群桩施工对邻近地铁隧道群位移的影响

王其炎，吴 健*，杨 飞，陈自海，杨建辉

（1.浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江科技学院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

近年来，邻近地铁隧道桥梁建设工程越来越多，桥梁群桩施工引起地层位移，进而对地铁隧道形成扰动，引起隧道结构的位移和应力变化。对位移规律开展研究，确保桩基工程顺利实施对隧道运营安全具有重要现实意义。

已有文献主要采用现场实测和数值分析方法对桩基施工时邻近地铁隧道位移规律开展研究。徐云福等[1]开展了单桩全套管旋挖施工对紧邻运营地铁隧道影响的试验研究，监测了隧道和土体位移，表明选择全套管成桩工艺可以有效减小对地铁隧道位移的影响。楼晓明等[2-3]开展了高层建筑物桩基施工对邻近隧道位移和内力的影响研究。庄妍等[4]采用现场实测的方法，研究了全套管灌注桩施工时的土体位移发展过程，表明盾构隧道处于安全工作状态。邓指军[5]对位于地铁上部的桩基施工引起的隧道变形问题开展了研究，表明邻近隧道的钢套管旋转压入施工可导致盾构管片变形，采用跳桩施工以及布置泄压孔可减小对隧道的影响。丁智等[6]依托试桩试验，研究了桩基施工过程及完工后地层沉降对邻近隧道的影响规律。路平等[7]采用有限元分析方法，对桩基施工引起的隧道内力和形变进行了研究，表明土体发生的竖向位移引起隧道整体沉降。代志萍[8]采用有限元分析方法，研究了灌注桩施工过程对邻近隧道位移和内力的影响，表明钻孔过程影响较小，混凝土浇注过程对隧道影响较大。闫静雅等[9-10]利用数值分析方法开展的研究表明，随着桩间距及桩隧净距的增大，桩基施工对隧道变形和内力的影响逐渐减小，在隧道轴线方向上的桩间距对隧道的影响，要远大于在垂直方向的桩间距的影响。宋福贵等[11]分析了钢套管桩不同的群桩施工顺序对邻近既有隧道的影响，给出了优化的施工顺序。归浩杰等[12]采用有限元分析方法研究了群桩基础施工工况对邻近隧道的影响，表明群桩至隧道的距离对隧道竖向位移影响较大。

总体上，目前的研究成果多集中在单桩施工对邻近隧道的影响，而对群桩施工的影响研究成果较少，特别是结合现场监测成果开展的研究更少，还没有形成规律性认识。杭州市一高架桥上跨地铁 1号线和4号线，桥梁的群桩基础邻近地铁隧道，本文采用工程实测和 ABAQUS三维有限元分析两种方法，对群桩施工引起的隧道群位移开展研究。

1 工程概况

1.1 工程地质概况

地层柱状图见图 1。地层主要由杂填土、素填土、塘泥、暗塘土、砂质粉土、粉砂夹粉土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉砂、圆砾、中细砂、含圆砾粉质黏土、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩等组成，高架桥选择⑨3层中风化泥质粉砂岩作为桩端持力层。地下水分为孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水三种情况。孔隙潜水主要赋存于浅部粉、砂性土层内，受沉积层理控制，透水性具有各向异性。承压水赋存于下部粉砂、圆砾层内，含水层总厚度为10～15 m，透水性良好，上覆黏性土层为相对隔水层。基岩裂隙水赋存于第四系土层下部的风化裂隙内，对本工程影响不大。

图1 地基柱状图Fig.1 Stratigraphic column of ground

1.2 群桩施工与地铁隧道位置关系

杭甬高速公路抬升工程主线高架桥第七联 23号、24号墩位于运营地铁1号线两侧，每个桩群由12根直径1.8 m单桩构成，桩长67.3～67.9 m，共计24根桩。群桩与地铁隧道的平面关系见图2。23号墩的群桩基础离1号线右线管片外缘的最小距离为13.22 m，24号墩群桩基础离1号线左线管片外缘的最小距离为 12.43 m。为了降低桩基施工对隧道的扰动，采用全套管全回转钻机成孔，每根桩基施工顺序为压入钢套管、出土和灌注混凝土，24根桩基主要工序的施工组织见表1所示。

图2 桩基与地铁隧道位置关系示意图Fig.2 Schematic of position relationship between piles foundation and subway tunnels

桩基施工需保护的地铁设施为地铁1号线左线和右线、1号线出段线、4号线的出线段和入段线，共计5条地铁线路，见图3所示。

图3 地铁隧道剖面图Fig.3 Transverse section of subway tunnel

2 现场监测与数值模拟结果分析

2.1 监测点布置

在隧道中选择距群桩最近的断面布置测点，监测群桩施工过程中隧道水平位移和竖向位移。这些测点位于断面的侧壁，是监测断面上离群桩最近的位置。1号线的左线和出段线、4号线出段线选取离24号群桩最近的点，1号线右线和4号线入段线选取离23号群桩最近的点，观测断面位置见图4，测点见图5。采用徕卡TM50型测量机器人并组成自动测量系统观测位移。

