近年来城市地下轨道交通高速发展带来了一系列问题, 受到了建设管理者和学者的广泛关注, 其中建 (构) 筑物桩基与地下隧道相交的问题尤为突出^[1]。在日本, 已将紧邻地下隧道结构施工界定为“近接施工”^[2], 并给予了足够重视。众所周知, 运营地铁对隧道结构的允许变形值有明确要求, 如隧道结构最终绝对位移必须<20mm, 纵向变形曲线的曲率半径R≥15 000m, 隧道的相对变曲≤1/2 500等^[3], 桩基施工不但要满足周边沉降要求, 而且要严格控制近邻隧道结构的位移, 给设计和施工带来了极大考验。

桩基施工会对土体进行扰动, 其施工机械作业 (冲切、搅拌等) 改变了土体的应力状态, 对既有隧道产生挤压、拉伸等作用, 这将对隧道的安全性能产生不利影响。同时隧道纵向不均匀沉降会导致管片接头环缝开裂等病害。近年来, 在新建隧道对既有桩基的影响方面已开展了大量研究, 而新建桩基对既有隧道影响方面的研究处于刚起步阶段。邓指军^[4]介绍了钢套筒压入施工对近接隧道结构的变形影响。安建永等^[5]分析了不同位置 (水平、竖向) 的桩基施工对近邻隧道应力重分布及地表沉降的影响。王立峰等^[6]分析了基坑施工对地表沉降、近邻隧道结构变形的影响规律。周建昆等^[7]采用数值手段模拟了基坑施工对近邻隧道结构变形的影响。文献[8-11]就建筑桩基施工对近邻地铁隧道结构影响的测试方法和结果开展了分析研究。

本文结合某立交桥匝道桩基工程, 分析了桩基施工中近邻隧道的结构变形、地表沉降和深层水平位移的变化规律;并对隧道结构的累计变形、内力进行了数值模拟。

拟建新光路与南大路交叉处的立交桥匝道由桥梁和路基组成, 立交桥南侧ND, NF匝道由南大路开始沿拟建新光路两侧并行一段距离后接入新光路, 同时已建广州地铁3号线盾构区间由北向南从新光路下方穿过。ND, NF匝道总长约849m, 桥梁桩基为钻孔灌注桩 (1.2m) , 旋挖成孔, 桩长25.0~32.0m, 桩底标高-13.460~-20.320m。经核查, 地铁隧道结构外侧距ND匝道桥梁桩基最小间距约为3.88m。此处地铁断面里程为ZJK16+292, 隧道结构底与路基基底最小间距约为8.2m, 结构顶标高为-4.210m, 底标高为-10.200m。线路和桩基如图1所示。

因ND匝道桩基距地铁隧道结构外侧较近, 其施工对隧道结构的影响最大, 因此本次分析主要针对ND匝道桥梁桩基施工对近邻隧道结构的影响。根据GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》, 桩基施工时监测频率为1次/d, 施工完成后1次/2d。

在桩基端头位置布置沉降观测点1, 3, 5, 7, 9, 在距离桩基最近位置布置沉降观测点2, 4, 6, 8;在新光路中轴线上布置沉降观测点10~18, 如图2所示。

为观测桩基施工对近邻隧道结构的影响, 布置测斜管监测土体深层水平位移, 如图2, 3所示。

在隧道结构上布置测点1-5和测点2-4, 监测水平向的相对位移 (掌握隧道净空收敛情况) ;在隧道结构顶部布置测点3 (监测竖向位移) , 如图3所示。

地表沉降随时间的变化规律如图4所示 (沉降为正值, 隆起为负值) 。

1) 根据稳定的沉降值大小, 将沉降点分为3类: (1) 第1类指测点1, 3, 5, 7, 9, 其特征是沉降差别较小, 稳定沉降值在-1.0~-1.7mm。 (2) 第2类指测点2, 4, 6, 8, 其特征是除测点2外, 沉降差别也较小, 最终沉降在-2.8~-3.5mm。测点2的最终沉降为-6.8mm, 其原因是与测点2最近的桩基位于路基的防护边坡上, 在桩基施工中, 边坡开挖周边土体卸载, 开挖卸载引起土体应力释放, 地表产生较大隆起变形, 且在施工完成后还持续了一段时间, 其隆起量约占最大变形量的50%。 (3) 第3类指测点10~18, 其变形特征是沉降值极小, 可认为系测量误差所致, 地表基本无沉降。其原因是这些测点距桩基较远 (约13.0m) , 桩基施工对其影响甚微。沉降规律总体反映了距桩基越近、影响越大的特点。

2) 第1, 2类测点地表较大隆起值均是在桩基施工时产生的, 随着桩基混凝土灌注, 其值逐渐下降, 最后趋于稳定。

土体深层水平位移随时间变化规律如图5所示 (向地铁偏移为正值, 向桩基偏移为负值) 。

1) 在桩基施工中, 所有深层水平位移均在0值附近左右摇摆, 摇摆方向无规律。不同位置的摇摆程度也不尽相同, 其主要原因是桩基施工过程是随机的, 不同桩基施工工艺并不能保证一致。同时地面荷载、降雨等因素也会造成影响。

2) 深层水平位移呈现非线性变化规律, 底部小、地表大。这反映了桩基施工对浅层干扰较大, 随深度增加, 干扰逐渐减弱这一特点。

3) 施工完成较长时间后, 1号测斜管所测土体深层水平位移仍不稳定, 其原因是此处桩基施工在路基边坡上开挖, 土体卸载引起应力释放, 同时此处位于路边, 车辆过往也会产生一定影响。而其他测斜管所测土体深层水平位移变化呈现一定规律, 并趋于稳定。

