道为左右线单线隧道，隧道内径为７．７ｍ，外径为８．５ｍ，线间距为１５．５ｍ。左右线隧道两侧分别分布有高层建筑。假定左线隧道左侧为Ａ座，右线隧道右侧为Ｂ座。Ａ座建筑共１８层，框架结构，基础一般采用６桩承台，直径６００ｍｍ预应力管桩，桩长２５ｍ，单桩设计承载力２ ４００ｋＮ，桩基与左线隧道最小净距约１．５ｍ，承台中心距离隧道最小净距约３ｍ。Ｂ座建筑共１０层，框架结构，基础一般采用５桩承台，直径５００ｍｍ预应力管桩，桩长２０ｍ，单桩设计承载力１ ８００ｋＮ，桩基与左线隧道最小净距约２．５ｍ，承台中心距离隧道最小净距约４ｍ。Ａ、Ｂ座建筑柱间距均为９ｍ。隧道拱顶埋深约１０ｍ。
建筑物从上至下地层依次为填土层、可塑状粉质粘土层、中砂层、硬塑状花岗岩残积层、花岗岩全风化层。地下水位为地下１ｍ。具体地层力学参数见表１。
２、盾构隧道近邻既有建筑物桩基的数值分析
地下结构的计算不同于一般结构物。首先，地下结构与岩土介质结合成一个连续的或不连续的整体系统，相互作用，共同受力；其次，土介质材料一般呈不均质、各向异性的非线性性态，通常都处于二维或三维的复杂应力状态。因此，在实际中，隧道对地表建筑物的影响是一个非常复杂的问题。严格说来，此类隧道近邻桩基的情况应采用三维有限元分析，但考虑到地表构筑物及隧道的走向方向基本一致，且在其纵向延伸方向上长度都比较长，另外从目前的研究结果看，二维模型也能较好地解决问题，故本文将其简化为平面应变问题，并以垂直于隧道走向方向的断面作为计算剖面。
２．１ 数值分析内容
基于本工程实际，本次盾构隧道近邻既有桩基的相互影响分析着重以下３个方面：
（１）对比隧道在无桩和近邻桩基的２种情况下，隧道衬砌自身的内力及地层位移情况。
（２）在有桩条件下，确定合理的左右线隧道的开挖顺序以减少隧道开挖对建筑物的影响。
（３）研究设置隔离桩对建筑物桩基的保护作用。
２．２ 模型的建立
考虑到建筑物同一承台下桩基的群桩效应，故对承台下的桩基按照弹性模量等效的方法转化为桩土复合实体桩；又因为柱（承台）纵向间距为９ｍ，采用刚度相等方法，将此复合实体桩折算为板桩形式，进行二维平面应变问题的建模分析。
为了验算隧道开挖导致的建筑物不均匀沉降，模型中每座建筑物取３列桩进行分析，桩间设置板结构，板结构刚度按照上部结构楼板的刚度进行折算。
模型平面宽度为８０ｍ，高度为３０ｍ。土体本构模型采用摩尔－库仑模型。
有限元计算采用ＰＬＡＸＩＳ２Ｄ岩土计算软件包。桩土间引入界面单元，以实现摩擦桩效果。
隧道开挖按照毛洞状态释放３０％的围岩应力，衬砌安装后按释放７０％的应力考虑。
２．３ 近邻桩基对隧道结构的影响
在均为先开挖左洞后开挖右洞的前提下，分别按照无桩和有桩２种工况进行数值模拟分析，获得隧道衬砌的内力值，见表２，衬砌弯矩图以及地层沉降位移云图见图１～３。
从图１及表２可见：
（１）无桩条件下，衬砌弯矩基本呈对称分布（拱顶正弯矩略向后开挖隧道方向倾斜），与修正惯用法计算得到的弯矩图形状基本一致；有桩条件下，衬砌的最大正、负弯矩均向有桩一侧的边墙偏移，且两侧边墙处的最大负弯矩大小不一致。
（２）有桩条件下，隧道衬砌的弯矩较无桩条件有明显变化，特别是先开挖隧道衬砌的最大正负弯矩均有明显增加。本工程中分别提高约１７％和４５％，而轴力提高相对较小（约１０％）。也就是说有桩条件下，隧道的安全度呈下降趋势。
从图２、３中可见：
（１）无桩条件下，左右线隧道分步开挖，虽然先期开挖隧道的拱顶土层沉降略大于后开挖隧道，但地层沉降仍具有大致的对称性，沉降基本符合典型的沉降槽概念，形态与若干惯用的预估隧道沉降经验方法（如ｐｅｃｋ理论等）类似。地面沉降最大值位于两线中心位置，最大沉降值约３６．２９ｍｍ，隧顶土层的沉降漏斗趋于两线中心发展。
