预埋钢护筒锤击施工对现有隧道影响.pdf

中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-90-三星推荐桩基能够将上部结构荷载有效传递至各个地层或深部坚硬地层上，能有效提高地基的承载能力及地层的密实程度，从而改善上部结构的抗震、抗倾覆以及抗沉降变形能力等。在施工过程中，锤击沉桩会对周围地层及地层中的现有建筑物产生较大影响，主要为锤击造成的严重挤土效应，会导致周围地层产生较大扰动，从而影响甚至危及地层现有建筑物的运营及使用安全。在钻孔灌注桩施工过程中，当桩的直径较大时，容易发生塌孔现象，较为常见的方法有深埋钢护筒的方式去改善周围土壤受力。深埋钢护筒采用锤击的方式进行施作，但该过程中，钢护筒与土壤之间的相互作用会随着护筒埋置深度的不断增大而越发明显，进而对地层的扰动越加剧烈，可能进一步对地层中建筑物产生影响。本文通过开展有限元分析，对锤击钢护筒施工过程中地层的扰动情况及地层中现有建筑物的影响进行了研究。本研究将为开展相关研究提供一定的思路借鉴。工程概况及有限元建模工程概况本研究依托于雄安新区至北京大兴国际机场快线项目，分为左右两条盾构隧道，盾构区间长 2 867.2m。盾构隧道施工完成后进行明挖车站围护结构施工，基坑底部设置抗拔桩，局部设置围护桩。其中车站抗拔桩还需进行后注浆工艺以提高基础承载力。抗拔桩采用旋挖钻机成孔，吊车吊装钢筋笼及导管，混凝土直接灌注的方式施工。为避免成孔时造成塌孔或桩身质量受损，提前进行钢护筒埋置，钢护筒采用厚度 46mm 的钢板制作而成，内径较桩径大 20cm，长度为 3m。待确认好桩位后，通过锤击的方式进行钢护筒埋置，桩基尺寸及其与盾构隧道平面位置如图 1 所示。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度预埋钢护筒锤击施工对现有隧道影响牟建红 庞跃魁 王会年 李鹏飞 谢恩林 孟金建牟建红1 庞跃魁2 王会年1 李鹏飞2 谢恩林1 孟金建11.中国水利水电第五工程局有限公司2.北京工业大学通信作者：庞跃魁基金项目：国家自然科学基金（名称：深埋砂卵石地层土压平衡盾构隧道开挖面失稳机制与控制措施。编号：51978019）；北京市自然科学基金（名称：承压水粉细砂地层盾构隧道管片结构抗连续破坏设计方法。编号：8222004）。图 1 桩基尺寸与盾构隧道平面位置（单位：mm）-91-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期三星推荐表 1 土层分布及力学性能名称密度/（kg/m3）黏聚力 C/（kpa）内摩擦角/压缩模量 ES/MPa分布深度h/m粉质黏土1 93024.215.28.7-10.40粉细砂2 0206.522.423.8-20.8-10.4粉质黏土2 00025.916.09.9-28.39-20.8粉细砂1 950513.419-38.5-28.39粉质黏土2 02027.417.910.5-50-38.5施工时先从 01 号桩开始施工，采用钻孔灌注法进行施工，桩基埋置深度为-42m。桩基施工现场处隧道埋深为24m，盾构隧道外径为 8.8m，管片厚度为 0.45m，采用C50 混凝土预制而成。此外，根据现场勘测可知隧道所处地层的土壤分布情况如表 1 所示。有限元模型建立为消除边界效应对计算结果的影响，计算模型沿隧道横断面方向的尺寸一般取 5 倍的隧道直径。本文重点研究钻孔灌注桩施工过程中，施工对现有隧道的影响。所依托项目左右线隧道间距为 6.2m，隧道直径为 8.8m，沿隧道纵向，也应降低边界面约束对计算精度的影响，为此，最终计算模型尺寸为 75m30m50m，地层根据当地勘测情况，共划分为五种地层条件，最终计算模型如图 2 所示。在计算模型各边界面都设置有法向的位移约束，防止模型边界欠约束而出现刚体位移，从而导致计算不收敛问题。除此之外，在模型中隧道与地层的接触面之间，均设置有法向的硬接触和切向的罚摩擦，摩擦系数取为 0.3，法向的硬接触允许发生接触分离。