套管法拔桩对既有大直径地下污水管的影响

宋 辉， 常 莹， 黄 超， 张孟喜

(1.上海大学土木工程系，上海200072;2.上海隧道工程股份有限公司，上海200082; 3.上海造币有限公司，上海200061)

在城市轨道交通建设中，当盾构推进遇到既有道路桥梁、防汛墙时，需要将侵入到隧道开挖界限内的桩基拔除［1］.但是，拔桩过程必然会对周围环境造成影响，因此，必须对影响范围内的建筑物、构筑物的沉降、侧移进行有效控制.套管法拔桩对环境影响较小，因而得到较多应用.目前，对套管法拔桩的理论研究主要集中在抗拔桩的承载力及变形等方面.Parry等［2］和Rao等［3］通过模型实验研究了抗拔桩的破裂面形式，以及抗拔桩承载力随着桩的长径比、桩表面粗糙度、土体的密实度变化情况;Ramanathan等［4］研究了砂土中拔桩的摩阻力规律; Chattopadhyay等［5］研究了倾斜荷载下桩的位移和极限承载力规律;刘文白等［6］用颗粒流软件PFC2D和细观试验模拟了拔桩过程，综合确定了桩的上拔承载力;贺嘉等［7］运用ABAQUS软件建立了大直径桩的有限元模型，得到一些大直径桩承载力-变形的规律性结论.

目前，关于拔桩对周围环境影响的研究较少.丁红岩等［8］运用大型有限元通用软件ANSYS研究了钻井船拔桩对筒基平台稳定性的影响，并进行了参数敏感性分析;曹玉忠等［9］结合上海地铁6号线的工程实例研究了套管法拔桩施工对邻近箱涵的影响，但仅对拔出桩体的过程进行了分析.对于套管法拔桩来说，拔出桩体属于微扰动施工，而对周围环境影响最大的是压入套管和拔出套管并回填的过程.因此，本研究以轨道交通7号线5标区段内一根废弃混凝土灌注桩为例，研究套管法拔桩全过程对既有大直径污水管的影响，并得到一些规律性的结论.

1 工程概况

本工程为上海轨道交通7号线5标区间隧道.施工过程中，下行线盾构掘进断面内遇到中山北路高架废弃的1根Φ 1 000 mm钻孔灌注桩，需将其拔除.该桩右侧为Φ 3 500 mm污水总管，相对位置如图1所示.桩体所在位置的土层分布如图2所示，各土层力学参数见表1.

图1 待拔桩与污水管的相对位置Fig.1 Relationship between the pile and waste pipe

图2 土体分层示意图Fig.2 Layered soil

表1 土体力学参数Table 1 Mechanical parameters of the soils used in finite element analyse

2 套管法拔桩全过程对既有污水管的扰动

套管为直径2 000 mm，壁厚48 mm的钢质桶式结构.根据需要，将其分为长度不同的若干节，每2节套管之间以高强螺栓连接.当套管达到预定深度后，用直径0.8 m锁口管和桩顶部所有钢筋烧焊牢固，将桩体拔出地面，最后将套管拔出，并对空隙进行回填.套管法拔桩施工过程由压入套管、拔出桩体、拔出套管并回填3个阶段组成.该过程会对污水管产生3次扰动，因此污水管的最终位移内力情况是3次扰动累加的结果.

首次扰动：在压入套管的过程中，土体受到套管向下的摩擦力，产生竖向和水平方向的位移，进而对与桩身净距仅为2.2 m的污水管产生扰动.本阶段对污水管的扰动明显.

第二次扰动：拔出桩体过程是在套管保护下，而且桩体与套管之间的土体已经被高压水冲蚀，桩体与周围土体与套管的相互作用几乎完全丧失.因此，拔出桩体对环境影响微小，属于微扰动.

第三次扰动：拔出套管的同时，需要对桩体及套管拔除后留下的空隙进行回填.拔出套管使土体受到向上的摩擦力;同时，由于回填材料在初期不能及时形成足够刚度，导致周围土体向回填区域运动.二者共同作用，形成了对污水管的第三次扰动.本阶段对污水管的扰动明显.

