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地鐵隧道對(duì)相鄰樁的承載力的影響 摘要：在城市地區(qū)修建隧道需要考慮隧道施工對(duì)現(xiàn)有樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性和完整性的影響。以廣州地鐵2號(hào)線為工程背景，我們集中分析了隧道施工地區(qū)對(duì)相鄰樁基礎(chǔ)承載能力的影響。它采用彈塑性三維有限差分模型，模擬地鐵隧道施工全過(guò)程（土壤元素的失活和襯砌的激活）中樁的反應(yīng)，利用快速拉格朗日分析對(duì)連續(xù)的三維坐標(biāo)進(jìn)行分析。隧道周圍相鄰的地層分為三個(gè)區(qū)域：第一區(qū)（隧道正上方地層），第二區(qū)（隧道側(cè)上方45 地層）和第三區(qū)（隧道正側(cè)方地層）。在每個(gè)地區(qū)選擇一個(gè)典型的樁進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和分析。主要從樁側(cè)摩阻力，樁端總抗力和樁底段軸力三方面對(duì)樁身承載力進(jìn)行數(shù)值模擬。目前已經(jīng)對(duì)不同地區(qū)對(duì)典型樁承載力的影響進(jìn)行了理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，城市隧道施工對(duì)樁承載能力的影響主要取決于樁側(cè)摩阻力和樁端總抗力。樁底位于隧道不同地層隧道施工對(duì)樁承載力的影響有很大不同，樁側(cè)摩阻力和樁端總抗力因隧道施工發(fā)生復(fù)雜變化，從而表現(xiàn)為樁軸力的復(fù)雜變化，因而影響到樁基礎(chǔ)的承載力。當(dāng)樁基受擾動(dòng)較大時(shí)，采用地層注漿加固或樁基托換等積極措施來(lái)控制樁基承載力和樁體沉降是十分必要的。研究結(jié)果對(duì)于類似的工程有參考價(jià)值。 關(guān)鍵字：隧道；數(shù)值模擬；樁基礎(chǔ)；樁承載力；樁底段軸力；樁側(cè)摩阻力；樁端總抗力。 1 引言 在城市地鐵建設(shè)中，往往會(huì)遇到地鐵隧道從高樓大廈的底部穿過(guò)的情況，這樣必然會(huì)影響到建筑基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和完整性，從而影響到高樓大廈的安全與穩(wěn)定?；诖?，對(duì)于因地鐵施工引起的現(xiàn)存樁 基承載力問(wèn)題必須做出深入研究[1～5] 。 為了了解隧道開(kāi)挖對(duì)現(xiàn)存樁基的影響，Morton和King已經(jīng)進(jìn)行了多次室內(nèi)研究，與此同時(shí)Longanathan和他的同事曾進(jìn)行離心試驗(yàn)的探討。Chen和N.Longanathan 的研究采用相應(yīng)的數(shù)值模擬分析重點(diǎn)分析了地鐵施工對(duì)樁的影響，而對(duì)本文所研究的問(wèn)題即淺埋暗挖地鐵隧道近距施工引起的樁基承載力變化規(guī)律及相互效應(yīng)問(wèn)題的研究涉及很少，而這正是實(shí)際工程建設(shè)所遇到的急需進(jìn)行深入研究的難題。 一個(gè)單樁的承載力存在如下關(guān)系： Q=Qs+Qp ⑴ 式中Q為樁基的承載力，Qs 為樁側(cè)土的總摩阻力，Qp 為樁端土的總抗力。 由公式（1）可以看出，樁基的承載力由樁側(cè)土的總摩阻力和樁端土的總抗力兩部分組成。樁是通過(guò)樁側(cè)摩阻力和端部抗力把上部荷載傳遞給地層的。如果隧道在樁基礎(chǔ)的附近進(jìn)行施工，必然會(huì)對(duì)樁的側(cè)向摩阻力和端部抗力產(chǎn)生影響。因此，研究隧道地鐵施工對(duì)樁基承載能力的影響和變化規(guī)律變得非常重要。 我們采用FLAC3D法，針對(duì)廣州地鐵2號(hào)線淺埋暗挖法施工的隧道對(duì)臨近的樁基礎(chǔ)承載能力的影響進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。為了找到它們作用的原則和規(guī)律，我們對(duì)樁側(cè)摩阻力，樁端總抗力和樁底段軸力進(jìn)行了大量的深入研究。 