钢护筒预埋采用锤击的方式进行施工，其施工过程如图3 所示。为模拟其施工过程，在有限元模型中，采用在钢护筒上表面施加位移的方式，来实现钢护筒的预埋过程。图 3 钢护筒埋置（a）锤击施工图 2 计算模型及其地层分布情况（b）埋置效果影响分析地表变形锤击过程中，地表变形是最为直观的表现。由于钢护筒与土体接触面切削时存在摩擦力作用，地表靠近钢护筒周围土体会发生塌陷。地表沉降云图如图 4 所示。在钢护筒锤击位置处，地表沉降值最大，为-28.25mm，且其沉降影响范围直径大约为周围 15m。为研究钢护筒锤击对地表周围的变形影响规律，对桩轴线位置处隧道纵向及隧道横向两方向的地表变形进行了提取分析，其变化规律如图 5 所示。通过两方向地表变形可以看出，钢护筒锤击施工完成后，地表沿隧道纵向的沉降范围大约为-3.93.7m，而在隧道横向，地表沉降范围大约为-2.21.8m，地表沿隧道纵向的沉降范围大于隧道横向地表沉降。该现象可能与地层中右线隧道存在有关，隧道结构自身刚度远大于地层土体刚度，从而沿隧道横向抵抗变形能力较强，故表现出地表沿隧道纵向的沉降范围大于隧道横向地表沉降的现象。此外，在桩轴线边缘位置处，地表土体发生了一定的隆图 5 地表横向与纵向沉降（单位：m）图 4 地表沉降（单位：m）中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-92-三星推荐起变形，说明在锤击钢护筒时，靠近钢护筒处土体由于与钢护筒摩擦作用，会发生挤压下沉，而再外侧土体则由于内测土体挤压而发生隆起。桩位处地层变形锤击钢护筒及钻孔灌注桩的施工，会对周围地层产生扰动，主要为地层竖向影响最大。桩周地层竖向位移云图如图6 所示。在桩基施工过程中，桩周地层产生了不同程度的竖向位移。由于桩与周围土体的接触作用，桩基施工对靠近中心位置处的土体影响最大，桩基与地层接触面的土体竖向位移最大。根据土体竖向位移变化规律看出，竖向位移变化与地层的分布情况有关，可以判断出，粉细砂地层抵抗变形能力较差，在该地层处，桩基施工引起的地层竖向变形影响范围较大，该现象可能与其土体黏聚力直接相关，黏聚力大小对其抵抗变形能力有着直接影响。此外，在靠近 01 号桩的右侧隧道处，地层的竖向位移扰动区域已经接近隧道外边缘，有可能导致隧道的失稳破坏，影响到隧道结构的受力安全。隧道受力与变形桩基施工会对周围土体产生扰动，进而影响到地层中隧道的受力与变形。隧道的受力变化如图 7 所示。如图 7（a）所示，在对计算模型进行地应力平衡之后，即初始地应力作用下，两侧隧道的受力较为均匀，且未存在有明显的应力集中现象。如图 7（b）所示，当对钢护筒进行锤击预埋及桩基钻孔灌注施工之后，靠近桩基位置处隧道由于土体的挤压，产生了明显的应力集中现象，最大应力达到了 26.75MPa。隧道的扰动变形如图 8 所示。在未进行桩基施工前，可以看出，两侧隧道最大变形值小于1mm。当进行完桩基施工后，靠近01号桩的右侧隧道，其扰动变形较大，达到了 1.23cm，且主要发生在应力集中区域，说明该扰动变形是隧道受力骤增而导致的。结语本文通过开展数值模拟，对预埋钢护筒锤击施工时现有隧道及其周围地层的扰动影响进行了研究，并得出了以下相关结论。（1）锤击钢护筒施工过程中，土体与钢护筒的摩擦作用会使得周围土体发生沉降，沉降直径范围大约为 15m，且由于锤击对隧道变形的影响，沿隧道横向的地表沉降范围大于纵向方向。（2）在桩基施工过程中，桩周地层产生了不同程度的（b）隧道扰动变形图 8 隧道扰动变形（单位：m）（a）隧道初始变形（b）隧道扰动受力图 7 隧道受力变化（单位：Pa）（a）隧道初始应力图 6 桩周地层竖向位移（单位：m）竖向位移，且由于桩与周围土体的接触作用，桩基施工对靠近中心位置处的土体影响最大，桩基与地层接触面的土体竖向位移最大。（3）桩周地层竖向位移变化与地层土体的分布情况有关，粉细砂地层抵抗变形能力较差，该现象可能与其土体黏聚力直接相关。（4）当对钢护筒进行锤击预埋及桩基钻孔灌注施工之后，靠近桩基位置处隧道由于土体的挤压，产生了明显的应力集中现象。