地鐵車站暗挖隧道施工對既有樁基的影響摘要：針對廣州地鐵五號線西村站暗挖隧道的設計和施工方案，運用有限差分方法，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律，提出了相應的施工關鍵工序和有效、合理的預加固措施。研究結果表明：樁側呈負摩阻力狀態，對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，安全系數降低了 40%，相應地高架橋樁基承載能力降低了 40%，需注意關鍵工序施工；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，需采用相應的加固措施；人行橋樁基內力變化不大，但位移較大，在隧道施工過程中，應密切注視上部結構的變化；人行橋樁基屬于摩擦樁，但樁周土體剪應力標準值小于計算剪應力，也需要采用加固措施。關鍵詞：隧道工程；地鐵車站；暗挖隧道；既有樁基1 引 言 接近既有結構物進行城市地下鐵道施工的實例越來越多，因此，接近施工技術已成為隧道施工技術的一個重要構成部分。接近施工與一般施工不同，必須在設計、施工各階段中考慮到對既有結構物的影響。在接近施工中，究竟采用什么樣的措施，與既有結構物和新設結構物的位置關系、影響程度、既有結構物的種類和重要程度等有密切關系，在設計、施工中必須慎重地加以研究[1，2]。針對以上情況，對廣州地鐵五號線西村站暗挖車站隧道接近施工進行了數值模擬分析，以解決設計和施工中存在的問題。 廣州地鐵五號線西村站暗挖隧道距離內環路高架橋樁基較近，其頂上有人行天橋樁基，距離明挖基坑也很近，且地下水發育，水位距樁頂 2 m 左右，設計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。計算的目的是為了弄清隧道施工期間，其開挖及支護對既有樁基的影響，從而確定設計方案及措施。
2 計算情況2.1 施工過程模擬 在隧道施工之前，先施工明挖基坑防護樁，隨后開挖基坑，施工基坑底部樁基，待其底板澆注并達到設計強度后，再開挖隧道。隧道施工采用中隔壁(CD)法施工[3，4]，循環進尺為 1.2 m，初期支護緊跟掌子面，先開挖中隔壁內側，后開挖中隔壁外側，開挖順序為先開挖中洞，再開挖左洞，最后開挖右洞，等三洞初期支護全部施工完畢后，再拆除臨時支護，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 計算參數 針對地勘資料，將圍巖綜合為 5 層材料性質的巖土體，進行研究[5，6]。超前小導管與系統錨桿通過提高所處圍巖物理力學指標來等效處理[7]。材料物理力學參數如表 1 所示。2.3 支護結構參數 支護結構參數如表 2 所示。2.4 計算模型 計算范圍選取為：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。計算中，用實體單元模擬圍巖、二次襯砌、初期支護、樁基，用接觸單元模擬樁基與土體的摩擦效應[8～12]，樁側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。計算模型采用流體–力學耦合模型，力學模型采用 Mohr-Coulomb 屈服準則，流體模型采用 Fluid-Isotropic 準則，并指定土體不能承受負的孔隙壓力，總單元數為 24 715 個，總節點數為50 922個。3 高架橋樁基計算結果分析3.1 內力隨施工變化規律 高架橋樁基內力及安全系數變化規律如圖 3 所示。 通過對圖 3 的分析可以得出如下結論： (1) 最大樁身軸力并不在樁頂，說明樁側摩阻力在隧道施工過程中呈負摩阻力狀態，對樁基的承載能力非常不利，這主要是由于地下水位較高，地質條件較差，隧道施工過程中，不可避免地導致地下水位降低，樁周土體固結下沉而引起的[13]。 (2) 高架橋樁基軸力隨施工推進總體上呈遞增趨勢，在整個施工過程中，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，最大遞增量僅為 200 kN，同比遞增了 6%；中部以下控制截面軸力變化較大，發生在樁基底端以上 10 m 處，最終軸力與初始軸力相比，最大遞增量可達 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，遞增量僅為 130 kN；第 5 步施工時，樁基 1 軸力有較大突變，突變量可達 250 kN，此時樁基 1 的最大軸力為－38 00 kN，發生在樁基 1 底端以上 10 m 處，是樁基 1 軸力變化較大的關鍵工序；后繼施工中，軸力雖仍在遞增，但遞增幅度相對較小，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 軸力變化較大的關鍵工序；后繼施工中，中洞臨時支護拆除，這也是樁基 2 軸力變化較大的關鍵工序，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。