3 计算模型

从拔桩直径、深度等自身难度上考虑，采用普通工艺完全可以将该桩顺利拔出.但对于本工程而言，拔桩本身并不是最主要的，拔桩过程中对距离桩边线仅2.2 m的一根Φ 3 500 mm污水管的保护，才是本次拔桩施工的关键.因此，通过数值模拟研究拔桩过程对既有管道的影响具有重要意义.本次模拟针对套管压入、拔桩、套管拔出及回填过程中对污水管的影响，建立三维有限元模型进行研究.

模型尺寸：计算模型如由图3所示，X轴为水平方向，Y轴为合流管道轴线方向，Z轴为竖直方向.参考既有资料，并考虑计算时间代价，模型大小取为X×Y×Z=24 m×20 m×40 m.共划分网格单元47 392个，节点51 500个.模型3个方向的尺寸选取原则是包含所有拔桩影响范围.

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

边界条件：沿X轴方向，模型两面边界结点施加X方向的水平位移约束;沿Y轴方向，模型两面边界结点施加Y方向的水平位移约束，以考虑周围土体的约束作用;模型底面结点，施加Z方向的竖向固定约束.

材料属性：土体-弹塑性模型(Drucker-Prager模型)、污水管-实体弹性、灌注桩-实体弹性、套管-实体弹性.

本构模型：土体采用Drucker-Prager弹塑性模型，套管采用线弹性模型，由于为钢套管，故取E= 3×105MPa，μ=0.168.

套管与土体接触关系：套管与土体之间的接触采用库伦摩擦模型.

4 计算结果分析

套管法拔桩过程由压入套管、拔出桩体、拔出套管并回填3个阶段组成，其中拔出桩体过程在套管保护下进行，对污水管及周围土体影响非常小，属于微扰动施工，因此，本次模拟不再进行计算.本研究主要针对压入套管和拔出套管2个施工过程进行分析.

4.1 套管压入过程

4.1.1 套管压入过程原理及模拟

套管压入过程共分5步完成，每步的下压距离依次为4，2，4，6，10 m，每步为一个工况，依次为工况一～工况五.每一步压入距离的确定要考虑土体分层的影响，并考虑套管穿过污水管上下附近区域时细化.压入过程如图4所示.

4.1.2 污水管位移

为研究套管法施工对既有污水管的影响，计算中重点关注在套管压入和拔出的全过程中污水管的水平位移和竖向位移，并分析二者的量值关系.

图4 套管压入过程Fig.4 Process of pressing casing

随着套管压入深度的增加，沿污水管管顶纵向各节点水平(X)位移的变化情况如图5(a)所示.可以看出，随着压入深度的增加，污水管向桩体方向产生位移，且水平位移不断增大，这是由于套管下压过程中，套管与土体之间存在的摩擦作用带动周围土体产生向侧下方移动的趋势.当套管压入达到污水管管底6 m以下时，继续下压过程中污水管水平位移增大速度减缓，并最终达到0.4 mm.

随着套管压入深度的增加，污水管沉降的变化情况如图5(b)所示.可以看出，随着压入深度的增加，污水管位移不断增大;套管压入达到污水管管底6 m以下后，继续下压过程中污水管沉降值不再继续增大，逐渐稳定在4 mm.

对比图5(a)和图5(b)可以发现，污水管水平位移非常小，在10-4m数量级上;而其沉降却达到4 mm，是污水管位移的主要组成部分，水平位移约为沉降的1/10.因此，在施工过程中应重点控制污水管沉降，并考虑水平位移的影响;在对污水管位移进行布点监测时，应注意以监测其沉降为主.

图5 套管压入过程中污水管的位移曲线Fig.5 Displacement of waste pipe along casing pressing

4.2 套管拔出及回填过程

4.2.1 套管拔出及回填过程原理及模拟

与套管压入过程类似，套管拔出及回填过程也分5步来完成，每步上拔距离依次为10，6，4，2，4 m.每步为一个工况，依次为工况A～工况E.在上拔的同时，对管内空隙同步进行回填.每一步上拔距离的确定原则是：考虑土体分层的影响，并考虑套管穿过污水管上下附近区域时细化.拔出过程如图6所示.

图6 套管拔出过程Fig.6 Process of pulling casing

4.2.2 污水管位移

图7(a)为随着套管不断上拔，污水管水平位移的变化情况.可以看出，随着套管拔出，污水管向桩体方向产生位移，且水平位移逐渐增大，并且当套管上拔到污水管管底对应高度后，继续上拔时，总管水平位移突增.这是由于桩孔失去套管保护，而回填材料尚未形成有效刚度造成的.套管拔出高度超过污水管管顶后，继续上拔时，污水管水平位移不再增大，最大位移最终达到了0.8 mm.

