地鐵車站暗挖隧道施工對(duì)既有樁基的影響摘要：針對(duì)廣州地鐵五號(hào)線西村站暗挖隧道的設(shè)計(jì)和施工方案，運(yùn)用有限差分方法，論證了地鐵車站暗挖隧道施工過程中，其附近的既有樁基的受力特性及位移變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的施工關(guān)鍵工序和有效、合理的預(yù)加固措施。研究結(jié)果表明：樁側(cè)呈負(fù)摩阻力狀態(tài)，對(duì)樁基的受力非常不利；高架橋樁基最大軸力遞增了 30%，最大彎矩遞增了 2 倍多，安全系數(shù)降低了 40%，相應(yīng)地高架橋樁基承載能力降低了 40%，需注意關(guān)鍵工序施工；高架橋樁基屬于端承樁，在隧道施工過程中，樁端承載力不足，需采用相應(yīng)的加固措施；人行橋樁基內(nèi)力變化不大，但位移較大，在隧道施工過程中，應(yīng)密切注視上部結(jié)構(gòu)的變化；人行橋樁基屬于摩擦樁，但樁周土體剪應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值小于計(jì)算剪應(yīng)力，也需要采用加固措施。關(guān)鍵詞：隧道工程；地鐵車站；暗挖隧道；既有樁基1 引 言 接近既有結(jié)構(gòu)物進(jìn)行城市地下鐵道施工的實(shí)例越來越多，因此，接近施工技術(shù)已成為隧道施工技術(shù)的一個(gè)重要構(gòu)成部分。接近施工與一般施工不同，必須在設(shè)計(jì)、施工各階段中考慮到對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響。在接近施工中，究竟采用什么樣的措施，與既有結(jié)構(gòu)物和新設(shè)結(jié)構(gòu)物的位置關(guān)系、影響程度、既有結(jié)構(gòu)物的種類和重要程度等有密切關(guān)系，在設(shè)計(jì)、施工中必須慎重地加以研究[1，2]。針對(duì)以上情況，對(duì)廣州地鐵五號(hào)線西村站暗挖車站隧道接近施工進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以解決設(shè)計(jì)和施工中存在的問題。 廣州地鐵五號(hào)線西村站暗挖隧道距離內(nèi)環(huán)路高架橋樁基較近，其頂上有人行天橋樁基，距離明挖基坑也很近，且地下水發(fā)育，水位距樁頂 2 m 左右，設(shè)計(jì)方案擬采用明挖基坑施工完成后再開挖隧道。研究斷面情況如圖 1 所示。計(jì)算的目的是為了弄清隧道施工期間，其開挖及支護(hù)對(duì)既有樁基的影響，從而確定設(shè)計(jì)方案及措施。
2 計(jì)算情況2.1 施工過程模擬 在隧道施工之前，先施工明挖基坑防護(hù)樁，隨后開挖基坑，施工基坑底部樁基，待其底板澆注并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再開挖隧道。隧道施工采用中隔壁(CD)法施工[3，4]，循環(huán)進(jìn)尺為 1.2 m，初期支護(hù)緊跟掌子面，先開挖中隔壁內(nèi)側(cè)，后開挖中隔壁外側(cè)，開挖順序?yàn)橄乳_挖中洞，再開挖左洞，最后開挖右洞，等三洞初期支護(hù)全部施工完畢后，再拆除臨時(shí)支護(hù)，最后施作二次襯砌。具體的暗挖隧道開挖順序如圖 2 所示。2.2 計(jì)算參數(shù) 針對(duì)地勘資料，將圍巖綜合為 5 層材料性質(zhì)的巖土體，進(jìn)行研究[5，6]。超前小導(dǎo)管與系統(tǒng)錨桿通過提高所處圍巖物理力學(xué)指標(biāo)來等效處理[7]。材料物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示。2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù) 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 2 所示。