广州某地下电缆软土地层钢板桩拔除对既有隧道影响分析

张征亮，胡盛斌

(1.海峡(福建)交通工程设计有限公司，福建福州 350001;2.南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁 530021;3.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641)

0 引言

随着城市建设的大力发展和地下空间的开发利用，地下空间资源日趋紧张，地下管线的管理朝着高度集约化和可持续化方向发展。钢板桩以其整体刚度大、打拔桩容易、施工速度快、回收率高、隔水性好、使用寿命长、对空间要求低和环保效果显著等特点，被广泛运用于基坑工程中。目前，对钢板桩的理论研究主要集中于支护特性研究，如钢板桩的内力、支撑系统内力、开挖方式和基坑稳定性等［1－3］，且多采用等值梁法［4］、弹性支点法［5］等进行计算，而在钢板桩实践研究多限于施工措施的总结，如王有才［6］结合某大面积深基坑拉森钢板桩施工案例，总结了监测方案、施打法和施工要求;刘阳平［7］就某特大桥桥墩基坑邻近铁路施工时，根据理论公式对钢板桩的受力、支撑和埋深等参数进行了设计计算，总结了施工工艺流程及施工要点;李仁民［8］对某特大桥桥墩围堰深基坑采用的高压注水振动沉桩法设计要点和施工工艺进行了详细介绍。

钢板桩施工一般在基坑回填后进行拔除，钢板桩拔除时会产生一定的振动，易留下孔隙［9－10］，尤其在软土地层，极易造成地面及其邻近构筑物开裂［11］。目前软土地层钢板桩拔除对邻近既有隧道影响的分析，尤其是定量地分析钢板桩拔除产生孔隙对邻近土体及建构筑物的位移和受力特性分析并不多见。结合广州某市政工程钢板桩施工案例，采用数值模拟软件分析不同工况下不同孔隙大小对邻近既有隧道的位移和受力影响，对软土地层钢板桩拔除时邻近建构筑物的保护具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

本项目为广州市某新建地下电缆管沟工程，呈南北走向，线路南接云城大道，并沿地铁2号线、3号线向北延至均禾街接106国道，设计道路宽40 m，双向6车道，为城市次干道。在紧邻地铁2号线一侧采用拉森钢板桩支护开挖，钢板桩长约12 m，入土长度11.7 m，外露长度0.3 m，并采用1道 φ350的钢管支撑，平均开挖深度为5.3 m。

该电缆管沟主要分布在道路中央分隔带与南侧人行道下，与既有地铁线路走向一致，距地铁左线边界最小距离为6.6 m(DK0+390)，管沟终点距地铁隧道左线界限距离为8.1 m。具体位置关系如图1所示。

1.1 区域地质构造

根据区域基岩地质图及提供的勘察资料显示，场区沿线下伏基岩主要为二叠系(P1－2)沉积岩—灰岩、砂岩、炭质泥岩夹劣质煤层，北段局部为下第三系布心组(E1－2b)沉积层—棕褐－紫红色粉砂岩及白云质灰岩、砂砾岩。

1.2 沿线岩土层结构

根据钻探揭露，场区从上往下依次为〈1〉第四系全新统人工填土层(Q4ml)、〈2〉第四系全新统冲积层(Q4al)、〈3〉第四系残积层(Qel)、〈4〉～〈5〉下第三系(E)沉积基岩。

图1 电缆管沟与地铁隧道位置关系Fig.1 Relationship between cable tunnel and existing Metro tunnel

1.3 水文地质条件

场区沿线地表水不发育，拟建隧道场地范围内未见有地表水发育。

场地地基土中，人工填土为弱－中等透水层，粉质黏土为微透水层，冲积中粗砂为强透水层，强－中风化岩为中等－强透水层。

场地地下水按性质及赋存方式不同可分为2层地下水:第四系孔隙水和基岩风化带孔隙裂隙水。

2 钢板桩拔除对隧道产生影响原理分析

钢板桩拔除过程中会导致既有隧道发生附加变形。隧道周边地层位移是钢板桩拔除引起应力场重分布的结果，是地层损伤产生传递的结果;产生地层位移的主要原因是缝隙两侧土体向缝隙净空产生塑性的流动。

