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地鐵隧道對相鄰樁的承載力的影響 摘要：在城市地區(qū)修建隧道需要考慮隧道施工對現(xiàn)有樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性和完整性的影響。以廣州地鐵2號線為工程背景，我們集中分析了隧道施工地區(qū)對相鄰樁基礎(chǔ)承載能力的影響。它采用彈塑性三維有限差分模型，模擬地鐵隧道施工全過程（土壤元素的失活和襯砌的激活）中樁的反應(yīng)，利用快速拉格朗日分析對連續(xù)的三維坐標(biāo)進行分析。隧道周圍相鄰的地層分為三個區(qū)域：第一區(qū)（隧道正上方地層），第二區(qū)（隧道側(cè)上方45 地層）和第三區(qū)（隧道正側(cè)方地層）。在每個地區(qū)選擇一個典型的樁進行詳細計算和分析。主要從樁側(cè)摩阻力，樁端總抗力和樁底段軸力三方面對樁身承載力進行數(shù)值模擬。目前已經(jīng)對不同地區(qū)對典型樁承載力的影響進行了理論值與實測值的對比分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，城市隧道施工對樁承載能力的影響主要取決于樁側(cè)摩阻力和樁端總抗力。樁底位于隧道不同地層隧道施工對樁承載力的影響有很大不同，樁側(cè)摩阻力和樁端總抗力因隧道施工發(fā)生復(fù)雜變化，從而表現(xiàn)為樁軸力的復(fù)雜變化，因而影響到樁基礎(chǔ)的承載力。當(dāng)樁基受擾動較大時，采用地層注漿加固或樁基托換等積極措施來控制樁基承載力和樁體沉降是十分必要的。研究結(jié)果對于類似的工程有參考價值。 關(guān)鍵字：隧道；數(shù)值模擬；樁基礎(chǔ)；樁承載力；樁底段軸力；樁側(cè)摩阻力；樁端總抗力。 1 引言 在城市地鐵建設(shè)中，往往會遇到地鐵隧道從高樓大廈的底部穿過的情況，這樣必然會影響到建筑基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和完整性，從而影響到高樓大廈的安全與穩(wěn)定?；诖耍瑢τ谝虻罔F施工引起的現(xiàn)存樁 基承載力問題必須做出深入研究[1～5] 。 為了了解隧道開挖對現(xiàn)存樁基的影響，Morton和King已經(jīng)進行了多次室內(nèi)研究，與此同時Longanathan和他的同事曾進行離心試驗的探討。Chen和N.Longanathan 的研究采用相應(yīng)的數(shù)值模擬分析重點分析了地鐵施工對樁的影響，而對本文所研究的問題即淺埋暗挖地鐵隧道近距施工引起的樁基承載力變化規(guī)律及相互效應(yīng)問題的研究涉及很少，而這正是實際工程建設(shè)所遇到的急需進行深入研究的難題。 一個單樁的承載力存在如下關(guān)系： Q=Qs+Qp ⑴ 式中Q為樁基的承載力，Qs 為樁側(cè)土的總摩阻力，Qp 為樁端土的總抗力。 由公式（1）可以看出，樁基的承載力由樁側(cè)土的總摩阻力和樁端土的總抗力兩部分組成。樁是通過樁側(cè)摩阻力和端部抗力把上部荷載傳遞給地層的。如果隧道在樁基礎(chǔ)的附近進行施工，必然會對樁的側(cè)向摩阻力和端部抗力產(chǎn)生影響。因此，研究隧道地鐵施工對樁基承載能力的影響和變化規(guī)律變得非常重要。 我們采用FLAC3D法，針對廣州地鐵2號線淺埋暗挖法施工的隧道對臨近的樁基礎(chǔ)承載能力的影響進行了數(shù)據(jù)分析。為了找到它們作用的原則和規(guī)律，我們對樁側(cè)摩阻力，樁端總抗力和樁底段軸力進行了大量的深入研究。 