2.4 計(jì)算模型 計(jì)算范圍選取為：上部至地表，下部至隧道仰拱以下 40 m，左取 150 m，右取 70 m，隧道埋深為23 m，縱向取 7 倍樁基直徑。隧道左右有水平約束，下部有豎向約束，前后有垂直其面的約束，地表為自由邊界。計(jì)算中，用實(shí)體單元模擬圍巖、二次襯砌、初期支護(hù)、樁基，用接觸單元模擬樁基與土體的摩擦效應(yīng)[8～12]，樁側(cè)法向和切向剛度均取 100MPa，樁底法向和切向剛度均取 480 MPa。高架橋樁基底部位于紅色風(fēng)化巖層中，頂部荷載為 3 000kN；人行橋樁基底部位于可塑殘積土層中，頂部荷載為 500 kN。計(jì)算模型采用流體–力學(xué)耦合模型，力學(xué)模型采用 Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，流體模型采用 Fluid-Isotropic 準(zhǔn)則，并指定土體不能承受負(fù)的孔隙壓力，總單元數(shù)為 24 715 個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為50 922個(gè)。3 高架橋樁基計(jì)算結(jié)果分析3.1 內(nèi)力隨施工變化規(guī)律 高架橋樁基內(nèi)力及安全系數(shù)變化規(guī)律如圖 3 所示。 通過對(duì)圖 3 的分析可以得出如下結(jié)論： (1) 最大樁身軸力并不在樁頂，說明樁側(cè)摩阻力在隧道施工過程中呈負(fù)摩阻力狀態(tài)，對(duì)樁基的承載能力非常不利，這主要是由于地下水位較高，地質(zhì)條件較差，隧道施工過程中，不可避免地導(dǎo)致地下水位降低，樁周土體固結(jié)下沉而引起的[13]。 (2) 高架橋樁基軸力隨施工推進(jìn)總體上呈遞增趨勢(shì)，在整個(gè)施工過程中，樁基中部以上控制截面軸力變化較小，最終軸力與初始軸力相比，最大遞增量?jī)H為 200 kN，同比遞增了 6%；中部以下控制截面軸力變化較大，發(fā)生在樁基底端以上 10 m 處，最終軸力與初始軸力相比，最大遞增量可達(dá) 900kN，同比遞增了 30%，是高架橋樁基的控制截面。前 4 步施工，樁基 1 軸力變化幅度較小，遞增量?jī)H為 130 kN；第 5 步施工時(shí)，樁基 1 軸力有較大突變，突變量可達(dá) 250 kN，此時(shí)樁基 1 的最大軸力為－38 00 kN，發(fā)生在樁基 1 底端以上 10 m 處，是樁基 1 軸力變化較大的關(guān)鍵工序；后繼施工中，軸力雖仍在遞增，但遞增幅度相對(duì)較小，平均每步遞增幅度僅為 15 kN；樁基 1 的最大軸力為－3 978 kN，發(fā)生在樁基 1 底端以上 10 m 處，同比遞增了 20%。前 6 步施工中，樁基 2 軸力變化較大，遞增量可達(dá)590 kN，平均每步變化接近 100 kN，這是樁基 2 軸力變化較大的關(guān)鍵工序；后繼施工中，中洞臨時(shí)支護(hù)拆除，這也是樁基 2 軸力變化較大的關(guān)鍵工序，軸力突變了 130 kN；樁基 2 的最大軸力為－3 906kN，同比遞增了 30%，也發(fā)生在樁基 2 底端以上10 m 處。 (3) 高架橋樁基彎矩隨施工總體上呈遞增趨勢(shì)。樁基 1 的彎矩變化較大的區(qū)段為樁基底端以上12 m樁身，且最大彎矩發(fā)生在樁基底端以上10 m處。前 14 步施工，樁基 1 的彎矩基本上在－350 kN·m左右，變化不大；第 14 步施工時(shí)，樁基 1 的彎矩為－309.1 kN·m；第 15 步(左洞臨時(shí)支護(hù)拆除)施工時(shí)，樁基 1 的彎矩變化較大，由－309.1 kN·m 變化到－588 kN·m，同比遞增了 90%；樁基 1 的最大彎矩為－588 kN·m，與初始彎矩相比，遞增了 1.8 倍多，而且絕大部分彎矩遞增量是由左洞臨時(shí)支護(hù)拆除貢獻(xiàn)的。