地铁隧道施工对邻近桩基建筑物的影响研究

地铁隧道施工对邻近桩基建筑物的影响研究

张景武

中建八局轨道交通建设有限公司 吉林长春 130123

摘要：伴随着城市化进程的不断加剧，地铁的建设数量日渐增多，城市隧道、城市地铁施工场地大多位于城市中心人口密集区、环境敏感区，隧道施工容易对施工现场及周围的环境造成一定影响，本文主要对地铁隧道施工对邻近桩基建筑物的影响进行研究，详情如下。

关键词：地铁隧道施工；邻近桩基；建筑物；影响

引言

近年来我国地下轨道交通工程发展迅速，其中盾构法施工在地铁修建中扮演着重要角色。盾构机掘进过程中常有侧穿、下穿一些既有高层建筑物，其中不乏穿越桩基建筑物，盾构隧道施工时会对周围土体产生扰动，而引起建筑物桩基产生一定附加应力和位移。因此研究盾构隧道施工对临近既有桩基建筑物的影响具有重要的意义。

1工程概况

某地铁工程路段盾构隧道侧穿邻近既有高层桩基建筑物。邻近建筑物为12层钢筋混凝框架结构，总高度为37．5m，建筑物基础为钻孔灌注桩基础，桩径为1．0m，桩长19．6m，桩基净距为2m，矩形筏板承台长43m，宽16m，高2．5m。盾构隧道直径为6m，埋深11m，与建筑物水平净距为3．2m。

2地铁隧道施工对邻近桩基建筑物的影响

2.1爆破震动对地面建筑物的影响

隧道掘进施工采用钻爆法施工，而爆破产生的冲击波就会对周围建筑和地质结构产生影响，严重的会造成建筑物基础变形，威胁建筑物的安全。爆破施工产生的震动对建筑物形成的力主要有水平径向、水平切向和垂直方向。在城市隧道挖掘时会使土体应力受到破坏造成土体位移，如果不能合理设置土体支护就有可能直接引起地表不均匀沉降，从而导致地表建筑物不均匀沉降，产生裂缝。地面建筑物在爆破震动作用下容易发生变形、开裂和失稳。因此，这一问题一直是研究的热点和难点，许多学者对爆破地震波在岩土中的传播规律、危害效应和减震技术进行了大量的研究。

2.2建立三维有限元计算模型

为评估基坑施工对地铁区间隧道的影响，采用MIDAS/GTS建立三维数值计算模型进行分析。模型的南北长度为300m，东西宽度为200m，高度为40m。模型边界条件为：底面采用固定约束；四个侧面为垂直于侧面的方向约束；上表面为自由面。土体破坏准则采用摩尔-库伦模型，车站墙、板及地铁D出入口墙板采用线弹性的板单元进行模拟；隧道采用板单元模拟；支撑及车站结构柱采用梁单元模拟。

2.3施工顺序

（1）第1道支撑挖土施工。在端头井挖土前，先进行第1道地下连续墙圈梁施工。第1层土体开挖至第1道混凝土支撑底面位置，施作支撑结构并浇筑第1道混凝土支撑。（2）第2道、第3道支撑挖土施工。待第1道混凝土支撑养护至设计强度，经土方开挖条件验收合格后，小型挖掘机下坑开挖至第2道支撑底500mm。开挖采用二级接力开挖。小型液压挖掘机在坑里将土方挖到大挖掘机的工作范围内，由大挖掘机将土方挖出基坑装车外运。钢支撑跟踪施工，第2道支撑全部施工完毕后，将余土清除。第3层土的开挖方式主要采用长臂挖掘机与小机配合施工，具体方法同第2道支撑。（3）第4道(局部第5道)支撑挖土施工。此层土的开挖主要采用长臂挖掘机与矮臂挖掘机配合施工，开始逐层放坡开挖，每层坡度≤1∶3，整体坡度≤1∶4，直接开挖至底板，具体方法同第3道支撑。（4）基底层土方开挖施工。此层土挖土采用矮臂挖掘机与履带抓铲挖掘机配合的方式，预留200~300mm人工铲土，配备工人跟随小挖掘机挖土进行铲土。开挖至垫层面200~300mm，严禁超挖。基坑挖土严格遵循“时空效应”，此层挖土完毕后4h内浇捣200mm厚混凝土垫层，让其形成1道混凝土支撑。在开挖过程中底板垫层快速浇筑完毕，以确保基坑的安全。

2.4信息化监测

1）地基加固及SMW工法桩施工期间，A#箱涵下卧地铁隧道发生最大约2.9mm的隆起变形，后随时间回落至1.0mm；B#箱涵下卧地铁隧道产生最大约2.1mm的沉降变形，后随时间回弹至1.0mm；C#、D#箱涵下卧地铁隧道发生的隆沉变形基本在±1.5mm之内，变形量相对较小。主要因为A#、B#箱涵为第一批施工，各项施工参数指标尚在研究中，故出现了较大变形波动，当C#、D#箱涵施工时，各项施工参数已趋于相对合理。2）地基加固及SMW工法桩施工期间，B#、C#箱涵下卧地铁隧道有较大的水平位移，最大达到了3.1mm且同一箱涵位置处左右线地铁隧道竖向位移也存在一定差异。该结果考虑为上部地基加固单一施工顺序产生的挤土效应所致。3）在卸载（基坑开挖）工况下，箱涵下卧地铁隧道隆起，在加载（基坑回筑及配重）工况下，箱涵下卧地铁隧道沉降，与计算分析趋势基本一致。4）在卸载工况和加载工况转换完成后，下卧地铁隧道仍将维持上一工况的变化趋势一段时间后才发生转换，存在一定的滞后性，进一步验证了“时空效应”的发生。

2.5开挖过程模拟

隧道开挖过程及衬砌和注浆体的施工，利用ABAQUS中生死单元功能实现，建筑物范围以外开挖步长取7m，建筑物区域内开挖步长取3m。实际工程中采用土压平衡盾构，盾构机刀盘表面与掌子面的土压力保持平衡，为此每开挖完成一步，需在掌子面上施加一个梯形分布的面荷载。荷载大小为:P=207．96+20．1×(29－Z)，其中207．96kPa为隧道顶部的荷载，20．1kg/m³为隧道区域内土体加权平均容重，29m为隧道顶部的Z坐标(Z=29～23m)，由此可计算出梯形面荷载分布为207．96～328．56kPa。

2.6弯矩的变化

隧道开挖对临近桩基弯矩大小影响较大，且桩基越靠近掌子面出，弯矩值变化越大; 隧道掌子面距离桩基一定距离之后，对桩体弯矩几乎无影响。

结语

总而言之，依托该地铁侧穿某临近桩基建筑物，利用ABAQUS三维建模对盾构隧道开挖过程所导致建筑物桩基水平位移、弯矩和建筑物倾斜及沉降的变化进行了详细分析，得出如下结论。1)建筑物桩基水平位移增长与其距盾构隧道掌子面的距离有关，距离掌子面越近的桩基位移变化越大，且当隧道掌子面与桩基距离超过一定距离时，隧道开挖对建筑物桩基的变形几乎无影响;隧道开挖完成后靠近隧道侧建筑物桩基变形基本一致。2)隧道穿越桩基过程中对桩基弯矩大小影响较大，对桩基弯矩变化规律影响较小，且桩基距离掌子面越近，弯矩值变化越大;当隧道掌子面与桩基距离超过一定值后，隧道掘进对桩基弯矩几乎无影响;隧道开挖完成后，靠近隧道侧建筑物桩基弯矩基本一致。

参考文献

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