桩基沉降引起地铁隧道位移的治理 - 林永国

第32卷第4期Vol.32No.4

建筑技术

ArchitectureTechnology

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20～60m,因此桩基沉降的影响范围为30～100m。好在桩基本身的沉降一般并不大,而且桩基沉降的位移影响范围虽较大,但在水平方向的衰减速度较快,因此当构筑物对位移要求不是很高或距离桩基稍远时,桩基沉降造成周围环境的变化并不为人们所注意。然而对于近距离内的对位移极为敏感的构筑物,桩基沉降所引起的地层位移可能对其安全构成威胁。

桩基沉降引起地铁隧道位移的治理

林永国

摘

周正茂刘国彬

要:桩基沉降容易引起临近地铁隧道的位移。上海地铁一、二

号线沿线高层建筑较多,一些建筑物地基与地铁隧道相距较近,桩基下沉可引起邻近地铁隧道的位移。为此可采取如加长工程桩、设置遮拦桩和跟踪注浆法等保护措施。关键词:地铁隧道;桩基;沉降;位移

中图分类号:TU753.31000-4726(2001)04-0233-02

TREATMENTOFSUBWAYTUNNELDISPLACEMENTCAUSED

BYPILESETTLEMENT

LINYongguo

ZHOUZhengmao

LIUGuobin

文献标识码:B

文章编号:

桩基础沉降引起地铁隧道位移主要表现在总位移和沉降曲率两个方面。

在桩基沉降较大(如50～100mm),地铁隧道距离桩基础很近时,不采取相应的保护措施,桩基沉降就有可能引起超过地铁隧道允许总位移(≤20mm)的沉降值,导致较大的纵向不均匀沉降。纵向不均匀沉降会使隧道管片环缝张开,当缝中的遇水膨胀橡胶回弹量不足以补偿环缝的张开值时,就会出现渗漏现象,严重者会有泥水流出,危及隧道的安全。

桩基沉降引起隧道总位移值在允许范围内,但沉降曲线在某一局部出现剧烈变化时,即曲率过大,将造成列车运行

不平稳。桩基计算表明,靠近桩基周边的土体沉降曲线变化幅度较大,在该范围内需对隧道采取相应的保护措施。2桩、土体与隧道共同作用2.1地铁隧道在土体移动时的性状

由于地铁隧道在宏观上可认为是主要在横向受荷的细长结构,目前国内外对地铁隧道的计算主要集中在横向受力变形特性上,对结构纵向力学性能研究不多。隧道衬砌各环之间存在连结接头,在其纵向常被看作具有一定刚度的结构体,其刚度的大小主要取决于衬砌环的连结方式、止水形式等因素。隧道在土层移动时对抵抗这一运动所作贡献除其本身刚度外,还受到土层的物理力学特性、埋置深度、地下水位及土层位移值等因素的影响。保证地铁正常运营的允许隧道位移值很小,在隧道和周围土体位移协调条件下,由于隧道埋置较深,衬砌环接头有较大柔性,在发生不大于20mm的位移时,隧道纵向刚度不大,在研究地层移动土与隧道的共同作用问题时,原则上可将地铁隧道看

Abstract:Pilesettlementmayeasilybringaboutdisplacementofnearbysubwaytunnel.Agreatnumberofhigh-risebuildingsarelocatedalongwithNo.1andNo.2subwayinShanghai.Severalbuildingpilesaretooclosertosubwaytunnels.Inordernottocausetunneldisplacement,someprotectivemeasuresmaybetakensuchaslongerpiles,shelteringpilesandkeepingmonitoringdisplacementandthenpouringinmortar.