因此，可以判定左洞臨時(shí)支護(hù)拆除是樁基 1彎矩變化較大的關(guān)鍵工序。樁基 2 的彎矩變化較大的區(qū)段與樁基 1 相同，但變化幅度比樁基 1 的要大。前 12 步施工，彎矩變化較小，基本上在 240 kN·m左右徘徊；第 13 步(中洞臨時(shí)支護(hù)拆除)施工時(shí)，彎矩突變較大，與前一步相比，遞增了 1.7 倍多，這是樁基 2 彎矩變化較大的關(guān)鍵工序；后繼施工，彎矩已趨于穩(wěn)定；樁基 2 的最大彎矩為 526 kN·m，與初始彎矩相比，遞增了 2 倍多，且絕大多數(shù)彎矩遞增量是由中洞臨時(shí)支護(hù)拆除貢獻(xiàn)的。(4) 高架橋樁基安全系數(shù)隨施工推進(jìn)總體上呈遞減趨勢(shì)，變化規(guī)律與彎矩變化規(guī)律一致；中洞、左洞臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)，高架橋樁基安全系數(shù)降低幅度較大，這是高架橋樁基安全度降低的關(guān)鍵工序；最終施工完畢時(shí)，最小安全系數(shù)僅為 4.7，發(fā)生在高架橋樁基底端以上 10 m 處；在隧道施工過程中，樁基安全系數(shù)降低了 40%，那么相應(yīng)的樁基的承載能力也就降低 40%。因此，必須采取加固措施，才能保證樁基及上部結(jié)構(gòu)的安全。3.2 高架橋樁基位移分析 高架橋樁基位移變化規(guī)律如圖 4 所示。 由圖 4 的分析可以得出： (1) 高架橋樁基側(cè)向位移的變化規(guī)律是一致的，且數(shù)值相差不大。中洞施工期間，高架橋樁基受隧道施工的影響，向中洞一側(cè)變形，最大變形量可達(dá) 3.76 mm，發(fā)生在樁基頂端，且由頂端向底端逐漸遞減，相當(dāng)于樁基整體發(fā)生傾斜；左洞施工期間，樁基側(cè)向位移由向中洞變形，逐漸過渡到向左洞一側(cè)變形，最大位移為－1.27 mm，仍發(fā)生在樁基頂端，樁基發(fā)生了整體傾斜，這說明先施工中洞后施工左洞的施工工法是合理的，這種施工工法可以避免樁基持續(xù)向一側(cè)傾斜，保證了上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；后續(xù)施工，樁基側(cè)向最大位移變化不大，但其位置發(fā)生了變化，樁基 1 的最大側(cè)向位移由頂端逐漸過渡到樁基中部，而樁基 2 的最大側(cè)向位移由頂端逐漸過渡到樁基底端以上 10 m 處，這與前面分析的樁基彎矩是相輔相成的，主要是因?yàn)橹卸础⒆蠖词┕ね戤吅螅瑯吨芡馏w已發(fā)生了充分固結(jié)，后續(xù)施工中，樁體不可能發(fā)生整體傾斜，只能是樁身結(jié)構(gòu)自身在偏心壓力下的變形，這種受力模式對(duì)樁體結(jié)構(gòu)是不利的。 (2) 高架橋樁基的縱向位移變化規(guī)律也是一致的，數(shù)值也相差不大。左洞右幅施工對(duì)樁基 1 的縱向位移影響比較大，此施工期間的位移占最終位移的 60%，樁基 1 的最終縱向位移為 10 mm，且為整體下沉；樁基 2 的縱向位移在整個(gè)施工過程中，變化幅度均比樁基 1 的縱向位移變化幅度要小，沒有出現(xiàn)比較大的突變現(xiàn)象，樁基 2 的最終縱向位移為8 mm，也為整體下沉。
2 計(jì)算情況2.1 施工過程模擬 在隧道施工之前，先施工明挖基坑防護(hù)樁，隨后開挖基坑，施工基坑底部樁基，待其底板澆注并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再開挖隧道。隧道施工采用中隔壁(CD)法施工[3，4]，循環(huán)進(jìn)尺為 1.2 m，初期支護(hù)緊跟掌子面，先開挖中隔壁內(nèi)側(cè)，后開挖中隔壁外側(cè)，開挖順序?yàn)橄乳_挖中洞，再開挖左洞，最后開挖右洞，等三洞初期支護(hù)全部施工完畢后，再拆除臨時(shí)支護(hù)，最后施作二次襯砌。