隧道穿越空箱挡墙桩基础的施工方案研究

张学富，罗智，丁燕平，陈俊涛，余元全

（重庆交通大学土木建筑学院重庆400074）

隧道穿越空箱挡墙桩基础的施工方案研究

张学富，罗智，丁燕平，陈俊涛，余元全

（重庆交通大学土木建筑学院重庆400074）

本文以重庆市南坪中心交通枢纽工程暗挖隧道为背景，对隧道穿越空箱挡墙桩基础采用原方案、挡墙箱内灌混凝土和缩短进尺三种施工方案进行三维有限元数值模拟，预测隧道施工过程中围岩和挡墙的变形规律，并对施工时可能出现的问题进行探讨，为其选择合理、可靠性的施工方案提供理论依据，同时对类似工程也具有参考价值。

隧道；有限元；桩基；施工方案

1 前言

随着城市建设的发展，许多大城市都开始修建城市地铁。随着城市人口的不断增多，交通越来越拥挤，人们对地铁的需求量也越来越大，城市轨道的规模越来越大，线路越来越密。由于城市人口的增长速度超过了城市扩张的速度，地面和地下建构筑物的密度增大，土地的利用率越来越高，土地越来越紧张。在已经高度利用的土地上面，大规模修建城市地铁，必然导致近距离穿越既有建筑物的情况越来越多，距离越来越近，甚至会出现将既有结构物的结构弃掉一部分的情况。这势必造成因新建构筑物与既有构筑物邻近而产生的错综复杂的关系，从而产生对既有结构物的种种不利影响。如何制定合理的施工方案和加固措施，减少对周围环境的影响，保证既有结构物的稳定性，成为地下建筑物在近距离条件下施工的核心问题。这一新动向和新问题，目前已经引起了地下工程界和岩土工程界甚至包括地铁承包商在内的广泛重视。在日本，已将近距离条件下地下结构施工定义为“近接施工影响问题”[1]。

关于近接问题，国内外进行了不少研究。Morton及King[2]对于临近桩基的隧道施工进行了模型试验，以分析隧道施工对桩基承载力及桩基沉降的影响。他们发现，隧道施工会显著改变相邻桩基础的受力特征，尤其是在软岩地质中，隧道施工必须精心设计、安全施工。Lee[3]等报道了桩基之间隧道施工的工程实例。在分析方法方面，Chen，Loganathan[4]等采用两阶段分析方法，评价隧道施工对桩基的影响。Mroueh[5]等采用整体有限单元法分析了隧道施工对临近单桩和群桩的影响。刘国彬[6]在《明珠线二期施工对环境影响的三维有限元分析》中，对上体场站穿越段施工全过程进行了三维有限元分析，得出了一些规律性的认识和有价值的结论，给施工提出了一些有益的建议。杨兴富[7]在《地铁穿越房屋桩基的可行性分析及监测》中，建立模型对地铁下穿房屋桩基的不同工况进行了分析，其中对切除桩基的方案进行了分析。

以上研究从不同角度研究了隧道施工对邻近建筑物的影响。但是，由于地面建筑物的结构形式各不相同，所处的地质条件各异，下穿隧道与其的相对关系也不相同，因此对于隧道施工与既有邻近建筑物的相互影响的研究虽然已经不少，但是还不能充分解决实际问题。在有邻近建筑物存在的复杂条件下开挖隧道，目前还存在着很多问题：1、对此影响无成熟的评价体系。2、做实验往往受到时间和经费的限制（这里的实验不包括数值模型实验），且往往由于所采集样本与现场的差异，实验结果往往与现场监测的结果出入较大。3、很多假定较多的理论对于复杂环境下的隧道不适用。

随着城市轨道的发展，在周围环境情况复杂的情况下开挖隧道，受到了工程界的广泛重视。但是在邻近建筑物存在时进行施工方案的制定时，很多施工方，设计方，甚至业主，没有注意到这种特殊情况下施工力学行为的变化，盲目地凭直观的判断和过去看似情况类同的经验进行施工，从而导致了施工中隧道出现衬砌开裂，甚至塌方，或是邻近建筑物出现沉降，开裂，甚至倾斜。最终的结果是，他们不但花费了上百万的钱来进行处理，而且还延误了工期。可见，合理地对隧道及相关结构的变形进行预测，合理制定施工方案，以及及时针对特殊情况采取特殊措施在近接隧道施工中是何其重要。