Keywords:subwaytunnel;pilefoundation;settlement;displacement随着我国城市建设的快速发展,地

下铁道的建设也如火如荼。上海在建成地铁一号线后,地铁二号线也相继投入了运行。地铁的建设同时也带动了地铁沿线地区的发展,高楼大厦毗邻地铁一、二号线而起,给地铁的安全带来了一定的威胁:一些建筑物与地铁隧道相距很近,有的仅有5～6m,建筑物的沉降不可避免地带动了邻近地铁隧道的位移,而地铁隧道对位移的控制非常严格。由于这些建筑物的基础大多为桩基础,桩基础的沉降对邻近地铁隧道的影响成为一个普遍关注的问题。

根据文献[1]的统计,上海中高层建筑桩基础的实测沉降多在50～200mm(短桩基础除外),而上海地铁隧道保护的主要控制标准为

[2]

(3)隧道曲率半径>15000m;

(4)相对弯曲≤1/2500。很明显,如果不采取适当的隧道保护措施,临近地铁的高层建筑基础沉降板有可能引起隧道超过允许范围的位移,严重威胁地铁的安全。1群桩沉降对地铁隧道的影响

桩基础沉降主要由桩间土压缩变形和桩端以下地基土压缩变形组成,桩基沉降必然带动周围土体向下运动,在其周围形成一个以沉降为主的位移场,鉴于桩的深基础特性,位移场的作用范围比一般浅基础广得多。根据Randolph的建议

[3]

,单桩沉降引起周围土体剪切

变形的水平影响范围rm(m)为:

rm=2.5l(1-Vs)式中l———桩长(m);

Vs———桩周土体的加权平均泊松比。由上式可知,单桩沉降即使对于非常软弱(Vs=0.5)的淤泥质土,其剪切变形的影响范围也在1倍桩长以上,而在相近荷载条件下群桩沉降对桩基之外土体的影响必然大于单桩。上海地区的中高层建筑桩基础的桩长多在

:

(1)隧道上方新增附加荷载≤20kPa;

(2)隧道总位移(垂直、水平位移)≤20mm;

林永国,1969年生,同济大学地下建筑与工程系,博士研究生,200092,上海收稿日期:2000-12-25

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作纵向完全柔性的结构,计算群桩基础沉降位移场时可不考虑隧道的作用。2.2桩列的遮拦作用

桩列对土体位移的遮拦普遍存在于桩基工程之中,亦即土体位移在桩列附近产生突然的变化或不连续现象,桩列在此类基础中并不直接承受外荷载,而是由于桩周土体在自重或外荷作用下发生变形或运动而被动地受到影响。

桩列遮拦作用在工程中的应用非常广泛,如在海港工程的高桩码头设计中,桩群对于岸坡的滑动起到了遮拦作用;而考虑工程桩打桩次序以减小打桩对周围环境的影响,也是利用了先施工的桩体对后续桩沉桩扰动的遮拦作用。实测结果表明,先行桩对后续桩引起建筑物竖向变形有明显的削减功能,起到了保护原有建筑物的作用。然而实测及分析结果也显示,当桩顶自由时,桩群对土体水平位移的遮拦作用不明显,桩体常随土体共同在水平方向产生位移。3桩基邻近隧道沉降的保护措施

上海延安东路过江隧道实测结果和理论分析均表明,邻近群桩基础的隧道会随着土层发生明显的沉降。这一沉降会给隧道的安全构成威胁,为克服这一不利影响,保证隧道的安全及地铁的正常运营,提出以下保护措施。3.1加长工程桩

加长工程桩,可使群桩基础本身沉降减小,这样周围土层及隧道的沉降均会随之减小。工程桩加长后,扩大了桩与土的接触面,桩周土层通过更多的面积给予桩以支持力。根据上述原理,为减小群桩基础的沉降,可通过增加桩长来实现,特别是在桩基计算沉降很大(≥100mm)而距离隧道又较近时,首先应加大桩长减小桩基本身的沉降,否则任何其他隧道保护措施都是徒劳的。但是,增加桩长对桩的竖向刚度的贡献是有限的,即桩的竖向刚度并不与桩长成正比。计算和实测表明:当桩长增加到一定长度后,再增加桩长,桩基沉降的减小并不明显。这是由于桩长增加后,桩的长细比也增加了,桩身的压缩量随之增加,桩身压缩在桩顶沉降中的比例加大,使通过增加桩长所取得的沉降量的减小被桩身压缩量的增加所掩盖,从宏观上表现为增