4) 3月15日, 3号测斜管所测土体深层水平位移突然急剧偏移, 其原因主要是混凝土灌注速度较大导致。

5) 在桩基施工中, 深层水平位移均未超过报警值, 说明桩基施工对近邻隧道结构影响较小。

隧道累计变形随时间的变化规律如表1所示。

从表1可以得出:测点1-5和2-4的累计变形基本上呈现相同的变化规律, 且变形值均较小, 最大为0.97mm。测点3用于监测隧道顶部变形, 施工完成后, 隧道结构隆起0.5mm, 隆起量较小。可认为桩基施工对近邻隧道结构影响较小。

尽管对地铁下行的隧道结构已进行了变形监控, 但布设的测点有限, 且受地铁运营的影响, 并不能完整反映桩基整个施工过程对隧道的影响, 有必要对关键位置 (对应此位置处的地铁断面里程为ZJK16+292) 进行有限元模拟。

基础由2根单桩组成, 2根桩中心间距为5.0m, 桩径为1.2m, 桩底标高为-20.320m;地铁隧道结构的直径为6.0m, 顶标高为-4.200m, 底标高为-10.200m。管片厚30cm, 上下行水平间距7.0m, 稳定水位深2.5m。采用Plaxis 3D Tunnel模拟。将圆形桩断面等效为矩形断面, 采用等效刚度法, 得到等效的方形桩基边长l为1.063m。地铁衬砌混凝土强度等级为C50, 采用弹性板模拟, 其材料指标如表2, 3所示, 其中γ_unsat为水位以下土的容重;γ_sat为水位以上土的容重。

此外, 为降低桩基先后施工对彼此的不利影响, 当先浇筑桩基混凝土强度达75%设计强度时再施工另一桩基。模拟时另一桩基弹性模量取表2中混凝土的75%, 即2.1×10⁷k Pa, 其他参数取值同表2。有限元模型如图6, 7所示。

采用分部施工和增量法计算模拟。将先施工桩基1 (距隧道较近) 定为方案Ⅰ, 先施工桩基2 (距隧道较远) 定为方案Ⅱ。

方案Ⅰ施工划分为以下7个阶段: (1) 第1阶段地铁修建; (2) 第2阶段桩基1成孔; (3) 第3阶段灌注桩基1混凝土; (4) 第4阶段桩基1混凝土设计强度达到75%; (5) 第5阶段桩基2成孔; (6) 第6阶段灌注桩基2混凝土; (7) 第7阶段混凝土强度达设计值。

为对比分析桩基1, 2施工先后顺序对隧道结构的影响, 两种方案的施工阶段划分相同。

不同施工阶段结束时隧道B结构 (地铁下行) 的最大累计变形如表4所示。

由表4中可以得出: (1) 方案Ⅰ引起的隧道结构最大累计位移略大于方案Ⅱ, 在桩基施工完成后不同施工顺序引起的隧道结构最大累计位移相同。 (2) 第4, 7阶段均为混凝土强度形成时期, 此时隧道结构的位移较小 (均为0.01mm) , 可近似认为对隧道结构基本无影响。 (3) 第2阶段, 方案Ⅰ的累计位移略大于方案Ⅱ, 说明桩基离隧道越近, 其施工对隧道结构影响越大。 (4) 第3阶段后隧道结构累计变形增加, 而第4阶段后隧道结构累计变形降低, 其原因是桩基施工使侧向土体卸载, 土压力减小, 引起隧道向桩基方向偏移;而灌注搅拌混凝土对孔壁产生横向挤压使隧道回移。

隧道结构产生的最大内力是判断施工对隧道结构影响程度的标尺之一, 各施工阶段结束时, 隧道B结构的累计最大轴力、弯矩如图8, 9所示 (相对于第1阶段) 。

由图8, 9可知: (1) 方案Ⅰ引起的隧道累计最大轴力、弯矩略大于方案Ⅱ。但最大累计变化值均较小, 可认为两种施工顺序对隧道结构影响较小。 (2) 轴力的变化规律与位移相同, 而弯矩与其相反, 其原因是隧道向桩基方向偏移, 使得弯矩增加;隧道回移, 弯矩降低。 (3) 方案Ⅰ, Ⅱ最明显的区别在于第2, 5阶段, 即桩基成孔施工对隧道结构影响最大, 其余阶段不同施工顺序对隧道结构的影响无明显差别。

实测值与数值模拟 (方案Ⅰ) 结果表明桩基施工对隧道结构有一定影响, 但累计变形、轴力和累计弯矩变化均较小, 表明该桩基施工对近邻隧道影响较小, 隧道结构是安全的。

1) 桩基施工对土体产生冲切和搅拌作用, 使周边土体产生挤压效应, 地表发生隆起变形。施工完成后, 隆起降低最终趋于稳定。桩基近接路基边坡施工时, 开挖卸载引起应力释放, 地表产生较大隆起变形, 其隆起量约占最大变形量的50%。

2) 桩基在隧道周边施工时, 相同条件下距隧道结构越近对其影响越大, 反之影响越小。

3) 桩基成孔施工对隧道结构影响最大。桩基成孔施工时, 应加强对近邻隧道结构的监测, 以确保地铁的安全运营。