根据修正的地层补偿法［12］，若假定墙后土体的位移线为圆弧线，则土体以O为圆心的每一条圆弧都以O为圆心发生刚性转动，如图2所示。

图2 地层补偿原理示意图Fig.2 Calculation principle of ground compensation method

在综合考虑土体收缩性质及引入水平向收缩系数的基础上，修正上述圆弧滑动法，假定拔桩缝隙临空面位移曲线方程为S2=f(y)，则其两侧土体任意点(x，y)的水平位移和竖向位移为:

式中:δh，δv为土体任意一点水平和竖向位移值;x，y为土体中任意一点的坐标值。

3 数值模拟

文章选取邻近隧道侧钢板桩拔除为研究对象。

3.1 计算假定

1)以地层、既有管线及隧道的自重应力作为初始应力场。

2)由于地铁建成运营后，与场地周边的既有建筑物及土体等一同形成了相对平衡、稳定的区域应力场，这些既有建筑物的存在不会对本次分析的电缆管沟结构产生影响，因此，建模时不考虑基坑及地铁结构周边的其他建筑物，仅分析钢板桩拔除对地铁隧道造成的位移、应力增量。

3)计算时不考虑水荷载影响，以及地下水的变化情况，仅考虑结构的自重荷载作用。

4)假定各层土体均为非线性弹塑性介质，地铁结构(钢筋混凝土墙体、隧道衬砌等)为线弹性材料。进行计算分析时，土体可选用弹塑性模型，地铁结构可选用弹性模型。

3.2 计算模型

3.2.1 材料特性

本次计算中围岩和隧道结构均选用平面应变单元Plan42进行模拟。为了减小边界效应的影响，左、右及下边界取4～5倍隧道的开挖洞径。计算采用通用有限元软件ANSYS，不考虑钢板桩打桩等引起土体应力和性状的改变。

根据工程地质勘察报告，土层从上至下为人工填土〈1〉，厚1.5 m;粉质黏土〈2－1－1〉，厚1.3 m;中粗砂〈2－4〉，厚5.28 m;残积粉质黏土〈3〉，厚 4.91 m;粉质黏土〈2－5〉，厚11.25 m;微风化石灰岩〈5－3〉，厚4.91 m。各土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

3.2.2 单元选取与本构关系

对围岩和结构采用Plan42号单元模拟，将面单元设置为平面应变。单元的每个节点有3个自由度，即沿x，y方向的线位移及绕z轴的角位移;对于孔隙两侧临空采用接触单元进行分析。模型的左右边界x方向约束，顶部为自由面，底部y方向约束。ANSYS支持刚体—柔体的面—面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，用TARGE169来模拟;柔性体的表面被当作“接触”面，用CONTA172来模拟。

根据隧道围岩特征，采用D－P准则进行数值模拟，由围岩自重形成初始地应力场。数值计算模型长76 m，宽34.3 m，钢板桩距离左线隧道边缘5.65 m，如图3所示。

图3 数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model

D－P准则表达式为:

式中:I1和J2分别为第一球应力不变量和第二偏应力不变量;α和k为与材料性质有关的参数，α=(式中:c为黏聚力，φ为内摩擦角)。塑性流动采用相关联的流动法则。

3.3 分析工况

将钢板桩拔除遗留孔隙宽度按面积等代为矩形，其宽度根据钢板桩的截面积和拔桩带泥量计算得出:

式中δ1，δ2为钢板桩、拔桩带泥形成土中孔隙等代宽度，δ1=As/B，δ2=V/(B·S)(式中As，B分别为钢板桩截面面积和宽度;S，V分别为钢板桩埋入土中深度和拔桩带泥体积)。