（２）有桩条件下，左右线隧道分步开挖，地层沉降基本对称，地面沉降最大处位于靠近隧道的桩基处，最大沉降值约为４１．３３ｍｍ；隧顶土层的沉降漏斗趋于桩基侧发展；两线隧道中心部位的地面沉降小于桩基侧。另外，桩基两侧的沉降存在较大差异，说明桩基本身起到了一定的隔离效果。
２．４ 近邻隧道开挖对建筑物桩基沉降的影响
在存在近邻桩基的情况下，分别按照先开挖左洞后开挖右洞和先开挖右洞后开挖左洞两种工况建立二维模型进行数值分析计算。２种工况的地层沉降云图见图３、４，将桩基的竖向沉降值列于表３中。表３中前桩为靠近隧道的桩基，后桩为远离隧道的桩基，中间的桩成为中桩，最大倾斜度为相邻两桩沉降差与桩间距９ｍ的比值。
从图３、４以及表３中可见：
（１）随着隧道开挖顺序的不同，建筑物桩基绝对沉降及倾斜也发生改变，说明合理确定左右洞隧道的开挖次序对于控制建筑物沉降的重要性。
（２）无论采用何种开挖顺序，Ａ、Ｂ座房屋前、中两排桩基的沉降差均大于《建筑地基基础设计规范》第５．３．４条规定的０．００２ Ｌ（Ｌ为柱间距）的限值，建筑物安全存在隐患，需要进行特殊处理。
（３）导致Ａ、Ｂ座房屋桩基沉降不一致的主要原因首先是离隧道的距离不一致，其次在于桩基的深度不一致。
（４）隧道开挖对后桩的影响已趋于０，可见桩基的存在对地层沉降起到一定的隔离效果。
２．５ 隔离桩对建筑物桩基变形影响的数值分析
本工程拟采用在隧道与近邻桩基间设置隔离桩的形式，控制近邻桩基的不均匀沉降，保护建筑物。依次采用直径６００、８００及１ ０００ｍｍ钻孔桩３种工况，对桩基保护效果进行数值模拟对比分析，桩间距均为１５０ｍｍ，开挖顺序为先开挖左洞后开挖右洞，模型中将钻孔桩按照刚度相等的原则，等效为板桩形式，３种工况下桩底均至隧底以下３ｍ考虑。将计算所得Ａ、Ｂ座各桩基的沉降结果置于表４中，将前桩的水平位移及弯矩置于图５中。
（１）隔离桩采用不同桩径，对建筑物的沉降控制基本没有区别，在本工程中均能满足建筑物的安全要求。
（２）不同桩径的隔离桩对前桩的水平受力及变形有一定影响，体现在刚度越大，前桩的最大水平位移越小，最大正负弯矩越小，单桩的倾斜度越小；但弯矩及水平位移的整体趋势一致。
（３）采用隔离桩后，前桩桩底有较大的趋于隧道方向的水平位移，这与不施加隔离桩时前桩的水平位移趋势相反。
（４）采用隔离桩后，前桩的水平弯矩增大，隧道上方桩体的正弯矩反弯点位置大体不变，但隧顶以下桩体弯矩的反弯点较不设隔离桩时下移。
３、结论
（１）当盾构隧道临近建筑桩基时。衬砌最大弯矩、轴力显著提高，其中负弯矩程度较大，轴力提高程度较小。最大正、负弯矩出现位置均向有桩一侧的边墙偏移，且两侧边墙处的最大负弯矩大小不一致。桩基的存在对盾构隧道安全度有不利影响。
（２）合理确定左右洞隧道的开挖次序，可以达到控制建筑物沉降及倾斜的目的。
（３）当需要采用隔离桩控制建筑物沉降时，桩径由６００ｍｍ提高至１ ０００ｍｍ，建筑物沉降几乎不变，因此在实际工程中可采用小桩径隔离桩。
参考文献
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［２］ 赵宏华，陈国兴，叶 斌．盾构掘进施工对周边单桩变形影响研究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１０，６（４）：７９４－８０２．
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