建筑技术第32卷

多的情况下,无疑是一笔不小的投入。此外,根据有效桩长原理,加长工程桩对短桩效果明显,对长桩则效率较低,即短桩宜考虑加长,而长桩不宜再加长。

设置遮拦桩从变形的传播途径上控制隧道变形的发生,特别在建筑基础短边方向靠近的地铁隧道,并且有足够的施工场地的情况下,采用该方法能有效地减小所引起的隧道位移,保证隧道的运营安全,经济上较加长工程桩有独特的优势。用遮拦桩来阻拦变形时,宜使用一字形遮拦群桩的形式,桩排方向与隧道方向平行,遮拦桩应比工程桩长。一般当平行于隧道方向的群桩基础宽度较小时,由于沉降盆范围较小,用数量较少的遮拦桩即可解决问题,反之,则

需用较多的遮拦桩,可能不经济。

跟踪注浆具有控制变形直接、灵活的特点,可以适应意外发生的情况,并且对施工场地要求不高,而这些是其他两种保护措施不能相比的;此外,一般情况下,跟踪注浆在经济上具有相当的竞争力。但是,跟踪注浆法毕竟是一种事后补偿措施,特别对于桩基等引起的深层土体沉降,在隧道产生位移后对症下药,施工周期被动地适应土体位移情况,由于深层土体的固结和蠕变作用,补偿效果随时间推移会有所下降。5结语

加长工程桩、设置遮拦桩和跟踪注浆作为土体深层沉降传递引起隧道位移的保护措施,有其特定的最佳适用条件,也可以联合应用以尽量减少隧道保护代价。在桩基础本身计算沉降很大或者桩数量不多时,宜采用加长工程桩的方法;在桩基础平行隧道方向宽度不大且施工场地许可的情况下,建议在隧道和基础之间设置遮拦桩,遮拦桩应比工程桩长,并一字形平行隧道布置;跟踪注浆可作为其他两种方法的补充和辅助手段,在隧道位移不大时也可单独采用。

参考文献

1

董建国,赵锡宏.高层建筑地基基础.上海:同济大学出版社,1997

2上海市建设委员会科学技术委员会.地铁一

号线工程.上海:上海科学技术出版社,19983

朱百里,沈珠江.计算土力学.上海:上海科学技术出版社,1990

加桩长的效果并不明显。3.2设置遮拦桩

在隧道与群桩基础之间设置非直接受荷的桩列,由于桩列对土体竖向位移传递的遮拦作用,使群桩受荷引起的沉降变形不能完全传递到隧道处,这样隧道处的沉降会减小,以达到保护隧道的目的。

非直接受荷的遮拦桩是利用桩的刚度比土大的特性,使桩顶和桩底附近土体的沉降趋于一致。通常桩基沉降引起的周围位移场的变化,使同一投影点不同深度处的沉降不同:桩顶以下浅层土的沉降大,深层土的沉降小。利用遮拦桩的刚度使两点沉降趋近,可使上层土的沉降减小。由于隧道埋置深度相对

较浅,这种方法可使隧道的沉降明显减小,从而达到控制隧道变形的目的。

通过在高层建筑桩基础和地铁隧道之间设置遮拦桩桩列,可以明显减小传递到隧道的竖向位移。计算表明,设置遮拦桩后,隧道的沉降明显减小,当遮拦桩的桩长为工程桩桩长的1～1.2倍时,隧道的位移可较无遮拦桩的情况减小10%～40%,沉降遮拦效果明显。最大曲率的变化也有类似的规律,隧道的平均曲率和最大曲率均明显减小,最大曲率削减的幅度达到了12%～35%。由于建筑桩基础沉降的传递在水平方向衰减较快,故对桩基沉降小于100mm的情况,完全可能通过在桩基础和隧道之间设置遮拦桩达到保护地铁隧道的目的。

3.3跟踪注浆法

注浆法是一种治理地层移动的常用方法,在土层沉降处注入适量的水泥或化学浆,以起到补偿地层的作用,从而减小地层的沉降。跟踪注浆根据隧道可能发生过大位移或在已经发生了部分位移后,通过注浆局部增大隧道外侧的荷载和改善土性,迫使其停止移动甚至产生反向位移,总体而言,是一种位移已经产生后的补偿措施。4三种隧道保护措施的比较

加长工程桩从根本上减小了桩基沉降,它的效应直接,便于控制。但该方法需使整个群桩的所有桩都增加,以避免建筑结构的不均匀沉降,在桩数较

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