本项目采用拉森IV型钢板桩，其宽度B=400 mm。根据工程经验，单桩带泥量为0.5～0.7 m3，钢板桩入土以11.7 m 计，δ=106～150 mm。

本次计算参考文献［10］，选取δ=40 mm(钢板桩不带泥)、δ=100 mm(钢板桩带少量泥)、δ=150 mm(钢板桩正常带泥)和δ=200 mm(钢板桩大量带泥)4组工况进行数值分析。

3.4 数值模拟结果分析

3.4.1 位移分析

1)既有隧道位移分析。通过数值计算，得出拔除钢板桩后不同孔隙宽度时既有隧道位移增量云图，如图4所示。

图4 既有隧道位移分布云图Fig.4 Contour of displacement of existing tunnel

钢板桩拔除后，土层中产生了一定的孔隙，致使土体产生向孔隙方向的位移。总体上来说，左线隧道受钢板桩拔除影响较右线隧道大得多。其中水平位移是竖向位移的5～6倍，即钢板桩拔除对既有隧道的影响以水平位移为主;同时，最大位移量分布在左线隧道左上侧45°范围内，分析判断与隧道左上侧位于中粗砂层有关，中粗砂层内聚力为0，自稳能力差。

由于既有隧道自重较大，加之钢板桩拔除过程中对地层产生的扰动，周边土体向孔隙净空方向位移，导致既有隧道产生向孔隙净空方向的位移趋势，即在邻近钢板桩的左线左侧产生较大位移。随着孔隙宽度的增加，既有隧道位移也相应增大，水平位移增幅比竖向位移要大，缝隙宽度从40 mm增加到200 mm时，水平位移从6.85 mm 增加到 12.09mm，增幅 76.5%;竖向位移从1.32 mm增加到2.04 mm，增幅为54.5%。根据文献［13］和规范要求，水平位移达12.09 mm，仍小于地铁隧道结构累计水平位移控制值20 mm。

2)影响范围分析。根据公式(4)，在钢板桩入土深度为11.7 m时，可得缝隙宽度为150 mm，根据对称性，单侧土最大位移为75 mm。然而，一般情况下挡土墙达到主动土压力极限状态时水平位移为(0.1～0.3)%H(H为挡土墙高度)［14］，即 11.7 ～35 mm，远小于75 mm，故拔桩后缝隙两侧土体已处于主动土压力极限平衡状态。考虑到缝隙两侧土体接触面上只有水平力，与朗肯土压力黏性土、墙背光滑的假设一致，故可参照直壁挡墙模式朗肯土压力破棱体理论计算拔桩影响范围(见图5)。

图5 拔桩影响范围Fig.5 Influencing scope of steel sheet pile removing

拔桩影响范围

根据表1可知，该地层内摩擦角范围为10°～39°，入土深度取11.7 m，得出理论影响范围为5.6～9.4 m。

根据数值模拟结果，取钢板桩孔隙右侧地表位移为研究对象，得出各工况下地表沉降位移曲线，如图6所示。

图6 不同孔隙宽度时地表沉降曲线图Fig.6 Ground surface settlement Vs void width

钢板桩拔除后，孔隙周边土体将会产生向孔隙净空方向的滑移变形，在距离孔隙边缘0～10 m范围地表变形尤为显著，与理论计算结果相近。

随着孔隙宽度的增加，地表变形也相应增加。从图6可以看出，在0～10 m范围曲线斜率增幅较大，致使土体受拉而开裂;2种工况下竖向位移较水平位移随着孔隙宽度增加而增幅相对减小。可见，由于钢板桩拔除后，打破其周边土体应力平衡状态，致使土体产生相应的变形进行应力重分布。