具體的暗挖隧道開挖順序如圖 2 所示。2.2 計(jì)算參數(shù) 針對(duì)地勘資料，將圍巖綜合為 5 層材料性質(zhì)的巖土體，進(jìn)行研究[5，6]。超前小導(dǎo)管與系統(tǒng)錨桿通過提高所處圍巖物理力學(xué)指標(biāo)來等效處理[7]。材料物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示。2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù) 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 2 所示。2.4 計(jì)算模型 計(jì)算范圍選取為：上部至地表，下部至隧道仰拱以下 40 m，左取 150 m，右取 70 m，隧道埋深為23 m，縱向取 7 倍樁基直徑。隧道左右有水平約束，下部有豎向約束，前后有垂直其面的約束，地表為自由邊界。計(jì)算中，用實(shí)體單元模擬圍巖、二次襯砌、初期支護(hù)、樁基，用接觸單元模擬樁基與土體的摩擦效應(yīng)[8～12]，樁側(cè)法向和切向剛度均取 100MPa，樁底法向和切向剛度均取 480 MPa。高架橋樁基底部位于紅色風(fēng)化巖層中，頂部荷載為 3 000kN；人行橋樁基底部位于可塑殘積土層中，頂部荷載為 500 kN。計(jì)算模型采用流體–力學(xué)耦合模型，力學(xué)模型采用 Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，流體模型采用 Fluid-Isotropic 準(zhǔn)則，并指定土體不能承受負(fù)的孔隙壓力，總單元數(shù)為 24 715 個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為50 922個(gè)。3 高架橋樁基計(jì)算結(jié)果分析3.1 內(nèi)力隨施工變化規(guī)律 高架橋樁基內(nèi)力及安全系數(shù)變化規(guī)律如圖 3 所示。 通過對(duì)圖 3 的分析可以得出如下結(jié)論： (1) 最大樁身軸力并不在樁頂，說明樁側(cè)摩阻力在隧道施工過程中呈負(fù)摩阻力狀態(tài)，對(duì)樁基的承載能力非常不利，這主要是由于地下水位較高，地質(zhì)條件較差，隧道施工過程中，不可避免地導(dǎo)致地下水位降低，樁周土體固結(jié)下沉而引起的[13]。 (2) 高架橋樁基軸力隨施工推進(jìn)總體上呈遞增趨勢(shì)，在整個(gè)施工過程中，樁基中部以上控制截面軸力變化較小，最終軸力與初始軸力相比，最大遞增量?jī)H為 200 kN，同比遞增了 6%；中部以下控制截面軸力變化較大，發(fā)生在樁基底端以上 10 m 處，最終軸力與初始軸力相比，最大遞增量可達(dá) 900kN，同比遞增了 30%，是高架橋樁基的控制截面。前 4 步施工，樁基 1 軸力變化幅度較小，遞增量?jī)H為 130 kN；第 5 步施工時(shí)，樁基 1 軸力有較大突變，突變量可達(dá) 250 kN，此時(shí)樁基 1 的最大軸力為－38 00 kN，發(fā)生在樁基 1 底端以上 10 m 處，是樁基 1 軸力變化較大的關(guān)鍵工序；后繼施工中，軸力雖仍在遞增，但遞增幅度相對(duì)較小，平均每步遞增幅度僅為 15 kN；樁基 1 的最大軸力為－3 978 kN，發(fā)生在樁基 1 底端以上 10 m 處，同比遞增了 20%。前 6 步施工中，樁基 2 軸力變化較大，遞增量可達(dá)590 kN，平均每步變化接近 100 kN，這是樁基 2 軸力變化較大的關(guān)鍵工序；后繼施工中，中洞臨時(shí)支護(hù)拆除，這也是樁基 2 軸力變化較大的關(guān)鍵工序，軸力突變了 130 kN；樁基 2 的最大軸力為－3 906kN，同比遞增了 30%，也發(fā)生在樁基 2 底端以上10 m 處。 (3) 高架橋樁基彎矩隨施工總體上呈遞增趨勢(shì)。