樁基礎承載過程對近距離地鐵隧道影響機制分析

翁效林， 孫　騰， 馮　瑩

(特殊地區公路工程教育部重點試驗室(長安大學)，710064 西安)

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樁基礎承載過程對近距離地鐵隧道影響機制分析

翁效林， 孫騰， 馮瑩

(特殊地區公路工程教育部重點試驗室(長安大學)，710064 西安)

摘要:為更好地了解樁基礎承載過程對已建成隧道的長期影響，通過改進離心場樁基加載裝置和試驗監測設備進行離心試驗，分析樁基礎承載過程對鄰近已有隧道的變形及受力影響，在試驗中考慮了參數變化(不同樁頂荷載以及樁基礎與隧道結構凈距)因素，并基于試驗結果對樁-土-隧道之間的相互作用進行了探討.結果表明：承載樁基會引發臨近地鐵隧道結構變形，且以沉降變形為主，隧道截面影響區域橫向變小，縱向變大；相對于隧道雙側存在承載樁基礎，單側樁基礎荷載造成隧道所受彎矩分布向樁基礎方向發生明顯偏轉，隧道結構向樁基礎方向產生一定扭曲；樁基礎承載所致附加應力會在隧道結構體產生應力集中效應，隧道拱腰部位是樁基受荷所引發土體附加荷載主要承受區；隧道結構會在承載樁周所產生的附加應力場中產生加筋阻攔效應，明顯緩釋樁周摩阻力在相同位置處的傳遞，樁頂荷載越大，緩釋的程度越明顯.

關鍵詞:離心模型試驗； 地鐵隧道； 承載樁基； 樁-土-隧道相互作用

為緩解日益嚴重的城市交通問題，許多城市興建了地鐵設施，同時城市發展需要建造深基礎高層建筑，由于樁基礎的施工和承受荷載過程會造成周圍土體的位移和應力變化，進而也會影響鄰近的隧道. 為確保已建地鐵的正常運營，地鐵管理部門制定了嚴格限制條例來控制地鐵隧道兩側的工程活動. 一般說來，對于隧道附近的樁基，為避免打入樁的擠土、振動效應，都是采用鉆孔灌注樁形式，在樁基施工完畢，樁基礎逐步承擔上部荷載，在垂直載荷下，樁基礎會產生豎向沉降，并且會帶動周圍土體的豎向及水平向變形，對于距離樁基礎較近的運營隧道，會產生附加的變形及應力. 文獻[1]就近距離樁和群樁施工過程和加載過程對隧道性狀的影響進行了研究. 文獻[2-4]運用有限元程序對鉆孔灌注樁的施工及受荷過程對已存隧道的受力和變形進行了分析. 文獻[5]借助有限元程序分析計算了上海太平洋期廣場工程對鄰近地鐵1號線隧道的影響. 文獻[6]應用所研發軟件計算分析了樁筏基礎蠕變對鄰近隧道的影響規律并總結了隧道影響因子的作用. 文獻[7]采用群樁基礎共同作用的分析方法，考慮了孔底沉渣的影響，對鉆孔灌注樁基礎跨越地鐵隧道線可能帶來的影響進行了計算分析. 文獻[8]考慮到了樁間加筋和遮攔效應的影響，以剪切位移法為基礎，分析超深群樁在工作荷載下對鄰近土體應力狀態和已有隧道沉降的影響. 近年來，文獻[9-11]針對不同的工程實例，運用三維有限元數值模型，模擬了樁基礎的成孔施工、運營期樁基承擔荷載在土中產生的應力擴散對既有隧道結構和軌道變形產生的影響. 對已有相關文獻分析可以看出，由于受制于數值分析研究手段，且樁基施工及承載過程對己有隧道影響的相關實測數據很少，使得針對鄰近隧道樁基建設活動的限制條例的客觀性得不到相應的驗證. 基于樁基承載對地鐵隧道影響機制的空間與時間分布特征可以在土工離心模型試驗中有效實現，本文借助長安大學土工離心機，結合實際工程案例，闡明承載過程樁基-土-隧道之間相互影響機制，可為類似工程的設計與施工提供借鑒.

1離心模型試驗分析

1.1試驗工程背景

擬建西安東環廣場建設項目,地上由塔樓和裙房組成，其中塔樓41層，主屋面高度179.8 m，裙房7層，主屋面高度為38.20 m. 擬建項目裙房位于西安地鐵隧道1#線上方，為減小建筑對隧道結構的附加荷載，裙房采用跨越式布置，即在地下一層采用大跨度轉換結構，將上部結構荷載通過樁基礎傳遞到隧道下部的土層，樁端持力層選在第7層卵石持力層上，該土層頂面距離隧道結構底面約16 m，樁長32～36 m，該工程裙房部分地基基礎設計方案及地鐵隧道的位置關系如圖1所示，裙房基礎樁直徑為1 m，樁位距隧道較近，一般位于隧道外圍2 m范圍之外，3 m范圍之內，柱荷載按照上部結構計算提供的值，其最大樁頂部荷載為3.6×104kN.

