钻孔灌注桩钢套管长度对紧邻地铁隧道变形影响

杨 军，赵 川

（1、广州市市政工程设计研究总院有限公司 广州510060；2、上海大学土木工程系 上海200444）

近年来，随着城市建设的飞速发展，地下空间不断被开发，轨道交通不断在发展。随之而来的是许多工程项目被迫在隧道附近施工，因此如何把桩基施工对隧道地影响降到最低，成为此类工程施工的重点和难点［1-3］。上海的相关部门根据本地土层特点，制定了轨道交通附近工程施工的控制标准［4］。

桩基施工对周边土体的扰动是不可避免的，土中应力变化会引起隧道结构附加应力和附加内力的变化，对隧道产生不利影响［5］。国外对此的研究较早，Benton等人［6］曾对群桩荷载造成的隧道纵向影响进行研究；Schroede［7］运用有限元方法分析了桩与隧道桩的相互影响。国内对此的研究相对来说进行得较晚，黄志忠［8］对近距离地铁隧道桩基设计的敏感性参数和施工技术进行了综合分析；代志萍［9］采用数值模拟的方法，分析了钻孔灌注桩施工对隧道产生的影响。张戈［10］提出软土地区大直径钻孔灌注桩施工对紧邻运营地铁隧道的位移控制对策。以上研究都是基于正常施工不发生意外的情况下，但由于钻孔灌注桩的成桩工艺在施工过程中易发生塌孔、流砂、涌泥、缩颈、断桩等现象，这些都可能对隧道造成破坏。采用钢套管对桩孔护壁，不仅能避免发生此类工程事故，而且能进一步减少桩基施工对隧道及周边土体的影响。闫静雅［11］对比了加设钢护筒、预设加固桩以及在地铁运营空窗期快速施工等3种钻孔灌注桩的施工保护措施，并分析了各种措施的优劣。范礼彬等人［12］结合现场试桩试验结果，分析全套管回旋灌注桩施工对高铁桩基的影响，并对变形规律进行总结。这些研究表明采用钢套管能够减少桩基施工的影响。不过使用钢套管护壁相较于泥浆护壁的成本会高出很多，将2 种工法结合，可以保证施工的安全性也能节约施工成本，但目前相关钢套管的设计还未有统一标准。

本文以上海某轨道交通为依托，通过数值模拟的方法，分析套管长度对隧道的影响规律，从而得出既能保证安全性又能保证经济性的施工方案，为今后的类似工程提供参考。

1 数值模型

1.1 模型设置和模型参数

本研究以钻孔灌注桩对邻近上海某轨道隧道的影响为工程背景，建立计算模型，工程地层分布如图1所示。基于Flac3D有限差分软件建立数值计算模型，如图2所示。

图1 地层分布Fig.1 Stratigraphic Distribution

图2 Flac3D模型Fig.2 Flac3D Model

模型中桩长30.0 m，桩径1.0 m，隧道埋深12.0 m，隧道直径6.2 m。钻孔灌注桩距离隧道（下文简称为桩隧距）3.0 m。模型长度70.0 m，高度75.5 m，由于忽略轴向变形，故宽度方向6.0 m。该模型总计313 168个单元，34 604个节点。

模型中各层土的物理力学参数采用勘察成果资料，如表1 所示。本文中土体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，由于该模型回弹模量和压缩模量为同一值，但回弹模量会大于压缩模量，为消除影响，输入的弹性模量为压缩模量的4倍。隧道采用线弹性模型模拟，弹性模量取32.5 GPa，泊松比取0.167。钢套管用Flac3D 中的壳单元模拟。壳单元在Flac3D 属于结构单元，所输参数可以模拟钢套管与土之间的接触不需要另建接触面，并且能更容易获取所需数据。

表1 土体物理力学参数Tab.1 Soil Physical and Mechanical Parameters

1.2 边界条件

本文中模型边界为标准边界。底边全约束，约束其x、y、z三个方向的位移，左右两边约束x向位移，前后两边约束其y向位移，上边为自由边界，不施加约束。

1.3 施工过程

根据黄大维等人［13］的研究，当钢套管下压到一定深度，地基承载力会小于小于土柱底部应力，套管底部土体剪切破坏，从而发生挤土效应。由本文土层信息计算得出，当钢套管一次旋入8.7 m 后，钢套管继续下压会发生挤土效应。为减小甚至避免出现挤土效应，本文采取钢套管边跟进边挖土的方式，分段开挖，每段开挖不大于8.0 m，并且在钢套管深入隧道底部一定深度后采用泥浆护壁正循环工法进行施工，既能减少对隧道的扰动，又能节约工程成本［14］。

