地下室基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力管樁施工對(duì)某既有隧道的影響研究

譚黎明

(國(guó)家林業(yè)局和草原局 西南調(diào)查規(guī)劃院 昆明市 650031)

0 引 言

樁周土體在沉樁過(guò)程中,受到徑向擠壓和豎向剪切作用,應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生很大變化[1]。離樁體一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)、密度及含水率改變將導(dǎo)致土的物理力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生改變[2]。其影響主要表現(xiàn)為:沉樁時(shí),由于樁周土層被壓密并擠開(kāi),使土體產(chǎn)生垂直方向的隆起和水平方向的側(cè)向位移,引起已壓入的樁上浮,樁端被“懸空”,使樁的承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;也會(huì)造成樁位偏移和樁身?yè)锨蹟嗟荣|(zhì)量事故,并可使相鄰建筑物和市政設(shè)施發(fā)生不均勻變形甚至損壞[3]。

沉樁擠土效應(yīng)的影響會(huì)波及到沉樁范圍外一定距離。通過(guò)對(duì)模型樁和實(shí)際工程沉樁過(guò)程的觀察發(fā)現(xiàn),沉樁過(guò)程中樁尖土的形變類(lèi)似于球形孔擴(kuò)張引起的形變;而在除樁尖和地面附近絕大部分樁身周?chē)?土的形變類(lèi)似于圓柱形孔擴(kuò)張引起的形變[4]。圖1給出了沉樁過(guò)程中土體主要位移圖示及樁周土中所形成的幾個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域:A區(qū)(強(qiáng)烈重塑區(qū)),緊貼樁身,在打樁過(guò)程中經(jīng)歷了大位移,且由于拖拽可能導(dǎo)致上下錯(cuò)位[5],結(jié)構(gòu)完全破壞;B區(qū)(塑性區(qū)),受沉樁影響嚴(yán)重,土體產(chǎn)生大位移和塑性變形,但不至于導(dǎo)致上下錯(cuò)位;C區(qū)(彈性區(qū)),雖受沉樁的影響,但土體保持彈性變形[6]?？紫端畨毫蛡?cè)壓力雖不大,但仍然可以觀察到;D區(qū),該區(qū)不受沉樁的影響[6]。

圖1 樁周土體主要位移圖示和分區(qū)

1 項(xiàng)目概況

1.1 新建項(xiàng)目概況

新建項(xiàng)目C1地塊擬建5棟高層建筑,其中1#棟、2#棟緊鄰既有過(guò)江隧道。

C1地塊基坑設(shè)計(jì)深度3.85～4.35m,采用土釘墻支護(hù),注漿采用二次高壓注漿工藝,放坡為1:0.5～1:0.75,設(shè)置2排土釘。

C1地塊地下室基礎(chǔ)主要采用預(yù)應(yīng)力管樁,樁直徑為0.5m。根據(jù)地質(zhì)資料,預(yù)估樁長(zhǎng)為12m,樁端要求進(jìn)入持力層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖1.0m。

1.2 既有隧道概況

既有隧道為南北走向的并行雙孔結(jié)構(gòu),雙孔最小間距18m,單孔寬均為11m,凈高7m,每孔設(shè)置單向兩車(chē)道,設(shè)計(jì)時(shí)速50km/h。隧道全長(zhǎng)1910m,暗埋段長(zhǎng)1400m,敞開(kāi)段長(zhǎng)510m,臨近C1地塊的隧道頂埋深10.12～17.94m。

根據(jù)隧道竣工資料得知,該段隧道為明挖法施工,隧道施工基坑采用Φ800mm的鉆孔樁+土釘墻圍護(hù),鉆孔灌注樁長(zhǎng)14.2m,樁間距為1m,采用C30水下混凝土;鉆孔灌注樁外側(cè)采用咬合旋噴樁止水,樁徑600mm,樁間距400mm,進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化礫巖1m。

1.3 新建項(xiàng)目與既有隧道的位置關(guān)系

C1地塊地下室外墻樁(計(jì)為第一排樁)距離隧道外墻水平距離在8.843～10.475m之間,第二排樁(靠近地下室外墻最近的一排樁,以下依次類(lèi)推) 距離隧道外墻水平距離在13.371～14.160m之間。第三排樁距離隧道外墻水平距離在21.5m左右。第四排樁距離隧道外墻水平距離在28.0m左右。C1地塊地與既有隧道平面及立面位置關(guān)系如圖2、圖3所示。

圖2 C1地塊建筑與既有隧道平面位置關(guān)系圖

圖3 C1地塊建筑與既有隧道立面位置關(guān)系圖(單位:mm)

圖3中:(1)隧道在C1區(qū)西側(cè)采用明挖法,隧道埋深10.12～17.94m;(2)隧道支護(hù)形式為:絕對(duì)標(biāo)高28.5m以上采用1:1.25放坡,絕對(duì)標(biāo)高18.5～28.5m采用“旋挖灌注樁+內(nèi)支撐+止水帷幕樁”支護(hù)體系,絕對(duì)標(biāo)高18.5m以下采用土釘墻支護(hù),坡率為1:0.3;(3)支護(hù)樁采用旋挖灌注樁,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)14.2m,樁徑800mm,樁間距1000mm,主筋為16Φ28,樁頂標(biāo)高為28.5m(相對(duì)基坑深度-4.1m);(4)內(nèi)支撐在隧道施工完畢后,隨回填逐步拆除;(5)土釘墻位于風(fēng)化巖,對(duì)本工程無(wú)影響。