1.2離心試驗模型

本次試驗使用的模型箱長寬高分別為700、360、500 mm. 試驗用土取自西安東環廣場建設項目工地，土體基本物理力學參數如表1所示. 試驗模型中地層共分為3層：第1層土厚度5 cm，用密實砂土用來模擬樁基持力層；第2層土厚35 cm，為地鐵隧道所在土層，為粉質粘土，中間粒徑D50=122 μm，土粒密度Gs=2.27 kg/m3，從現場取回土樣后曬干篩分并重新制備成飽和狀態，其含水量w=29.9%；第3層土厚5 cm，主要為雜填土，控制含水量為w=17.5%. 試驗所用隧道基本材質為有機玻璃，其彈性模量為6 GPa，泊松比為0.3，模型管直徑擬為100 mm，壁厚10 mm，如圖1所示. 模型試驗相似比例N=60，根據模型試驗相似理論[12]，制定相似法則見表2，有機玻璃材質隧道模型相當于原型中厚度為350 mm的混凝土管片盾構隧道(彈性模量為30 GPa).

表1　土體物理力學參數

圖1　地鐵隧道模型

參數重力加速度/(m·s-2)長度/m體積/m2重力/(kg·m·s-2)密度/(kg·m-3)重度/(N·m-3)應力(N·m-2)應變時間/m相似比(模型/原型)N1/N1/N31/N21N111/N2

模型樁材質為圓柱形鋁質金屬管，直徑Dpi為10 mm. 本次模型試驗重點考慮樁周摩阻力在樁周土中傳遞過程對近距離隧道結構的影響，為使模型樁端承于隧道下方細砂持力層中，故設計模型樁長42 cm；試驗分別考慮樁隧距徑比xpil/Dt為0.89和1.06兩種情況，模擬實際樁隧間距2 m和3 m時，樁周摩阻力所引發的隧道附加影響，每種樁隧間距分別考慮單側和雙側兩種布樁方式.

1.3離心場樁基加載過程

為了模擬樁基加荷過程，試驗中運用長安大學土工離心機加荷載系統，該系統由機械手主機和電氣系統構成，以機械手模型箱內部右下角為坐標原點，如圖2所示，X向運行距離為207～587 mm，Y向運行距離為217～467 mm，Z向運距離為495～895 mm. 其中Z向軸能提供最大18 kN的垂直荷載，利用Z軸的拉壓功能可有效模擬壓樁及施加荷載過程. 本次模型試驗過程中，機械手Z軸先向樁基軸向施加軸向荷載將模型樁預壓至預定樁位，然后將樁頂荷載保持在3種荷載p分別為5 kN(相當于原型1.8×104kN)、10 kN和15 kN，每級加荷后分別保持離心機運轉2.4 h(相當于原型固結360 d).

圖2　土工離心機機械手系統

1.4測量系統設計

地鐵隧道模型分別進行橫向布置和縱向布置，如圖3所示.

(a)橫向布置

(b)縱向布置

由于本次試驗主要考慮地鐵隧道橫向變形，考慮到隧道結構縱向長度方向上隧道剛度效應所對模型試驗結果的影響，試驗中橫向布置隧道模型長度為660 mm，如圖3(a)所示. 橫向布置隧道布設兩個監測斷面，分別為斷面A和斷面B，截面A共設8個彎矩測點(編號為S1～S8)，沿截面周長平均分布；截面B周圍均勻設置8個土壓力測點(編號為E1～E8)，測量隧道周邊土壓力的變化. 彎矩的量測通過貼在管片上下表面的4個應變片組成的全橋電路來實現，土壓力采用通用的微型土壓力計進行量測. 同時為分析樁基礎承載過程對地鐵隧道沉降的影響，在斷面A隧道模型的頂部、拱腰和底部分別布設4個激光位移傳感器測點. 為有效獲取樁基承受荷載時樁周和隧道界面間土體位移場分布，隧道模型縱向布置(模型長度為350 mm)如圖3(b)所示，在樁基礎荷載影響區范圍內縱橫方向畫設縱橫經緯線，并以縱橫線交匯處為基準點，縱橫間距為20 mm×20 mm，利用土工離心機高速攝像設備獲取不同時段各基準點變形后縱橫坐標值，通過坐標變化來繪制各測點橫向和縱向位移變化值.

2試驗結果分析

2.1隧道變形分析

根據激光位移傳感器測試數據結合圖像位移處理結果繪制了樁頂施荷后10個月后隧道輪廓變形圖，見圖4.

(a)雙側布樁

(b)單側布樁

從圖4可以看出，伴隨著樁基承載，隧道結構發生了整體的下沉和變形，變形以沉降為主，水平位移較小，換算為實際模型，隧道最大沉降量為7.695 mm，最大水平位移為2.42 mm. 拱頂下沉量隨著樁頂部荷載的增加而增加，當樁頂部荷載達到10 kN時(相當于原型3.6×104kN)，拱頂最大下沉將量達到3.8 mm，當樁頂部荷載達到15 kN時(相當于原型5.4×104kN)，拱頂最大下沉將量達到6 mm. 圖4(b)為左單側加寬輪廓圖，隧道輪廓變化圖明顯不對稱，總體顯示隧道圓周沿隧頂順時針145°處變形值最大達到最大值，側向變形最大值達到了4.1 mm. 說明由于樁隧間的土體傳遞了樁周摩擦力，相對于隧道雙側布置樁基礎，單側布樁隧身發生扭曲變形的可能性更大. 因此，對于實際運營的地鐵隧道，如果隧道結構單側樁基施工擾動，更需要對隧道結構的變形進行實時有效監測.