樁基 1 的彎矩變化較大的區段為樁基底端以上12 m樁身，且最大彎矩發生在樁基底端以上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，樁基 1 的彎矩為－309.1 kN·m；第 15 步(左洞臨時支護拆除)施工時，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支護拆除貢獻的。因此，可以判定左洞臨時支護拆除是樁基 1彎矩變化較大的關鍵工序。樁基 2 的彎矩變化較大的區段與樁基 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(中洞臨時支護拆除)施工時，彎矩突變較大，與前一步相比，遞增了 1.7 倍多，這是樁基 2 彎矩變化較大的關鍵工序；后繼施工，彎矩已趨于穩定；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，且絕大多數彎矩遞增量是由中洞臨時支護拆除貢獻的。(4) 高架橋樁基安全系數隨施工推進總體上呈遞減趨勢，變化規律與彎矩變化規律一致；中洞、左洞臨時支護拆除時，高架橋樁基安全系數降低幅度較大，這是高架橋樁基安全度降低的關鍵工序；最終施工完畢時，最小安全系數僅為 4.7，發生在高架橋樁基底端以上 10 m 處；在隧道施工過程中，樁基安全系數降低了 40%，那么相應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構的安全。3.2 高架橋樁基位移分析 高架橋樁基位移變化規律如圖 4 所示。 由圖 4 的分析可以得出： (1) 高架橋樁基側向位移的變化規律是一致的，且數值相差不大。中洞施工期間，高架橋樁基受隧道施工的影響，向中洞一側變形，最大變形量可達 3.76 mm，發生在樁基頂端，且由頂端向底端逐漸遞減，相當于樁基整體發生傾斜；左洞施工期間，樁基側向位移由向中洞變形，逐漸過渡到向左洞一側變形，最大位移為－1.27 mm，仍發生在樁基頂端，樁基發生了整體傾斜，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向一側傾斜，保證了上部結構的整體穩定性；后續施工，樁基側向最大位移變化不大，但其位置發生了變化，樁基 1 的最大側向位移由頂端逐漸過渡到樁基中部，而樁基 2 的最大側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，主要是因為中洞、左洞施工完畢后，樁周土體已發生了充分固結，后續施工中，樁體不可能發生整體傾斜，只能是樁身結構自身在偏心壓力下的變形，這種受力模式對樁體結構是不利的。 (2) 高架橋樁基的縱向位移變化規律也是一致的，數值也相差不大。左洞右幅施工對樁基 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，沒有出現比較大的突變現象，樁基 2 的最終縱向位移為8 mm，也為整體下沉。
2 計算情況2.1 施工過程模擬 在隧道施工之前，先施工明挖基坑防護樁，隨后開挖基坑，施工基坑底部樁基，待其底板澆注并達到設計強度后，再開挖隧道。隧道施工采用中隔壁(CD)法施工[3，4]，循環進尺為 1.2 m，初期支護緊跟掌子面，先開挖中隔壁內側，后開挖中隔壁外側，開挖順序為先開挖中洞，再開挖左洞，最后開挖右洞，等三洞初期支護全部施工完畢后，再拆除臨時支護，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 計算參數 針對地勘資料，將圍巖綜合為 5 層材料性質的巖土體，進行研究[5，6]。超前小導管與系統錨桿通過提高所處圍巖物理力學指標來等效處理[7]。材料物理力學參數如表 1 所示。2.3 支護結構參數 支護結構參數如表 2 所示。2.4 計算模型 計算范圍選取為：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。計算中，用實體單元模擬圍巖、二次襯砌、初期支護、樁基，用接觸單元模擬樁基與土體的摩擦效應[8～12]，樁側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。計算模型采用流體–力學耦合模型，力學模型采用 Mohr-Coulomb 屈服準則，流體模型采用 Fluid-Isotropic 準則，并指定土體不能承受負的孔隙壓力，總單元數為 24 715 個，總節點數為50 922個。