探讨浅埋暗挖法隧道施工对邻近桩基的影响及其控制.pdf

路桥建设 建材发展导 向 2 0 1 4年 5月 探 讨浅埋暗 挖法隧道施工对邻近桩基的 影响及其控制 刘春 秀 ( 福建华源 阳光工程 管理有 限公司 福州市3 5 0 0 0 1 ) 摘要： 在地下工程施工中， 尤其是城市地下工程施工中， 如果进行隧道的开挖， 则产生的地层变形、 应力释放等对周 围的环境会产生影响， 使周围的环境受到扰动。随着我国城镇化进程的加快， 地下工程， 比如地铁工程大量增加 ， 所以探讨 浅埋暗挖法隧道施工对邻近桩基的影响及其控制具有重要的现实意义。 关键词 ： 桩基沉 降； 地层 变形 ； 浅埋暗挖法 ； 隧道施工 中图分类号： u 4 4 5 4 文献标识码： b 文章编号： 1 6 7 2 1 6 7 5 ( 2 0 1 4) 0 9 0 2 4 4 0 2 城镇化 的快速 推进 ， 致使城市人 口大量增加 ， 城市用地 的紧 张局面无 以复加 ， 在 这种背景下 ， 发展地下轨 道交通城市不 少城 市环节交通压 力的一个有效做法 。但 是建 设地 下交通工程 ， 如果 不分析隧道施工对临近桩基的影响， 则可能造成严重的后果。在 本文中， 笔者结合自身的工作实际与香瓜的理论文献， 分析了这 一 命题。 l浅埋暗挖法隧道施工所产生的地层变形效应 1 1 桩基结构与地层变形的作用关系 对于 隧道施工来说 ，浅埋暗挖法是一种有效的施工方法 ， 在 城市隧道工程大量增加 的背景下 ，其 已经成为工程施 工的有效 技术手段之一。但是实践证明， 如果采用这种施工方法， 会对隧 道周 围的地层造成不 小的扰 动 ， 对 临近的建筑 、 构筑物 等产生不 同的影 响。如果隧道 附近 有桩基等结构物 时 ， 二者 可相互作用 ， 形成共 同作用体系。具体来说， 主要包括 以下几个方面： ( 1 ) 如果采用浅埋暗挖法施工， 则会对地层造成扰动， 使其力 学性质与应力场发生变化， 在这种情况下， 土体便会 自动调整， 直到达到新 的平衡； ( 2 ) 隧道施工 出现的地层变形， 传递到桩基机构 ， 则桩周 围的 土地力学性质与应力场便会发生一定的改变，并引起桩端阻力 的变化 ， 出现 负摩 阻力 ， 直接 影响桩基 的承载 能力 ， 导致其 承载 能力大幅 降低 ： ( 3 ) 桩基在 出现沉降之后 ， 可 以把沉 降传递到上部结构， 如果 上 部结构同时出现沉降 ， 则上下部结构之 间便 会 出现沉 降差 ， 可 以使得 上部结构产生较大 附加应力 ， 降低 建筑 物使用性 能， 埋下 安全使用 隐患。 图 1 隧道、 桩基 、 土体 与上部结构之间的相互作用关系示意图 1 2 桩基的类型 桩基础是构筑物的最主要的基础形式， 但是桩基的类型比较 多样， 多为混凝土灌注桩 。本 文也是对混凝土灌注桩做主要的分 析 。 2 44 ( 1 ) 竖向受荷桩。 竖向受荷桩包括两种： 摩擦桩； 端承桩。 其 中， 摩擦 桩在竖 向荷 载 的作 用之下 ， 承 受的主要 是桩侧 阻力 ， 通常不超过 1 0 ， 如果桩端没有持力层或者桩端位 于持力层 ， 则 桩基均为摩擦桩。在这两种情况下， 均为摩擦桩。而端承桩是指 在竖向荷载作用下， 桩基承载能力均要由桩端阻力提供， 由于桩 侧的阻力比较小， 可以忽略不计。