樁基 1 的彎矩變化較大的區(qū)段為樁基底端以上12 m樁身，且最大彎矩發(fā)生在樁基底端以上10 m處。前 14 步施工，樁基 1 的彎矩基本上在－350 kN·m左右，變化不大；第 14 步施工時(shí)，樁基 1 的彎矩為－309.1 kN·m；第 15 步(左洞臨時(shí)支護(hù)拆除)施工時(shí)，樁基 1 的彎矩變化較大，由－309.1 kN·m 變化到－588 kN·m，同比遞增了 90%；樁基 1 的最大彎矩為－588 kN·m，與初始彎矩相比，遞增了 1.8 倍多，而且絕大部分彎矩遞增量是由左洞臨時(shí)支護(hù)拆除貢獻(xiàn)的。因此，可以判定左洞臨時(shí)支護(hù)拆除是樁基 1彎矩變化較大的關(guān)鍵工序。樁基 2 的彎矩變化較大的區(qū)段與樁基 1 相同，但變化幅度比樁基 1 的要大。前 12 步施工，彎矩變化較小，基本上在 240 kN·m左右徘徊；第 13 步(中洞臨時(shí)支護(hù)拆除)施工時(shí)，彎矩突變較大，與前一步相比，遞增了 1.7 倍多，這是樁基 2 彎矩變化較大的關(guān)鍵工序；后繼施工，彎矩已趨于穩(wěn)定；樁基 2 的最大彎矩為 526 kN·m，與初始彎矩相比，遞增了 2 倍多，且絕大多數(shù)彎矩遞增量是由中洞臨時(shí)支護(hù)拆除貢獻(xiàn)的。(4) 高架橋樁基安全系數(shù)隨施工推進(jìn)總體上呈遞減趨勢(shì)，變化規(guī)律與彎矩變化規(guī)律一致；中洞、左洞臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)，高架橋樁基安全系數(shù)降低幅度較大，這是高架橋樁基安全度降低的關(guān)鍵工序；最終施工完畢時(shí)，最小安全系數(shù)僅為 4.7，發(fā)生在高架橋樁基底端以上 10 m 處；在隧道施工過程中，樁基安全系數(shù)降低了 40%，那么相應(yīng)的樁基的承載能力也就降低 40%。因此，必須采取加固措施，才能保證樁基及上部結(jié)構(gòu)的安全。3.2 高架橋樁基位移分析 高架橋樁基位移變化規(guī)律如圖 4 所示。 由圖 4 的分析可以得出： (1) 高架橋樁基側(cè)向位移的變化規(guī)律是一致的，且數(shù)值相差不大。中洞施工期間，高架橋樁基受隧道施工的影響，向中洞一側(cè)變形，最大變形量可達(dá) 3.76 mm，發(fā)生在樁基頂端，且由頂端向底端逐漸遞減，相當(dāng)于樁基整體發(fā)生傾斜；左洞施工期間，樁基側(cè)向位移由向中洞變形，逐漸過渡到向左洞一側(cè)變形，最大位移為－1.27 mm，仍發(fā)生在樁基頂端，樁基發(fā)生了整體傾斜，這說明先施工中洞后施工左洞的施工工法是合理的，這種施工工法可以避免樁基持續(xù)向一側(cè)傾斜，保證了上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；后續(xù)施工，樁基側(cè)向最大位移變化不大，但其位置發(fā)生了變化，樁基 1 的最大側(cè)向位移由頂端逐漸過渡到樁基中部，而樁基 2 的最大側(cè)向位移由頂端逐漸過渡到樁基底端以上 10 m 處，這與前面分析的樁基彎矩是相輔相成的，主要是因?yàn)橹卸础⒆蠖词┕ね戤吅螅瑯吨芡馏w已發(fā)生了充分固結(jié)，后續(xù)施工中，樁體不可能發(fā)生整體傾斜，只能是樁身結(jié)構(gòu)自身在偏心壓力下的變形，這種受力模式對(duì)樁體結(jié)構(gòu)是不利的。 (2) 高架橋樁基的縱向位移變化規(guī)律也是一致的，數(shù)值也相差不大。左洞右幅施工對(duì)樁基 1 的縱向位移影響比較大，此施工期間的位移占最終位移的 60%，樁基 1 的最終縱向位移為 10 mm，且為整體下沉；樁基 2 的縱向位移在整個(gè)施工過程中，變化幅度均比樁基 1 的縱向位移變化幅度要小，沒有出現(xiàn)比較大的突變現(xiàn)象，樁基 2 的最終縱向位移為8 mm，也為整體下沉。