群樁施工對鄰近地鐵隧道群位移的影響

王其炎，吳 健*，楊 飛，陳自海，楊建輝

（1.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江科技學院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

近年來，鄰近地鐵隧道橋梁建設工程越來越多，橋梁群樁施工引起地層位移，進而對地鐵隧道形成擾動，引起隧道結構的位移和應力變化。對位移規律開展研究，確保樁基工程順利實施對隧道運營安全具有重要現實意義。

已有文獻主要采用現場實測和數值分析方法對樁基施工時鄰近地鐵隧道位移規律開展研究。徐云福等[1]開展了單樁全套管旋挖施工對緊鄰運營地鐵隧道影響的試驗研究，監測了隧道和土體位移，表明選擇全套管成樁工藝可以有效減小對地鐵隧道位移的影響。樓曉明等[2-3]開展了高層建筑物樁基施工對鄰近隧道位移和內力的影響研究。莊妍等[4]采用現場實測的方法，研究了全套管灌注樁施工時的土體位移發展過程，表明盾構隧道處于安全工作狀態。鄧指軍[5]對位于地鐵上部的樁基施工引起的隧道變形問題開展了研究，表明鄰近隧道的鋼套管旋轉壓入施工可導致盾構管片變形，采用跳樁施工以及布置泄壓孔可減小對隧道的影響。丁智等[6]依托試樁試驗，研究了樁基施工過程及完工后地層沉降對鄰近隧道的影響規律。路平等[7]采用有限元分析方法，對樁基施工引起的隧道內力和形變進行了研究，表明土體發生的豎向位移引起隧道整體沉降。代志萍[8]采用有限元分析方法，研究了灌注樁施工過程對鄰近隧道位移和內力的影響，表明鉆孔過程影響較小，混凝土澆注過程對隧道影響較大。閆靜雅等[9-10]利用數值分析方法開展的研究表明，隨著樁間距及樁隧凈距的增大，樁基施工對隧道變形和內力的影響逐漸減小，在隧道軸線方向上的樁間距對隧道的影響，要遠大于在垂直方向的樁間距的影響。宋福貴等[11]分析了鋼套管樁不同的群樁施工順序對鄰近既有隧道的影響，給出了優化的施工順序。歸浩杰等[12]采用有限元分析方法研究了群樁基礎施工工況對鄰近隧道的影響，表明群樁至隧道的距離對隧道豎向位移影響較大。

總體上，目前的研究成果多集中在單樁施工對鄰近隧道的影響，而對群樁施工的影響研究成果較少，特別是結合現場監測成果開展的研究更少，還沒有形成規律性認識。杭州市一高架橋上跨地鐵 1號線和4號線，橋梁的群樁基礎鄰近地鐵隧道，本文采用工程實測和 ABAQUS三維有限元分析兩種方法，對群樁施工引起的隧道群位移開展研究。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

地層柱狀圖見圖 1。地層主要由雜填土、素填土、塘泥、暗塘土、砂質粉土、粉砂夾粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉砂、圓礫、中細砂、含圓礫粉質黏土、全風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖等組成，高架橋選擇⑨3層中風化泥質粉砂巖作為樁端持力層。地下水分為孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水三種情況。孔隙潛水主要賦存于淺部粉、砂性土層內，受沉積層理控制，透水性具有各向異性。承壓水賦存于下部粉砂、圓礫層內，含水層總厚度為10～15 m，透水性良好，上覆黏性土層為相對隔水層。基巖裂隙水賦存于第四系土層下部的風化裂隙內，對本工程影響不大。

圖1 地基柱狀圖Fig.1 Stratigraphic column of ground

1.2 群樁施工與地鐵隧道位置關系

杭甬高速公路抬升工程主線高架橋第七聯 23號、24號墩位于運營地鐵1號線兩側，每個樁群由12根直徑1.8 m單樁構成，樁長67.3～67.9 m，共計24根樁。群樁與地鐵隧道的平面關系見圖2。23號墩的群樁基礎離1號線右線管片外緣的最小距離為13.22 m，24號墩群樁基礎離1號線左線管片外緣的最小距離為 12.43 m。為了降低樁基施工對隧道的擾動，采用全套管全回轉鉆機成孔，每根樁基施工順序為壓入鋼套管、出土和灌注混凝土，24根樁基主要工序的施工組織見表1所示。

圖2 樁基與地鐵隧道位置關系示意圖Fig.2 Schematic of position relationship between piles foundation and subway tunnels

樁基施工需保護的地鐵設施為地鐵1號線左線和右線、1號線出段線、4號線的出線段和入段線，共計5條地鐵線路，見圖3所示。

圖3 地鐵隧道剖面圖Fig.3 Transverse section of subway tunnel

2 現場監測與數值模擬結果分析

2.1 監測點布置

在隧道中選擇距群樁最近的斷面布置測點，監測群樁施工過程中隧道水平位移和豎向位移。這些測點位于斷面的側壁，是監測斷面上離群樁最近的位置。1號線的左線和出段線、4號線出段線選取離24號群樁最近的點，1號線右線和4號線入段線選取離23號群樁最近的點，觀測斷面位置見圖4，測點見圖5。采用徠卡TM50型測量機器人并組成自動測量系統觀測位移。