3 高架橋樁基計算結果分析3.1 內力隨施工變化規律 高架橋樁基內力及安全系數變化規律如圖 3 所示。 通過對圖 3 的分析可以得出如下結論： (1) 最大樁身軸力并不在樁頂，說明樁側摩阻力在隧道施工過程中呈負摩阻力狀態，對樁基的承載能力非常不利，這主要是由于地下水位較高，地質條件較差，隧道施工過程中，不可避免地導致地下水位降低，樁周土體固結下沉而引起的[13]。 (2) 高架橋樁基軸力隨施工推進總體上呈遞增趨勢，在整個施工過程中，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，最大遞增量僅為 200 kN，同比遞增了 6%；中部以下控制截面軸力變化較大，發生在樁基底端以上 10 m 處，最終軸力與初始軸力相比，最大遞增量可達 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，遞增量僅為 130 kN；第 5 步施工時，樁基 1 軸力有較大突變，突變量可達 250 kN，此時樁基 1 的最大軸力為－38 00 kN，發生在樁基 1 底端以上 10 m 處，是樁基 1 軸力變化較大的關鍵工序；后繼施工中，軸力雖仍在遞增，但遞增幅度相對較小，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 軸力變化較大的關鍵工序；后繼施工中，中洞臨時支護拆除，這也是樁基 2 軸力變化較大的關鍵工序，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。樁基 1 的彎矩變化較大的區段為樁基底端以上12 m樁身，且最大彎矩發生在樁基底端以上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，樁基 1 的彎矩為－309.1 kN·m；第 15 步(左洞臨時支護拆除)施工時，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支護拆除貢獻的。因此，可以判定左洞臨時支護拆除是樁基 1彎矩變化較大的關鍵工序。樁基 2 的彎矩變化較大的區段與樁基 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(中洞臨時支護拆除)施工時，彎矩突變較大，與前一步相比，遞增了 1.7 倍多，這是樁基 2 彎矩變化較大的關鍵工序；后繼施工，彎矩已趨于穩定；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，且絕大多數彎矩遞增量是由中洞臨時支護拆除貢獻的。(4) 高架橋樁基安全系數隨施工推進總體上呈遞減趨勢，變化規律與彎矩變化規律一致；中洞、左洞臨時支護拆除時，高架橋樁基安全系數降低幅度較大，這是高架橋樁基安全度降低的關鍵工序；最終施工完畢時，最小安全系數僅為 4.7，發生在高架橋樁基底端以上 10 m 處；在隧道施工過程中，樁基安全系數降低了 40%，那么相應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構的安全。3.2 高架橋樁基位移分析 高架橋樁基位移變化規律如圖 4 所示。 由圖 4 的分析可以得出： (1) 高架橋樁基側向位移的變化規律是一致的，且數值相差不大。中洞施工期間，高架橋樁基受隧道施工的影響，向中洞一側變形，最大變形量可達 3.76 mm，發生在樁基頂端，且由頂端向底端逐漸遞減，相當于樁基整體發生傾斜；左洞施工期間，樁基側向位移由向中洞變形，逐漸過渡到向左洞一側變形，最大位移為－1.27 mm，仍發生在樁基頂端，樁基發生了整體傾斜，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向一側傾斜，保證了上部結構的整體穩定性；后續施工，樁基側向最大位移變化不大，但其位置發生了變化，樁基 1 的最大側向位移由頂端逐漸過渡到樁基中部，而樁基 2 的最大側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，主要是因為中洞、左洞施工完畢后，樁周土體已發生了充分固結，后續施工中，樁體不可能發生整體傾斜，只能是樁身結構自身在偏心壓力下的變形，這種受力模式對樁體結構是不利的。 (2) 高架橋樁基的縱向位移變化規律也是一致的，數值也相差不大。左洞右幅施工對樁基 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，沒有出現比較大的突變現象，樁基 2 的最終縱向位移為8 mm，也為整體下沉。