2 工程背景 廣州地鐵2號線從某框架式結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的下面穿過，它采用淺埋暗挖法施工。它的基礎(chǔ)是人工挖土端承樁。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，即作為持力層的中風(fēng)化巖層發(fā)生交錯傾斜現(xiàn)象，從而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)的長短和作用位置各不相同，如圖1~2所示。由這兩個圖可知這項工程相當(dāng)復(fù)雜，因為樁基礎(chǔ)與隧道的空間位置不能確定。評價隧道對已有樁基礎(chǔ)承載了和穩(wěn)定性的影響具有非常典型的代表意義。 (1)—人工填土層；(3–2)—沖洪積層～砂層；(5–2)—硬塑狀殘積層～粉質(zhì)黏土；(6)—巖石全風(fēng)化層；(7)—巖石強風(fēng)化層；(8)—粉砂巖中等風(fēng)化層；(9)—粉砂巖微風(fēng)化層 圖1工程地質(zhì)縱剖面圖 圖2 樁與隧道位置關(guān)系 這些樁的直徑是1.2米。隧道界面全部采用高7.3米，寬6.6米的橢圓形斷面。初期襯砌厚度為0.3米，二次襯砌厚度為0.35米（如圖3所示）。錨桿長2.5米，在隧道上部形成150度的覆蓋區(qū)域。隧道分四個區(qū)域進行開挖。經(jīng)過了相應(yīng)的分析，我們找到了最佳的開挖順序是1-2-3-4。 圖3隧道截面開挖順序圖 3 數(shù)值計算模型 為便于問題的分析，計算模型以樁基礎(chǔ)作用的地區(qū)為中心進行建模。它沿隧道縱向取為 100 m，沿隧道橫向取為60 m，地表以下40 m為模型的底部邊界。根據(jù)模型位移邊界條件知，側(cè)面水平位移和底部垂直位移是有限制的，模型上表面是自由的。模型的大小與群樁的水平位置之間的關(guān)系如圖4所示。 圖4隧道模型與群樁水平位置大小之間的關(guān)系 地層的初始應(yīng)力可以通過如下方式得到： 第k層的垂直應(yīng)力為： 其中k=1，2，……k；k=1,2，……；同時k≤模型的最大土層數(shù)；ρi=是土壤的飽和密度（廣州的地下水位很淺），hi是土層的厚度。 如果我們假設(shè)k土層的泊松比為λk，那么土層的側(cè)壓力系數(shù)為： 側(cè)向土壓力為： 在分析中采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和大應(yīng)變模型。屈服函數(shù)和塑性應(yīng)變的函數(shù)如下： 式中，c 為巖土體的黏聚力，?為土體的內(nèi)摩擦角，ψ為土體的膨脹角；p為平均應(yīng)力， J2偏應(yīng)力矢量，θ為Lode 角。 所有的物理和力學(xué)參數(shù)列于表1中。 表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)表 在這個工程中，準(zhǔn)確的計算上部結(jié)構(gòu)傳遞給樁上部的荷載非常的重要，它將最終決定樁的軸力和沉降量。工程中采用PKPM軟件和工程估算法進行這些荷載的計算。由于PKPM軟件考慮了地震因素和場地的實際狀況，因此用PKPM軟件計算的負載結(jié)果比工程估算法稍大一點兒?？紤]工程的安全性，經(jīng)過對兩種方法計算結(jié)果的比較，采用了比較保守的PKPM軟件計算的結(jié)果。 另外，還有一些關(guān)鍵問題需要解決：1）對復(fù)雜地層的準(zhǔn)確定義，2）短開挖的模擬3）復(fù)雜襯砌施工的模擬。隨著數(shù)值分析軟件的發(fā)展這些問題都被一一解決了。 