本文以重庆市南坪中心交通枢纽工程下穿隧道为依托，对隧道下穿空箱挡墙的施工技术进行探讨，利用大型有限元软件ANSYS对其进行论证，并通过有限元分析来研究各技术的可行性及优缺点，总结出一定的经验可供类似工程参考。

2 工程概况

重庆市南坪中心交通枢纽工程-南坪下穿隧道起讫里程为K0+524.935～K1+779.171。其中K1+535.935～K1+693.931为暗挖段，长约158m。暗挖段埋深15～25m，为浅埋隧道。隧道穿越地段地貌为构造剥蚀丘陵地貌，原始地形为东高西低的斜坡地形，斜坡总体倾向约70°，宏观坡角25～35°，隧道区沟谷不发育，无地表水系分布。隧道通过地段出露及钻探揭露的地层有：第四系全新统填筑土（Q4ml）和侏罗系中统上沙溪庙组沉积岩（J2S）。表层覆盖土层为人工填土，覆盖层厚0.3～8.6m，下伏岩体以泥岩为主夹砂岩，呈块状结构，裂隙不发育，岩体完整性指数为0.69左右。场地内地下水不发育。隧道围岩以Ⅳ级和V级为主。

隧道平面线型、洞口位置根据工程总体设计方案确定。隧道结构形式的选择上综合考虑了工程造价、施工难易程度以及地面、地下相邻建筑等诸方面因素，采用G型衬砌断面。

隧道道路等级为城市快速干道，设计行车速度为60km/h，限高5.0m，单洞净宽为13.25m（0.75m+0.75m+10.25m+ 0.75m+0.75m)，内轮廓采用五心圆。隧道按新奥法设计采用复合式衬砌结构。岩层隧道段初期支护采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用。锚杆采用全长粘结中空注浆锚杆。二次衬砌采用模筑钢筋混凝土结构，土层隧道段采用超前支护的施工方法，超前支护采用Φ 127管棚结合H型钢支护体系，初期支护采用锚喷支护，即由喷射混凝土、钢筋网等支护形式。二次衬砌采用模筑钢筋混凝土结构。施工方法采用台阶法施工。

该隧道的特殊性在于它在YK0+80到YK0+160处下穿空箱挡墙，挡墙后面是软弱的回填土，在施工中成为一大难点。如何采取措施以减小施工所带来的不利影响，维护隧道、挡墙和土体三者的稳定性，成为隧道施工是否能顺利如期完成的关键。隧道与空箱挡墙的位置关系由图1所示。

在施工到YK0+ 80时，空箱挡墙的桩出现。于是需要对侵入限界的部分桩进行切除。经初步分析，切桩时面临着如下几个问题：

1、开挖取桩后未支护时，挡墙形成的部分临空状态造成挡墙发生沉降和变形。

图1 空箱挡墙与隧道位置关系示意图

2、切桩造成挡墙稳定性降低，挡墙会发生倾斜。

3、隧道初期支护完成以后，挡墙的部分压力可能会作用在隧道的支护结构上，隧道会受到一定程度的偏压。

为了解决上面提出的问题，防患于未然，隧道施工通过空箱挡墙时，拟采用如下方案进行处理。方案一：隧道施工前在空箱挡墙箱内注浆。为了保证空箱挡墙的稳定性，防止挡墙发生倾斜，在隧道施工以前拟采取对空箱挡墙箱内进行注浆的技术，通过增加挡墙自重来增加挡墙的稳定性。待灌混凝土完成以后，方可进行隧道施工。方案二：截桩分两步。把桩分成两步来截取，是指先截取桩的一半，完成初期支护，待初期支护达到一定强度以后，再对桩的另一半进行截除。此举通过减少临空面来适当降低隧道开挖对挡墙和围岩所产生的位移和变形。此方案还包括一个内容，就是隧道进尺为2m，但在截桩时进尺缩短为1m。在特殊地段对隧道施工进行进尺调控可有效地控制应力释放，从而达到限制位移和变形的目的。