2 工程背景 廣州地鐵2號(hào)線從某框架式結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的下面穿過(guò)，它采用淺埋暗挖法施工。它的基礎(chǔ)是人工挖土端承樁。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，即作為持力層的中風(fēng)化巖層發(fā)生交錯(cuò)傾斜現(xiàn)象，從而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)的長(zhǎng)短和作用位置各不相同，如圖1~2所示。由這兩個(gè)圖可知這項(xiàng)工程相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)闃痘A(chǔ)與隧道的空間位置不能確定。評(píng)價(jià)隧道對(duì)已有樁基礎(chǔ)承載了和穩(wěn)定性的影響具有非常典型的代表意義。 (1)—人工填土層；(3–2)—沖洪積層～砂層；(5–2)—硬塑狀殘積層～粉質(zhì)黏土；(6)—巖石全風(fēng)化層；(7)—巖石強(qiáng)風(fēng)化層；(8)—粉砂巖中等風(fēng)化層；(9)—粉砂巖微風(fēng)化層 圖1工程地質(zhì)縱剖面圖 圖2 樁與隧道位置關(guān)系 這些樁的直徑是1.2米。隧道界面全部采用高7.3米，寬6.6米的橢圓形斷面。初期襯砌厚度為0.3米，二次襯砌厚度為0.35米（如圖3所示）。錨桿長(zhǎng)2.5米，在隧道上部形成150度的覆蓋區(qū)域。隧道分四個(gè)區(qū)域進(jìn)行開(kāi)挖。經(jīng)過(guò)了相應(yīng)的分析，我們找到了最佳的開(kāi)挖順序是1-2-3-4。 圖3隧道截面開(kāi)挖順序圖 3 數(shù)值計(jì)算模型 為便于問(wèn)題的分析，計(jì)算模型以樁基礎(chǔ)作用的地區(qū)為中心進(jìn)行建模。它沿隧道縱向取為 100 m，沿隧道橫向取為60 m，地表以下40 m為模型的底部邊界。根據(jù)模型位移邊界條件知，側(cè)面水平位移和底部垂直位移是有限制的，模型上表面是自由的。模型的大小與群樁的水平位置之間的關(guān)系如圖4所示。 圖4隧道模型與群樁水平位置大小之間的關(guān)系 地層的初始應(yīng)力可以通過(guò)如下方式得到： 第k層的垂直應(yīng)力為： 其中k=1，2，……k；k=1,2，……；同時(shí)k≤模型的最大土層數(shù)；ρi=是土壤的飽和密度（廣州的地下水位很淺），hi是土層的厚度。 如果我們假設(shè)k土層的泊松比為λk，那么土層的側(cè)壓力系數(shù)為： 側(cè)向土壓力為： 在分析中采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和大應(yīng)變模型。屈服函數(shù)和塑性應(yīng)變的函數(shù)如下： 式中，c 為巖土體的黏聚力，?為土體的內(nèi)摩擦角，ψ為土體的膨脹角；p為平均應(yīng)力， J2偏應(yīng)力矢量，θ為L(zhǎng)ode 角。 所有的物理和力學(xué)參數(shù)列于表1中。 表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)表 在這個(gè)工程中，準(zhǔn)確的計(jì)算上部結(jié)構(gòu)傳遞給樁上部的荷載非常的重要，它將最終決定樁的軸力和沉降量。工程中采用PKPM軟件和工程估算法進(jìn)行這些荷載的計(jì)算。由于PKPM軟件考慮了地震因素和場(chǎng)地的實(shí)際狀況，因此用PKPM軟件計(jì)算的負(fù)載結(jié)果比工程估算法稍大一點(diǎn)兒。考慮工程的安全性，經(jīng)過(guò)對(duì)兩種方法計(jì)算結(jié)果的比較，采用了比較保守的PKPM軟件計(jì)算的結(jié)果。 另外，還有一些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：1）對(duì)復(fù)雜地層的準(zhǔn)確定義，2）短開(kāi)挖的模擬3）復(fù)雜襯砌施工的模擬。隨著數(shù)值分析軟件的發(fā)展這些問(wèn)題都被一一解決了。 一些數(shù)值模型的信息標(biāo)注在圖5中。 (a)三維模型網(wǎng)格圖 (b)隧道模型 圖5數(shù)值計(jì)算模型 4 結(jié)果與討論 很容易知道，隧道對(duì)周圍巖體不同位置的干擾大小與隧道的開(kāi)挖方法有關(guān)。為了便于分析，隧道周圍巖體被分為三個(gè)區(qū)域，即，第一區(qū)（隧道正上方），第二區(qū)（隧道側(cè)上方45?），第三區(qū)（隧道側(cè)面）。因?yàn)榻ㄖ锏牡鼗浅?fù)雜而且樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)短不一，所以不可能對(duì)其進(jìn)行一一研究。我們建議選取一些具有代表性的樁，以便對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)深入的研究?？紤]到三個(gè)分區(qū)域相鄰的巖體和樁基礎(chǔ)的特點(diǎn)，我們建議在每個(gè)分區(qū)域選取一個(gè)代表樁進(jìn)行研究。 4.1 地層沉降，樁的位置與樁的應(yīng)力之間的關(guān)系 通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析手段，得到如圖7所示的樁的應(yīng)力與地層沉降的關(guān)系曲線，這表明隧道開(kāi)挖對(duì)其周圍的巖體產(chǎn)生了擾動(dòng)，從而導(dǎo)致了其沉降和變形。這表明各巖層的沉降曲線是正態(tài)分布的。另外，越接近地面，沉降曲線振幅越大，峰值越??；相反，如果越遠(yuǎn)離地面，沉降曲線振幅越小，峰值越大。隧道下面地層產(chǎn)生隆起，由于隧道開(kāi)挖使樁基礎(chǔ)在上部荷載作用下面產(chǎn)生較大的沉降，從而導(dǎo)致了樁周圍巖體的附加沉降。因此，隧道、地層及樁基礎(chǔ)之間是相互作用的，隧道開(kāi)挖對(duì)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生了很大影響。 圖6代表樁和巖層區(qū) 圖7地層沉降和樁應(yīng)力示意圖 4.2 隧道施工對(duì)樁側(cè)摩擦力和樁端阻力的影響分析 由圖6和圖7知，一區(qū)的沉降規(guī)律總結(jié)如下：沉降影響由下向上傳遞，沉降數(shù)值由下向上遞減。樁A從地表穿越到隧道上部地層，成為上下地層的紐帶。于是，下部地層首先發(fā)生沉降，并在樁A下部產(chǎn)生側(cè)向拉力（負(fù)摩擦力），但因?yàn)樯喜康貙映两盗啃∏覝?，?huì)阻止樁A 下滑，故產(chǎn)生向上的側(cè)摩擦力，即正摩擦力。因此在樁的中部有一個(gè)平衡點(diǎn)。在隧道中性點(diǎn)的上部為正摩擦區(qū)，中性點(diǎn)下部為負(fù)摩擦區(qū)，中性點(diǎn)處為拉力狀態(tài)。下部持力地層的沉降量大于上部地層，從而導(dǎo)致樁A的端阻力減小。我們可以得出結(jié)論，由于此區(qū)域地層位移規(guī)律的特殊性，使位于第一區(qū)域內(nèi)的樁基在側(cè)摩擦力和端摩阻力方面出現(xiàn)與普通受力樁完全相反的受力狀態(tài)，極大地降低了樁基承載力。樁A的受力如圖7中箭頭所示，其力的大小受隧道1、3部開(kāi)挖的影響比較大，而受2、4部開(kāi)挖的影響并不敏感。 第二區(qū)在沉降曲線的拐點(diǎn)范圍內(nèi)，下部地層的沉降量明顯小于第一區(qū)地層的沉降量，且上部地層的沉降量變化緩慢。樁B的上部處于第一區(qū)的地層中，下部處于第二區(qū)的地層中；結(jié)果，樁B 上部受到第一 區(qū)地層的較大沉降作用而產(chǎn)生向下的側(cè)摩擦力(負(fù)摩擦阻力)，而樁B的下部第二區(qū)地層沉降量相對(duì)較小，相對(duì)的阻止樁B 的下沉，產(chǎn)生向上的側(cè)摩擦力(正摩擦阻力)。與施工前相比，中性點(diǎn)受壓且其位置明顯向下移動(dòng)了。由于隧道上部側(cè)向45處圍巖受到強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力作用，使得樁B底端軸力明顯變大并超過(guò)了隧道施工前的初始值。軸向應(yīng)力的增加劇了圍巖的破壞，并誘發(fā)圍巖產(chǎn)生了二次松動(dòng)。樁B的應(yīng)力如圖7所標(biāo)注的箭頭所示，其力的大小受隧道1、3部開(kāi)挖的影響比較大，而受2、4部開(kāi)挖的影響并不敏感。