一些數(shù)值模型的信息標(biāo)注在圖5中。 (a)三維模型網(wǎng)格圖 (b)隧道模型 圖5數(shù)值計算模型 4 結(jié)果與討論 很容易知道，隧道對周圍巖體不同位置的干擾大小與隧道的開挖方法有關(guān)。為了便于分析，隧道周圍巖體被分為三個區(qū)域，即，第一區(qū)（隧道正上方），第二區(qū)（隧道側(cè)上方45?），第三區(qū)（隧道側(cè)面）。因為建筑物的地基非常復(fù)雜而且樁基礎(chǔ)樁長短不一，所以不可能對其進行一一研究。我們建議選取一些具有代表性的樁，以便對其進行詳細深入的研究。考慮到三個分區(qū)域相鄰的巖體和樁基礎(chǔ)的特點，我們建議在每個分區(qū)域選取一個代表樁進行研究。 4.1 地層沉降，樁的位置與樁的應(yīng)力之間的關(guān)系 通過統(tǒng)計分析手段，得到如圖7所示的樁的應(yīng)力與地層沉降的關(guān)系曲線，這表明隧道開挖對其周圍的巖體產(chǎn)生了擾動，從而導(dǎo)致了其沉降和變形。這表明各巖層的沉降曲線是正態(tài)分布的。另外，越接近地面，沉降曲線振幅越大，峰值越小；相反，如果越遠離地面，沉降曲線振幅越小，峰值越大。隧道下面地層產(chǎn)生隆起，由于隧道開挖使樁基礎(chǔ)在上部荷載作用下面產(chǎn)生較大的沉降，從而導(dǎo)致了樁周圍巖體的附加沉降。因此，隧道、地層及樁基礎(chǔ)之間是相互作用的，隧道開挖對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生了很大影響。 圖6代表樁和巖層區(qū) 圖7地層沉降和樁應(yīng)力示意圖 4.2 隧道施工對樁側(cè)摩擦力和樁端阻力的影響分析 由圖6和圖7知，一區(qū)的沉降規(guī)律總結(jié)如下：沉降影響由下向上傳遞，沉降數(shù)值由下向上遞減。樁A從地表穿越到隧道上部地層，成為上下地層的紐帶。于是，下部地層首先發(fā)生沉降，并在樁A下部產(chǎn)生側(cè)向拉力（負摩擦力），但因為上部地層沉降量小且滯后，會阻止樁A 下滑，故產(chǎn)生向上的側(cè)摩擦力，即正摩擦力。因此在樁的中部有一個平衡點。在隧道中性點的上部為正摩擦區(qū)，中性點下部為負摩擦區(qū)，中性點處為拉力狀態(tài)。下部持力地層的沉降量大于上部地層，從而導(dǎo)致樁A的端阻力減小。我們可以得出結(jié)論，由于此區(qū)域地層位移規(guī)律的特殊性，使位于第一區(qū)域內(nèi)的樁基在側(cè)摩擦力和端摩阻力方面出現(xiàn)與普通受力樁完全相反的受力狀態(tài)，極大地降低了樁基承載力。樁A的受力如圖7中箭頭所示，其力的大小受隧道1、3部開挖的影響比較大，而受2、4部開挖的影響并不敏感。 第二區(qū)在沉降曲線的拐點范圍內(nèi)，下部地層的沉降量明顯小于第一區(qū)地層的沉降量，且上部地層的沉降量變化緩慢。樁B的上部處于第一區(qū)的地層中，下部處于第二區(qū)的地層中；結(jié)果，樁B 上部受到第一 區(qū)地層的較大沉降作用而產(chǎn)生向下的側(cè)摩擦力(負摩擦阻力)，而樁B的下部第二區(qū)地層沉降量相對較小，相對的阻止樁B 的下沉，產(chǎn)生向上的側(cè)摩擦力(正摩擦阻力)。與施工前相比，中性點受壓且其位置明顯向下移動了。由于隧道上部側(cè)向45處圍巖受到強烈的剪切應(yīng)力作用，使得樁B底端軸力明顯變大并超過了隧道施工前的初始值。軸向應(yīng)力的增加劇了圍巖的破壞，并誘發(fā)圍巖產(chǎn)生了二次松動。樁B的應(yīng)力如圖7所標(biāo)注的箭頭所示，其力的大小受隧道1、3部開挖的影響比較大，而受2、4部開挖的影響并不敏感。