2 沉樁時(shí)樁周土體的塑性區(qū)影響范圍

2.1 基本假定

(1)土是均勻且各向同性的理想彈性材料;

(2)飽和粘性土是不可壓縮的;

(3)土體屈服不受靜水壓力的影響,滿(mǎn)足庫(kù)倫-爾強(qiáng)度準(zhǔn)則;

(4)小孔擴(kuò)張前,土體具有各向等同的有效應(yīng)力。

2.2 塑性區(qū)半徑

根據(jù)小孔擴(kuò)張理論,設(shè)小孔擴(kuò)張半徑為r,在四周形成一個(gè)應(yīng)力影響區(qū)如圖4所示。

圖4 圓柱小孔擴(kuò)張示意圖

圖4中:R為塑性區(qū)半徑;r為擴(kuò)張小孔的半徑,即樁的半徑。

根據(jù)應(yīng)力平衡可計(jì)算出R/r,如式(1)所示:

(1)

式中:E為土的彈性模量(MPa);v為土的泊松比,不排水條件下取0.5;Cu為土的不排水抗剪強(qiáng)度(kPa)。

從式(1)中可以看出,影響范圍不但與樁徑有關(guān),也與土的剛性指標(biāo)有關(guān)。塑性區(qū)的半徑與擴(kuò)張孔半徑之比R/r與土的剛度指標(biāo)E/Cu有關(guān)。E/Cu值越大,塑性區(qū)的半徑與擴(kuò)張孔半徑之比也越大,相應(yīng)的塑性區(qū)半徑也越大。

3 某項(xiàng)目地下室預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)施工影響范圍計(jì)算

某項(xiàng)目C1地塊地下室及裙樓基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁。根據(jù)地質(zhì)資料,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)定為L(zhǎng)=12m。樁徑0.5m,壁厚0.125m,采用封底十字刃樁靴。樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,樁端進(jìn)入持力層內(nèi)的深度為1.0m,基坑開(kāi)挖深度32.5m-28.15m=4.35m。根據(jù)地層情況,可得出樁長(zhǎng)范圍內(nèi)土層情況如表1所示。

表1 樁長(zhǎng)范圍內(nèi)地層土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)式(1)計(jì)算得到各個(gè)土層在沉樁過(guò)程中塑性區(qū)半徑如表2所示。

表2 某項(xiàng)目地下室基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力管樁施工塑性區(qū)半徑計(jì)算表

4 預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)施工對(duì)既有隧道的影響距離分析

根據(jù)C1地塊地下室基礎(chǔ)樁基定位圖,如圖5所示。第一排樁(地下室外墻樁)距離隧道外墻水平距離在8.843～10.475m之間,第二排樁(靠近地下室外墻最近的一排樁,以下依次類(lèi)推) 距離隧道外墻水平距離在13.371～14.160m之間。第三排樁距離隧道外墻水平距離在21.5m左右。第四排樁距離隧道外墻水平距離在28.0m左右。該既有隧道在臨近C1地塊段的隧道頂埋深為10.12～17.94m。

圖5 某項(xiàng)目C1地塊地下室基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力管布置圖(單位:mm)

結(jié)合表2計(jì)算結(jié)果得知,第一、二排預(yù)應(yīng)力管樁11.5～13m深度范圍的樁周土體的塑性區(qū)半徑20.41m大于樁與隧道外墻的間的距離,即隧道在此深度范圍將受到預(yù)應(yīng)力管樁施工的擠壓影響。但由于隧道施工時(shí)遺留下來(lái)的支護(hù)樁和止水帷幕對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁的施工影響的遮攔和屏障作用,預(yù)應(yīng)力管樁施工時(shí)通過(guò)土體向隧道傳遞的側(cè)向擠壓力及影響將得到弱化。

建議將靠近隧道的兩排預(yù)應(yīng)力管樁改為螺旋鉆孔灌注樁,避免預(yù)應(yīng)力管樁在施工過(guò)程中形成的超靜孔隙水壓力和水平擠壓力對(duì)既有隧道產(chǎn)生不利影響。同時(shí)在施工靠近隧道的其他預(yù)應(yīng)力管樁時(shí),設(shè)置減震溝、應(yīng)力釋放孔,并合理控制施工速度,從而使沉樁擠土效應(yīng)的不良影響得到減小。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)預(yù)應(yīng)力管樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)分析表明,C1地塊地下室基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力管樁對(duì)既有隧道安全存在一定的不利影響,但其影響深度僅出現(xiàn)在地下以下11.5～13m樁長(zhǎng)范圍。考慮到既有隧道施工時(shí)遺留下來(lái)的支護(hù)樁和止水帷幕對(duì)后續(xù)施工預(yù)應(yīng)力管樁的屏障作用,預(yù)應(yīng)力樁施工產(chǎn)生的超凈孔隙水壓力和水平擠壓力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響較小。

(2)考慮既有隧道的安全需求,建議將靠近既有隧道的兩排預(yù)應(yīng)力管樁改為非擠土樁,可避免預(yù)應(yīng)力管樁施工過(guò)程中形成的超靜孔隙水壓力和水平擠壓力對(duì)附近地下管線和隧道產(chǎn)生不利影響。對(duì)靠近隧道的其他預(yù)應(yīng)力管樁施工時(shí),建議設(shè)置減震溝、應(yīng)力釋放孔,并合理控制施工速度,從而使沉樁擠土效應(yīng)的不良影響減到最小。