图7(b)为污水管随着套管不断上拔，其沉降的变化情况.可以看出，随着套管拔出，污水管沉降逐渐增大.套管拔出高度超过污水管管顶后，继续上拔过程中污水管沉降增大趋势减缓，最大位移最终稳定在7 mm.

对比图7(a)和图7(b)，可以发现污水管水平位移较小，沉降较大，达到7 mm，水平位移约为沉降的1/10.因此，竖向沉降是污水管位移的主要组成部分.将模拟得到污水管最终沉降与监测结果进行对比，结果如图8所示.

通过对比数值计算结果与监测结果，可以发现，模拟得到的污水管沉降大于实地监测得到的沉降，特别是测点GD5差异较大.这是由于实地工况中GD5周围有B32号墩的4根桩对土体形成加固作用，造成测点GD5附近污水管沉降量较小，而本模型未考虑4根桩的影响，故差异较大.

图7 套管拔出过程中污水管的位移曲线Fig.7 Displacement of waste pipe along casing pulling

图8 污水管沉降过程中的模拟值与监测值Fig.8 Comparison of the simulated results and monitored data

5 结论

针对套管法拔桩对既有污水管的影响，采用大型有限元软件ABAQUS对拔桩全过程进行数值模拟.为反映实际施工过程，将拔桩全过程划分为压入套管、拔桩、拔出套管及回填3个步骤.通过计算与分析，得到如下结论.

(1)套管压入过程中，随着压入深度的增加，污水管向桩体方向产生水平位移，且水平位移不断增大;套管压入达到污水管管底6 m以下后，继续下压过程中污水管水平位移增大趋势减缓，并最终达到0.4 mm;随着压入深度的增加，污水管沉降不断增大;套管压入达到污水管管底6 m以下后，继续下压过程中污水管沉降不再继续增大，逐渐稳定在4 mm.

(2)套管拔出过程中，随着套管拔出，污水管向桩体方向产生位移，且水平位移逐渐增大;当套管上拔到污水管管底对应高度后，继续上拔使污水管水平位移突增;套管拔出高度超过污水管管顶后，继续上拔过程中污水管水平位移不再增大，最大水平位移最终达到0.8 mm;随着套管拔出，污水管沉降逐渐增大;套管拔出高度达到污水管管顶后，继续上拔过程中污水管沉降增大趋势减缓，最大位移最后稳定在7 mm.

(3)竖向沉降是污水管整体位移的主要组成部分.在压入套管和拔出套管过程中，污水管水平位移均约为其沉降的1/10.因此，在施工过程中应重点控制污水管沉降，并考虑水平位移的影响;在对污水管位移进行布点监测时，应以沉降监测为主.

［1］ 徐敏.双圆盾构隧道下穿原水管渠的施工监测［J］.城市轨道交通研究，2006，9(8)：67-68.

［2］ PARRYR H，SWINC W.Effective stress methods of calculating skin friction on driven piles in soft clay［J］.Ground Engineering，1997，10(3)：24-26.

［3］ RAOK S，VENKATESHK H.Uplift behavior of short piles in uniform sand［J］.Soils and Foundation，1985，25(4)：1-7.

［4］ RAMANATHANTS，GANAPATHYA P.Pullout resistance of piles in sand［J］.Indian Nat Soc Soil Mech Found Eng，1970，9(2)：189-202.

［5］ CHATTOPADHYAYB C，PISEP J.Load displacement and ultimate resistance of piles under oblique pull［J］.Geotechnical Engineering，1989，20(1)：19-38.

［6］ 刘文白，周健.上拔荷载作用下桩的颗粒流数值模拟［J］.岩土工程学报，2004，26(4)：516-521.

［7］ 贺嘉，陈国兴.基于ABAQUS软件的大直径桩承载力-变形分析［J］.地下空间与工程学报，2007，3(2)：306-310.

［8］ 丁红岩，刘建辉.钻井船拔桩对筒基平台稳定性影响的敏感分析［J］.岩土力学，2007，28(6)：1205-1211.

［9］ 曹玉忠，刘建国，徐东.套管法拔桩施工对邻近箱涵的影响分析［J］.城市轨道交通研究，2007，10(8)：70-71.