在桩顶荷载作用下， 桩基会产 生竖向位移， 因此可发生桩端阻力， 但如果桩身岩层深度不够 ， 则持力层会不坚硬， 出现问题。 ( 2 ) 横 向受荷桩。 在横 向荷载和力矩作用下 ， 桩基会产 生水平 位移 与转角 ， 挤压 桩侧 的土 体 ， 因此为 了保持桩 体 的稳 定性 ， 桩 侧 的土体便会产生横 向抗力， 具体 的受力性状如图 2所示。 图 2 桩基横 向荷载作用下 的受力肌 力示意 图 横向受荷载包括两种类型： 主动桩； 被动桩。其中， 主动 桩在受到桩顶横向荷载时， 便会偏离初始位置， 桩身便会主动变 为， 使 其受到 来 自土体 的压力 ， 风力 、 车 辆制动等 作用线 的建 筑 桩基 为主动桩 。而被动桩 主要包括深基坑挡桩 、 堤岸支护桩和坡 体抗滑桩等类型 。 1 3 桩基承载力计算 桩基承载力是把竖 向荷载传递 到深部 的土层 ， 从而有效满足 上部结构对基础承载力与变形的基本要求，分为群桩与单桩两 种类型。对摩擦桩来说， 起决定性作用的是桩侧摩擦力， 而桩侧 阻力的发挥， 需要产生一定的唯一。同样， 桩端阻力的发挥， 也需 要一定的位移来作为保证。桩基承载力计算方法有记下几种： ( 1 ) 常规计算方法。桩基承载力的常规计算方法的计算公式 为： q = q + q h u =zu i l q + a b q b u 式中： q 表示桩身范围内各个土层极限侧阻力； u ， 桩侧表面 积； l桩端单位面积极限承载能力； ah 表示桩端面积。 ( 2 ) 荷载传递桩基承载力计算方法。在上文中笔者分析了桩 。 1l ， x 叫， 丁 ； r j j 建材发展导向 2 0 1 4年 5月 路桥建设 基的常规计算方法，在桩侧阻力与桩端阻力同时达到极限的条 件下， 才可使用该计算方法。但是与实际情况相差甚远， 因此可 以考虑应用荷载传递法来计算桩基承载能力，从而得到桩基承 载能力 。弹性 曲线法 的计算公式如下： 4 e i _d + p ( z ， y ) ： 0 d z 式中： e i 表示桩身抗弯强度； p ( z ， v ) 表示土板应力。 1 4 影响桩基承载能力的因素 影响桩基承载能力的因素， 包括两个方面： 外部因素； 内 部因素。 ( 1 ) 影响桩基承载能力的外部因素。 外部因素主要包括土体、 地下水和桩顶荷载影响等。其中土体因素主要包括土体力学参 数、 桩土位移与桩端沉 降。如 果桩 土发生 了相对位移 ， 则桩侧摩 擦阻力发挥的前提条件是， 桩土位 移的增大 ， 桩侧阻力 的发挥程 度也就相应增加， 在达到临界位移时， 桩侧摩擦阻力可达到极限 状态。而桩土接触面的性质， 也就是桩土之间的相互作用问题， 是岩土工程研究中的重要内容。桩土接触面可以传递法向应力， 同时可以传递剪应力。因此，在了解桩侧阻力发挥机理的基础 上， 可根据桩基承载与变形的实质。 ( 2 ) 影响桩基承载能力的外部因素。外部因素包括桩基几何 尺寸、 桩基截面性质、 桩身材料强度与桩身完整性等各种因素。 2 浅埋暗挖法隧道施工地层变形 众所 周知 ， 桩基承 载能力与周 围土体的关系非 常密切 ， 因此 ， 这就要求研究隧道施工对桩基承载能力的影响，把握隧道施工 对桩基承载能力的影响大小。 2 1地层沉降的规律 地下工程隧道施工中的地表沉降可分为四个阶段： 超前微 小变形阶段； 变形急剧增大阶段； 缓慢变形阶段； 变形基 本稳定阶段 。