图4 位移测点所在断面的三维示意图Fig.4 3-D diagram of section of displacement measurement points

图5 位移测点剖面示意图Fig.5 Profile diagram of displacement measurement points

2.2 模型建立

模型土体选用M-C模型，为了将问题简化，根据地层构成情况，将相近地层合并，模型共设7个土层，其物理力学取值见表 2。灌注桩、钢套管、隧道管片选用线弹性模型，参数如表 3。模型沿隧道轴线方向（Y轴）和垂直隧道方向（X轴）取250 m，地层深度（Z轴）取60 m。在模型左右两侧边界水平方向位移设置为零（UX=0，UY=0），在模型底部边界设定竖向位移为零（UZ=0），模型顶部表面设置为自由边界。

表2 土体参数表Table 2 Soil parameters

表3 线弹性材料参数表Table 3 Parameters of linear elastic materials

根据实际工程的钻孔灌注桩施工工序，在数值分析时将单桩施工分为压入钢套管、出土-泥浆护壁、混凝土灌注、混凝土硬化4个步骤。压入钢套管工序模拟时，将钢套管X和Y两个方向的位移设为零，即UX=0，UY=0，并将下压深度值设为向下的位移；通过单元生死功能模拟出土工序，即将土体单元进行移除，出土的同时设置静水压力模拟泥浆护壁工序，泥浆的重度设为12 kN/m3；混凝土灌注过程等效为静水压力，灌注混凝土的重度设为24 kN/m3；通过单元生死功能模拟混凝土硬化，即将混凝土单元激活。

2.3 现场监测和数值模拟结果分析

数值分析模型上选取与现场相同的监测断面和观测点，对其位移进行分析，见图4和图5所示。为了便于分析，定义位移数据的正负，水平位移以靠近最近的桩基为正，反之为负，隧道以上浮位移为正，沉降为负。考虑桩基施工时间较短（37 d），淤泥质土层来不及固结，故在本次模拟分析中没有考虑流固耦合作用。

（1）水平位移分析

将工程实测和有限元模型数据进行分析，得到水平位移的发展过程，见图6。从图6可见，在桩基施工过程中，在水平方向上各条隧道发生移动，移动方向总体是离开邻近的桩基，期间有离开和靠近的波动。1号线左线、1号和 4号线出段线的水平位移方向是离开24号桩基，1号线右线和4号线入段线的水平位移方向是离开23号桩基。6月22日前，各测点的位移增长较缓慢，之后增长较快。这与桩基每日的施工数量有关，由表1可见，在6月22日之前每日只施工一根桩，之后每日成桩数量增多，导致对地层和地铁隧道的扰动程度加剧，于是出现了6月 22日前位移增长较为缓慢，而后增长较快的现象。

图6 各测点水平位移发展规律Fig.6 Time-history curves of tunnel horizontal displacements

由图6可见，有限元分析获得的水平位移数据与工程实测存在一定差异，但两者的发展规律基本相符。相比较可见，数值分析得到的水平位移随着施工进展增长较为平缓，而工程实测曲线波动幅度较大，这可能和项目工地的施工设备移位、社会车辆通行、出土和堆土情况有关。

由图6可见，工程实测和有限元分析数据都说明，隧道群埋深越大，水平位移越大。各测点的水平位移较小，大部分测点水平位移均处于预警范围之内（2 mm），全部小于报警值（4 mm）。

（2）竖向位移分析

将工程实测和有限元分析数据进行分析，得到竖向位移的发展过程，见图7。

图7 各测点竖向位移发展规律Fig.7 Time-history curves of tunnel vertical displacements

由图7可见，各隧道测点竖向位移总体上都是沉降，期间存在上浮和下沉的波动，与水平位移相似，6月22日之前竖向位移增长缓慢，之后增长较快。有限元分析获得的竖向位移数据与工程实测存在一定差异，但两者的发展规律基本相符，有限元分析获得竖向位移的变化幅度较小，曲线平缓，工程实测曲线波动幅度更大。从图7可见，工程实测和有限元分析数据都说明，隧道埋深越大，沉降越小。各测点的竖向位移较小，全部测点水平位移均处于预警范围（3 mm）之内。

图 6和图 7中实测的隧道水平位移和竖向位移存在波动（回弹）现象，这与群桩施工期间每天施工流程有关。由表1可见，施工内容包括压管、出土、灌注混凝土等，每个工序对隧道位移存在影响，不同工序的影响也存在耦合作用，导致隧道的位移过程极为复杂，出现了图6和图7中的位移波动现象。

3 结 论

（1）工程实测及有限元分析都表明，隧道群的水平移动趋势表现为离开邻近的桩基，埋深越大的隧道，水平位移越大。

（2）竖向位移总体表现为下沉，隧道群埋深越大，竖向位移越小。各地铁隧道水平位移均大于沉降沉降。

（3）水平和竖向位移增长量与当日桩基完成数量密切相关，完成数量少，隧道位移增长缓慢，数量多则位移增长较快。

（4）各测点的水平位移和竖向位移均较小，测点位移处于预警范围之内，全部小于报警值，说明全套管全回转钻机成孔群桩施工对隧道扰动较小。