3 有限元模型

计算边界横向取2条隧道中心线两侧各32m，开挖方向取10.75m。上边界取到地表，下边界取到距洞底3.5倍洞高处。在左右边界（x=-40 m和x=40 m）上加水平约束，在下边界（y=-32 m）上加全约束，上边界为自由边界，洞顶到地表32.5m，不考虑地表的移动荷载。沿开挖方向的两个端面加上法向约束。

在建模过程中，喷射混凝土、二次衬砌、五级围岩、软弱回填土、空箱挡墙结构均采用三维实体结构模型单元solid45模拟；H型钢支护体系采用空间梁单元beam4模拟。锚杆的加固作用采用提高加固圈物理参数的办法。所用材料及材料参数如表1所示。

表1 材料物理参数表

网格大小依据从外边界围岩到隧道结构由疏到密的原则。隧道结构本身与围岩接触部分范围内采用细密单元，不考虑接触，不考虑流变。划分网格后一共产生201404个单元，99474个节点，所有施工动态过程用生死单元来实现。有限元模型见图2。

图2 有限元网格划分图

本文选择了三种开挖方案进行有限元分析。

方案1：桩整体开挖破除（原方案），如图3所示。

图3 原方案开挖示意图

方案2：桩整体分两步开挖破除，如图4所示。

图4 空箱挡墙与隧道位置关系图

方案3：施工前向箱内灌注混凝土，如图5所示。

图5 施工前从地表往挡墙箱内灌注混凝土

4 计算结果分析

空箱挡墙桩基础破除后，其稳定性与否是评价方案成功的关键。因此，控制好围岩的变形和挡墙的倾斜，是判断方案是否合理可靠的重要指标。因此在结果分析中，本文选择了各个工况的变形与位移进行分析。

为了揭示隧道穿越空箱挡墙截桩时隧道及挡墙的变形规律，本文选取了工况一中几个具有代表意义的荷载进行研究。由于工况二与工况三的规律相似，只是在数值上有所差异，所以变形图就不列出了。工况一围岩的变形图如图6～图9所示，挡墙的变形图如图10～图13所示。

图6 开挖前围岩形状图

图7 上台阶开挖后围岩变形图

图8 下台阶开挖后围岩变形图

图9 二次衬砌后围岩变形图

图10 开挖前挡墙形状图

图11 上台阶开挖后挡墙变形图

图12 下台阶开挖后挡墙变形图

图13 二次衬砌后挡墙变形图

由图6～图13分析可知，在有挡墙存在的情况下，隧道围岩变形的规律符合隧道开挖围岩变形的普遍规律：存在一定的拱顶下沉和周边收敛和底鼓，掌子面向隧道内有一定的变形，但是也存在一定的特殊性。特殊性有两点：1、拱顶下沉最大值并没有发生在拱部的正中心，而是在向左偏离30°左右的位置，下台阶开挖以后这个偏离程度有所减轻，隧道左侧的沉降量大于右侧的沉降量。2、自隧道开挖以后，挡墙向内发生倾斜。

从自重作用而产生的卸荷作用的角度来考虑这个问题，上述现象就不难解释了。1、挡墙的左侧是软弱回填土，各项物理参数都比较低，因此它在卸荷作用下所产生的变形大于挡墙和周围的岩石。因此隧道左侧的变形应当会大于右侧变形。2、墙背回填土在卸载作用下，水平侧压力会随之减小。挡墙失去了“左足”，卸掉了左下方的岩石以后，左下方支撑力明显减小，再加上左侧回填土水平压力的减小，挡墙就会向左发生倾斜。3、挡墙的挤压必然会加速左侧回填土继续下沉和固结。这时，有两种情况可能出现：（1）回填土在挡墙的水平加载和下方的卸载两者共同作用下破坏。（2）回填土沉降固结，重心降低，达到一个新的平衡。

为了尽量达到（2），避免（1）的出现，就是要把水平加载和下方卸载两者的共同作用控制在一定范围之内。可采取的措施有：1、缩短进尺，截桩分两次进行。此方法可控制挡墙倾斜，从而减少对回填土的水平加载。2、箱内混凝土灌注，增加挡墙自重，减少挡墙倾斜。3、超前管篷。此方法可控制回填土的下方卸载。4、改用单侧壁导坑法。此方法可避免水平加载和下方卸载同时进行。