2.2隧道受力變化分析

以地鐵隧道拱頂為零角度，θ角順時針轉動，繪制樁基礎加載前后隧道圓周的彎矩變化分布如圖5所示. 由圖5可以看出，當隧道兩側均有樁基存在時，彎矩較大值位于拱頂區域(0°<θ<90°和270°<θ<360°)，彎矩值最大附加增加量為12.78 kN·m，比較圖5(a)和圖5(b)，當樁隧距徑比xpil/Dt由0.89變化為1.06時，彎矩值最大附加增加量減小到9 kN·m左右. 土壓力變化值如圖6所示，土壓力變化最大值出現在拱頂及兩側拱腰部區域，最大變化值達到8.14 kPa，隧道結構圓周水平面以下(90<θ<270°)土壓力的變化值都比較小，比較圖6(a)和圖6(b)，測試結果顯示類似變化趨勢，具體表現為有樁基荷載作用條件下，所獲得最大彎矩均比無樁情況相同位置的測試值要高，相應附加土壓力則與無樁情況的也有一定增加，但數值很小，對于隧道結構本身影響不大.

(a)xpil/Dt=0.89

(b)xpil/Dt=1.06

(a)xpil/Dt=0.89

(b)xpil/Dt=1.06

2.3樁-土-隧道相互影響作用分析

圖8給出了不同樁頂荷載下，隧道與樁基礎之間土體剪切應變等值線圖，可以看出，樁周土體在摩阻力的作用下發生剪切應變，但由于隧道結構在土體中的加筋遮攔效應，使得剪切應變發生了規律性的改變，這在隧道拱腰位置表現的更為明顯；另外，比較不同樁頂荷載情況還可以看出，且隨樁頂荷載的增加，加筋遮攔效應也越發明，隧道周邊剪應變增幅明顯.

圖7　樁周土體最大剪應變

圖8　隧道周邊土體剪應變等值線

3結論

1)隧道結構會在承載樁周所產生的附加應力場中產生加筋阻攔效應，明顯緩釋樁周摩阻力在相同位置處的傳遞，樁頂荷載越大，緩釋的程度越明顯；樁基承載過程會引發臨近地鐵隧道結構的下沉和水平變位，隨著樁與隧道凈距比xpil/Dt的增加，隧道拱頂下沉量以及彎矩變化最大值相應減小.

2)樁基礎承載所引發附加應力會在隧道結構體產生應力集中效應，隧道拱腰部位是樁基受荷所引發土體附加荷載主要承受區；相對于隧道雙側存在承載樁基礎，單側樁基礎造成隧道所受彎矩分布向樁基礎方向發生明顯偏轉，同時隧道整體結構向樁基礎方向產生扭曲.

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(編輯魏希柱)

Influence of loading pile foundation on existing neighboring subway tunnel

WENG Xiaolin，SUN Teng，FENG Ying

(Key Laboratory of Special Area Highway Engineering，Ministry of Education(Chang’an University)，710064 Xi’an，China)

Abstract:In order to better understand the long-term effects of bearing pile foundation on close subway tunnel, by improving the pile load and test monitoring equipment of centrifugal field , use geotechnical centrifuge model test to analyze the deformation of adjacent existing tunnel by pile foundation in the process of bearing load with change of parameters(different loads and pile foundation pile and tunnel structure spacing), and the interaction of pile-soil-tunnel was discussed based on the test of test results, the results showed that: blocking and reinforced effect of tunnel structure change the transmission path of the additional soil load and displacement surrounding the bearing load pile, lead to stress concentration of the tunnel body. Both sides arch waist of subway tunnel are the main areas where bear the additional load caused by bearing load pile, lead to the sinking of the subway tunnel structure. The settlement is main tunnel deformation form, horizontal displacement is small, which lead to smaller transverse cross section of the tunnel. The bearing load pile exist in one side of tunnel cause moment distribution of tunnel structure deflection to pile foundation, while the direction of the tunnel structure to the foundation piles have some distortion. A relationship between relative pile-tunnel location and the pile bearing load at which tunnel displacements occurred is presented, which provides useful guidance to tunnel design engineers.

Keywords:centrifuge modeling; subway tunnel; pile bearing load; soil-pile-tunnel interaction mechanism

中圖分類號:TU411.9

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0138-05

通信作者:孫騰，1055670343@sohu.com.

作者簡介:翁效林(1980—)，男，副教授，碩士生導師.

基金項目:國家自然科學基金(51278063).

收稿日期:2015-06-29.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.023