其 中， 在变形急剧增大这 一阶段， 主要 是随着掌面 子 的快速 推进 ， 检测 主断面 的距 离在 1 2 d这一范 围内时 ， 地表 变形增加的速率便会增加，这一阶段的变形量占总变形量的3 4 。 所以， 在这一阶段， 随着隧道开挖的进行， 边界条件也会发生相 应的变化， 地层便会受到剧烈的应力释放， 引起应力场的重新分 布 。 通过上述分析， 便可以得到沉降区的规律为： 单点沉降的 阶段有四个， 也就是上文中提到的四个阶段； 沉降槽曲线变化 基本一致，可采用二项式或者正态曲线来优化拟合。一般情况 下 ， 如果地 表沉 降值 小于拱拱顶沉 降值 ， 则高压缩性地层 等便成 为特殊的存在；对于不同的地层组合，应采用不同的施工方 法， 如果沉降量差异大， 则含砂层、 汇水地段和软土层等均有有 较大差异； 由浅埋暗挖法的特点可知， 地下地层的沉降时空效 应非常明显， 对于不同的位置来说， 地层变形的大小和方向均不 同。 2 2 浅埋暗挖法地层变形控制分析 ( 1 ) 地下变形对桩基影响的分析 。如果桩与隧道的水平距 离 一 定， 则桩基的长度可影响桩沉降与侧向变位的大小。按照隧道 水平轴线竖向距离与桩端的不同， 可分为长桩、 中长桩与断桩三 种。 如果桩端位于隧道的拱顶上， 则桩身在隧道影响线内， 桩侧 与桩端的阻力均会受到影响， 几乎与地层同时下沉， 在这种情况 下，桩身的位移便很小：但是如果桩端位于隧道断面水平轴线 上， 则桩身部分处于隧道影响线内， 这时桩身基本不受影响， 桩 的下沉量较小 ， 但可 能产 生较大的水平位移 。而另外一种情况 ， 即桩端位于断面水平轴线下， 则桩身部分处于隧道影响线外， 这 时桩的下沉量更小， 但桩基水平位移较大。 艟 基 t l t , ： 艟 基 一 ； - x i 周 f ， x i x ， f 6 ； 丫 隧 一 一 一 ? ， l ； 1 、 、 上 l t t 短桩示意图 中长桩示意图 长桩示意图 图 3 ( 2 ) 桩基承载力损失与桩基沉 降的关系 。桩基沉降 s的函数 关 系式如下 ： s = s( p， ep ， u p ， l ， d， e ， 1 j ， c ， t a n ， k ， k n ) 通过相关的分析， 可以得出桩基沉降与桩基承载力损失之间 的关系。理论研究人员已经证实， 可通过无水地层浅埋圆形隧道 施工地层内应力与位移，通过非耦合方法建立桩基承载能力损 失与桩基沉降之间的关系。通过基本假设、 理论推导等一系列研 究 ， 得 到二者之 间的关系式为： s( z ) = s b l + s p ( z ) + s b 2 = k1 ( z ) q + k 2 q b 从这个关系式可得出，桩基承载能力损失导致桩基沉降， 但 是在实际施工中， 无法准确获得桩基承载力损失， 但可通过监控 测量手段得到， 所以在实际的施工过程中， 工作人员可通过控制 桩基沉降实现对桩基承载力损失的有效控制。 3 结 语 我国城镇化进程快速推进， 在城市交通面临巨大压力的背景 下， 建设地下交通， 也就是地铁成为缓解城市交通压力的一种有 效方法。但是地下工程的开挖，会对周围的地层产生不利的影 响。所以， 这就要求研究隧道施工对临近桩基的影响及其控制。 在本文中，