为了证明上述方案相对于原方案的优越性，本文选择了缩短进尺，挡墙箱内注浆两种措施进行了有限元分析。并将其结果整理以后，列成图表，如表2～表4所示。

通过有限元分析发现，采取措施以后并没有改变各个变形最大值和最小值所分布的区域。水平位移的最值始终保持在两边墙上；竖直位移的最小值始终保持在拱顶，最小值始终保持在底鼓处；纵向位移始终保持在掌子面处。因此可以推算出隧道的拱顶下沉量，水平收敛值，底鼓值以及掌子面变形量，整理之后如图14～图17所示。

图14 拱顶下沉图

图15 水平收敛图

图16 底部隆起值

图17 掌子面变形量

表2 原方案围岩变形表

通过以上图表可知，采取了灌混凝土和缩短进尺两种措施以后，隧道的变形量得到了明显的控制，证明了拟采取措施的优越性。墙背灌混凝土为必采取的措施，进尺控制取决于监控量测。

5 小结

有限元分析发现：对于穿越挡墙的隧道，控制围岩变形的关键就在于：1、控制好挡墙的倾斜变形；2、控制好墙背回填土的下陷。

因此，挡墙的倾斜度和回填土区域的拱顶下沉为重点监测对象，须密切注重此二者监控数据的变化。如有较大变化时，应及时找出其内在原因，及时反馈给施工与监理单位，并要求施工方控制好进尺，必要时更改施工方案，如采取单侧壁导坑法，防患于未然。

表3 灌混凝土措施围岩变形表

表4 桩分两次截措施围岩变形表

[1]张志强，何川，等.深圳地铁一期工程7C标段天虹—岗厦区间隧道施工力学研究报告[R].成都:西南交通大学，2001.

[2]K．M．Lee，R．K．Rowe．Deformation caused by surfaceloading and tunneling：the role of elastic anisotropy[J]. Geotechnlque，1989(1)，125—140

[3]Morton J D，KingK H．Effect of tunneling on the bearing capacity and settlement of piled foundations[c]// Proceedings，Tunne1ing．London：IMM．1979，57—68．

[4]Chen L T，PoulosH G，Xu KJ.Pileresponses causedbytunneling[J]．JGeoteehandEnvirEngrg，1999，125(3)，207．

[5]Mroueh H，shahrour I．three dimensional finite element analysis of the interaction between tunnelling and pile foundation[J]．

[6]刘国彬．明珠线二期施工对环境影响的三维有限元分析，地下空间与工程学报，2005，03．

[7]杨兴富．地铁穿越房屋桩基的可行性分析及监测，建筑施工，V0l，28 No．6．

[8]王元占，李新国，陈楠楠．挡土墙主动土压力分布与侧压力系数[J]．岩土力学(Rock and Soil Mechanics)，2005，26 (7)：1019-1022．

[9]郑颖人，沈珠江，龚晓南．岩土塑性力学原理[M]．中国建筑工业出版社，2002．

责任编辑：官正梅

The study of construction plans for tunneling through the pile foundation of a box retaining wall

Taken the Nanping central transport hub under ground cut tunnel as background,three dimensional finite element simulation was performed to study the process of tunneling through the pile foundation of a box retaining wall,in which three construction plans has been discussed:the original plan,the plan of concrete irrigation into the box,and the plan of excavation length reduction.And the deformation of the surrounding rock and the retaining wall has been predicted,and possible problems which may happen in the course of construction has been discussed,and theory basis has been provided for the selection of reasonable,rational and reliable construction plans,and this paper can be used as a reference for other similar construction works. Key Words：tunnel；FEM；pile foundation；Construction plans

TU745

A

1671-9107（2010）09-0033-05

国家自然科学基金项目(编号：40701038)重庆市建设科技项目（编号：城科字2008第24号）

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.9.033

2010-9-16

张学富(1972-)，男，重庆合川人，教授，博士。2004年毕业于中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，从事岩土与隧道工程等方面的科研与教学工作。