钻孔灌注桩施工模拟步骤：①在自重应力下达到初始应力平衡；②隧道开挖、支护，再次达到地应力平衡；③钻孔灌注桩分段开挖。

1.4 钢套管以及泥浆模拟

钢套管采用壳单元模拟，弹性模量取206 GPa，泊松比取0.3。泥浆护壁过程等效为静水压力荷载，泥浆压力计算公式为：

式中：P为深度h处的等效静水压力；ρ为泥浆密度，根据《建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008》［15］，一般地层泥浆密度应为1.1～1.2 g/cm³，本文中取1.2 g/cm³；g为重力加速度，取10 m/s²。

2 模拟结果分析

本文设计了4 种方案（见表2）进行灌注桩施工，分别分析隧道水平方向位移、竖直方向位移以及所受弯矩和轴力的变化，隧道观测点选择隧道拱顶、左拱腰、拱低和右拱腰4 处。同时分析深层土体水平位移和附近地表沉降，来综合判断钢套管的最优长度。

表2 施工方案Tab.2 Construction Plan

2.1 隧道衬砌受力分析

各方案模拟施工使隧道轴力玫瑰图和各观测点的轴力变化如图3、图4所示。

图3 各方案隧道衬砌轴力玫瑰图Fig.3 Rose Diagram of Axial Force of Tunnel Lining in Each Scheme

图4 护壁套管长度不同时隧道轴力变化Fig.4 Change of Tunnel Axial Force with Different Length of Protective Casing

从图3、图4 可以看出，总体来说轴力最大的位置位于拱底，且左拱腰和拱底处的轴力会大于拱顶和右拱腰处，这说明灌注桩的施工引起隧道衬砌轴力的增加。随着套管的长度增加，隧道所受轴力越小。4个方案的轴力最大值分别为6.8 kN、4.6 kN、3.4 kN、2.9 kN，随着护壁套管长度增加，方案2～方案4 相对方案1 轴力减少2.3 kN、1.2 kN、0.5 kN，可见护壁套管长度超出隧道底部由0 m增加到4 m时轴力减少最多。

2.2 隧道衬砌变形分析

各方案隧道衬砌水平位移和垂直位移如图5所示。

图5 护壁套管不同长度时隧道位移Fig.5 Displacement of Tunnel with Different Length of Protective Casing

从图5中可以看出，由于护壁套管长度变长，隧道4个观测点的水平和垂直位移减小。左拱腰和拱底处的位移会大于拱顶和右拱腰处。在拱底处，4 个方案的水平位移分别为5.5 mm、4.5 mm、4.1 mm、3.9 mm，竖直位移分别为8.1 mm、6.0 mm、5.1 mm、4.8 mm。从数据可以看出，护壁套管长度从超出隧道底部0～4 m时，水平位移减少程度最高。继续增加钢套管长度对减少隧道水平位移效果变差。最大的水平位移为5.5 mm，最大的垂直位移8.5 mm，均低于警戒值，并且垂直位移略大于水平位移。

2.3 深层土体水平位移分析

深层土体水平位移观测区距离隧道左拱腰1 m处，距离地表0～45 m 的水平位移如图6所示。深层土体的水平位移在0～12 m 的范围内水平位移逐渐增加，在12～20 m 出现凹处，是由于隧道位于该土层，影响了土体的位移。深度在20 m以后，土体的水平位移迅速增加，这是由于使用泥浆护壁工法后，土层发生损失，土体水平位移增加迅速。在钢套管护壁范围内，施工造成的土体位移影响较小，说明钢套管对减小土体位移有良好效果。各个方案土体的最大位移分别为：钢套管超出4 m时减少的土体位移效果明显，继续增加钢套管长度，效果减弱。套管长度越长水平位移出现的最大值处逐渐下移。桩长只有30 m，土体发生位移的深度大于30 m，说明钻孔灌注桩对深度超过桩长的土体存在影响。

图6 护壁套管不同长度时深层土体水平位移Fig.6 Horizontal Displacement of Deep Soil under Different Length of Casing

2.4 地表沉降分析

位于钻孔灌注桩右侧，隧道上面的地表处沉降如图7所示。4种方案引起的地表沉降值相似，表明钢套管护壁对于减少地表沉降效果不佳。距离桩侧1 m处左右的地表沉降值最大，4 种方案沉降最大值分别为3.0 mm、2.9 mm、2.7 mm、2.6 mm，且地表沉降值随着逐渐远离桩而逐渐减小，影响范围大约为0～7 m，约是桩径的7倍。