3.4.2 既有隧道应力分析

既有应力分布云图如图7所示。

钢板桩拔除过程中，周边土体将产生变形，进而引起既有隧道结构产生附加应力，附加应力的大小将影响既有结构的安全性。

从图7可以看出，最大拉应力出现在既有隧道左线左下侧45°处，最大压力应力则出现在既有隧道左线左上侧45°处，钢板桩拔除对既有隧道受力产生较大影响，邻近钢板桩侧比远离钢板桩侧要大，这与现实情况基本相符，同时也说明邻近钢板桩侧是钢板桩拔除时监控的重点对象。

根据文献［15］选取铁路隧道健康状况评定等级(C级)时结构应力增量控制标准，如表2所示。从上述计算结果可知，在δ=150 mm(钢板桩正常带泥)时，拉压应力增量为4.65 MPa，大于4.5倍的拉应力容许值，随着孔隙宽度进一步增大，应力增长减缓，表明隧道衬砌已产生大量裂缝破坏。可见，在钢板桩拔除过程中，必须严格控制其带泥量。

4 工程对策

钢板桩拔除前，要认真研究确定拔桩顺序、拔桩时间、桩孔处理方法以及监测要求。

图7 既有隧道应力分布云图Fig.7 Contour of stress of existing tunnel

表2 结构应力增量控制标准Table 2 Control standard of structural stress increment MPa

1)优化拔桩顺序。对封闭式钢板桩墙，拔桩起点应离开角桩5根以上。可根据打桩时的情况确定拔桩起点，必要时也可采用间隔跳拔和跟进压密注浆工艺，间隔时间待水泥浆凝固并达到一定强度。

2)减少拔桩带泥量。拔桩时采用灌水、灌砂等措施，还可以对钢板桩周身涂刷油脂、沥青等润滑剂，如果有条件，采用振动锤复打一次，减少钢板桩拔出带泥量。

3)周边土体加固。对钢板桩与既有隧道之间一定范围内土体进行注浆，增加土体强度，增加土颗粒的移动阻力，以减少拔桩对土体的破坏作用。

4)加密监测和巡查。在钢板桩拔除过程中，加强对周边土体和既有隧道的监测和巡视，同时对孔隙填充情况及时检查，发现问题立即采取措施进行补救。

5 结论与建议

运用数值模拟计算分析，研究了钢板桩拔除对既有隧道的影响，得到以下结论:

1)钢板桩拔除后产生一定的孔隙，导致其周边土体产生向孔隙净空方向的位移，对既有隧道位移、受力产生较大的影响。钢板桩拔桩带泥产生的缝隙会导致其周边土体产生沿缝隙净空方向的塑性滑动，分析表明，孔隙宽度越大，既有隧道位移、受力也越大，在缝隙宽度为150 mm时，拉应力增量为4.65 MPa，大于拉应力增量容许值的4.5倍;既有隧道邻近钢板桩侧的位移和受力较远离钢板桩侧要大得多;钢板桩拔除后产生的孔隙对其周边10 m范围内的土体影响显著。

2)钢板桩拔除带泥产生缝隙会引起孔隙周边土体产生塑性滑动。钢板桩拔出过程中带泥量越大，即缝隙越大，对既有隧道结构受力及变形影响就越大，缝隙宽度在40～100 mm范围时，既有地铁隧道受力、变形均处于安全可控范围内，且影响范围也相对较小，为此，减少拔桩带泥量尤为重要，必要时可对钢板桩与既有隧道之间土体进行隔离性加固，以减小对既有隧道的影响。

3)钢板桩的拔除是一个动态的过程，拔除过程中可能由于摩阻力太大，须边振动边拔。

4)钢板桩拔桩拔除时应着重考虑减少带泥量，可采用灌水、灌砂、桩身涂油以及振动锤复打等措施。

本文数值计算未考虑地下水位变化、地表堆载、地层加固以及基坑、地铁结构周边的其他建构筑物的影响，在今后的研究中有必要对这些影响因素进行深入探讨。

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