圖4 位移測點所在斷面的三維示意圖Fig.4 3-D diagram of section of displacement measurement points

圖5 位移測點剖面示意圖Fig.5 Profile diagram of displacement measurement points

2.2 模型建立

模型土體選用M-C模型，為了將問題簡化，根據地層構成情況，將相近地層合并，模型共設7個土層，其物理力學取值見表 2。灌注樁、鋼套管、隧道管片選用線彈性模型，參數如表 3。模型沿隧道軸線方向（Y軸）和垂直隧道方向（X軸）取250 m，地層深度（Z軸）取60 m。在模型左右兩側邊界水平方向位移設置為零（UX=0，UY=0），在模型底部邊界設定豎向位移為零（UZ=0），模型頂部表面設置為自由邊界。

表2 土體參數表Table 2 Soil parameters

表3 線彈性材料參數表Table 3 Parameters of linear elastic materials

根據實際工程的鉆孔灌注樁施工工序，在數值分析時將單樁施工分為壓入鋼套管、出土-泥漿護壁、混凝土灌注、混凝土硬化4個步驟。壓入鋼套管工序模擬時，將鋼套管X和Y兩個方向的位移設為零，即UX=0，UY=0，并將下壓深度值設為向下的位移；通過單元生死功能模擬出土工序，即將土體單元進行移除，出土的同時設置靜水壓力模擬泥漿護壁工序，泥漿的重度設為12 kN/m3；混凝土灌注過程等效為靜水壓力，灌注混凝土的重度設為24 kN/m3；通過單元生死功能模擬混凝土硬化，即將混凝土單元激活。

2.3 現場監測和數值模擬結果分析

數值分析模型上選取與現場相同的監測斷面和觀測點，對其位移進行分析，見圖4和圖5所示。為了便于分析，定義位移數據的正負，水平位移以靠近最近的樁基為正，反之為負，隧道以上浮位移為正，沉降為負。考慮樁基施工時間較短（37 d），淤泥質土層來不及固結，故在本次模擬分析中沒有考慮流固耦合作用。

（1）水平位移分析

將工程實測和有限元模型數據進行分析，得到水平位移的發展過程，見圖6。從圖6可見，在樁基施工過程中，在水平方向上各條隧道發生移動，移動方向總體是離開鄰近的樁基，期間有離開和靠近的波動。1號線左線、1號和 4號線出段線的水平位移方向是離開24號樁基，1號線右線和4號線入段線的水平位移方向是離開23號樁基。6月22日前，各測點的位移增長較緩慢，之后增長較快。這與樁基每日的施工數量有關，由表1可見，在6月22日之前每日只施工一根樁，之后每日成樁數量增多，導致對地層和地鐵隧道的擾動程度加劇，于是出現了6月 22日前位移增長較為緩慢，而后增長較快的現象。

圖6 各測點水平位移發展規律Fig.6 Time-history curves of tunnel horizontal displacements

由圖6可見，有限元分析獲得的水平位移數據與工程實測存在一定差異，但兩者的發展規律基本相符。相比較可見，數值分析得到的水平位移隨著施工進展增長較為平緩，而工程實測曲線波動幅度較大，這可能和項目工地的施工設備移位、社會車輛通行、出土和堆土情況有關。

由圖6可見，工程實測和有限元分析數據都說明，隧道群埋深越大，水平位移越大。各測點的水平位移較小，大部分測點水平位移均處于預警范圍之內（2 mm），全部小于報警值（4 mm）。

（2）豎向位移分析

將工程實測和有限元分析數據進行分析，得到豎向位移的發展過程，見圖7。

圖7 各測點豎向位移發展規律Fig.7 Time-history curves of tunnel vertical displacements

由圖7可見，各隧道測點豎向位移總體上都是沉降，期間存在上浮和下沉的波動，與水平位移相似，6月22日之前豎向位移增長緩慢，之后增長較快。有限元分析獲得的豎向位移數據與工程實測存在一定差異，但兩者的發展規律基本相符，有限元分析獲得豎向位移的變化幅度較小，曲線平緩，工程實測曲線波動幅度更大。從圖7可見，工程實測和有限元分析數據都說明，隧道埋深越大，沉降越小。各測點的豎向位移較小，全部測點水平位移均處于預警范圍（3 mm）之內。

圖 6和圖 7中實測的隧道水平位移和豎向位移存在波動（回彈）現象，這與群樁施工期間每天施工流程有關。由表1可見，施工內容包括壓管、出土、灌注混凝土等，每個工序對隧道位移存在影響，不同工序的影響也存在耦合作用，導致隧道的位移過程極為復雜，出現了圖6和圖7中的位移波動現象。

3 結 論

（1）工程實測及有限元分析都表明，隧道群的水平移動趨勢表現為離開鄰近的樁基，埋深越大的隧道，水平位移越大。

（2）豎向位移總體表現為下沉，隧道群埋深越大，豎向位移越小。各地鐵隧道水平位移均大于沉降沉降。

（3）水平和豎向位移增長量與當日樁基完成數量密切相關，完成數量少，隧道位移增長緩慢，數量多則位移增長較快。

（4）各測點的水平位移和豎向位移均較小，測點位移處于預警范圍之內，全部小于報警值，說明全套管全回轉鉆機成孔群樁施工對隧道擾動較小。