图7 护壁套管不同长度时地表沉降Fig.7 Surface Settlement under Different Length of Wall Protection Casing

2.5 桩径分析

在其他参数保持不变的基础上，模拟桩径分别为800 mm、1 000 mm、1 200 mm 时，4 种方案完成施工后引起隧道衬砌变形的情况。选取变形较大的左拱腰处作为观测点，其水平位移和垂直位移如图8所示。

图8 不同桩径时隧道位移Fig.8 Displacement of Tunnel with Different Pile Diameters

由图8 可以看出，隧道衬砌的水平位移和垂直位移受桩径的影响，桩径越大引起的隧道衬砌位移越大。4 种施工方案中，当护壁套管长度从超出隧道底部0～4 m 时，效果最明显，继续增加钢套管长度对减少隧道位移效果变差。各方案水平位移差值如表3所示。因此，当其他的施工条件不变时，桩径大小改变，效果最优的钢套管护壁长度不受影响。

表3 各施工方案隧道衬砌水平位移差值Tab.3 Horizontal Displacement Difference of TunnelLining in Each Construction Scheme （mm）

由本文2.1节可知方案2，也就是钢套管护壁超过隧道底部4 m时，轴力减小的效果最好，因此选择方案2观测隧道衬砌在桩径不同时的轴力，如图9 所示。可以看出，轴力随着桩径的增大而增大，并且在隧道左下部分，轴力受到桩径的影响会比其他部分更大。轴力最大点位于拱底处，最大轴力分别为4.3 kN、4.6 kN、4.9 kN，均低于警戒值。

图9 不同桩径时隧道衬砌轴力玫瑰图Fig.9 Rose Diagram of Axial Force of Tunnel Lining under Different Pile Diameters

2.6 桩隧距分析

在其他参数保持不变的基础上，模拟桩隧距分别为3 m、5 m、7 m 时，4 种方案完成施工后引起隧道衬砌变形的情况。同本文2.5 节一样选择左拱腰处作为观测点，其水平位移和垂直位移如图10所示。

图10 不同桩隧距时隧道位移Fig.10 Displacement of Tunnel with Different Distance between Piles and Tunnels

由图10可以看出，桩隧距越大隧道衬砌的水平位移和垂直位移越小。桩隧距为3 m 时，方案2 的施工工况下，水平位移4.1 mm，而当桩隧距为7 m时，方案1的施工工况下，水平位移为4.4 mm，略大于前值。这说明桩隧距增加，可以适当减少钢套管护壁的长度。考虑经济效益，远离隧道的钻孔灌注桩可以选择更短长度的钢套管甚至不使用钢套管护壁。

在方案2 的施工工况下，隧道衬砌在桩隧距不同时的轴力，如图11 所示。当桩隧距增大时，隧道衬砌所受的轴力减小。桩隧距3 m、5 m、7 m 时，拱底处轴力分别为4.6 kN、4.3 kN、3.7 kN，桩隧距5 m、7 m 相较于3 m，轴力分别减少了0.3 kN、1.9 kN，可见桩隧距越大，轴力减小的程度越高。

图11 不同桩隧距时隧道衬砌轴力玫瑰图Fig.11 Rose Diagram of Axial Force of Tunnel Lining under Different Distance between Piles and Tunnels

3 结论

本文采取数值模拟的方法，分析了不同长度的钢套管对邻近隧道的内力、变形，以及对桩与隧道间深层土体水平位移和地表沉降的影响。得出以下结论：

⑴轴力最大的位置位于拱底，且左拱腰和拱底处的轴力会大于拱顶和右拱腰处。随着套管的长度增加，隧道所受轴力越小。

⑵由各方案对比分析可知，钢套管长度超出隧道底部4 m，然后采取泥浆护壁工法施工，对隧道的内力和位移影响小且更加经济。

⑶使用增加钢套管长度对于减小地表沉降的效果不明显。该工法施工时，地表沉降最大值发生在一倍桩径处，沉降值随着距离的增加逐渐减少，影响范围大概为桩径的7倍。

⑷同等条件下，桩径增大，隧道衬砌的变形增加，但是改变桩径，钢套管的最优长度不会因此改变。

⑸桩隧距越大，隧道衬砌的变形越小，钢套管护壁的长度可以适当减短。隧道衬砌所受的轴力随着桩隧距增大而减小，并且桩隧距越大，轴力减小值越大。