桩基施工对邻近运营盾构隧道结构健康趋势影响研究.pdf

文章编号：1007-2993（2024）02-0137-06桩基施工对邻近运营盾构隧道结构健康趋势桩基施工对邻近运营盾构隧道结构健康趋势影响研究影响研究来高峰1庞晋2叶建华1寿凌超2曹振东1（1.杭州萧山城市建设投资集团有限公司，浙江杭州311022；2.浙江明燧科技有限公司，浙江杭州311422）【摘要】为掌控软土地区深大桥桩施工对近邻运营隧道管片结构健康状态的影响，采用时空分布统计比较和数据联合归因的分析方法进行研究。研究结果表明，管片裂缝主要伴随结构受拉区的产生而发展，主要是腰部纵向裂缝，裂缝条数的数据变异性、离散程度相对裂缝代表宽度要高；邻近隧道的深大基桩施工期间产生挤土效应，控制了管片水平直径差异的发展，近桩隧道管片裂缝增长弱于远桩隧道；裂缝新增条数与桩隧水平距离呈正相关，可据此对管片裂缝条数增量进行估算；水平直径差异可以用来预测和防控管片新增裂缝，严格关注值建议采用 20 mm，较大关注值可采用 38 mm。【关键词】运营隧道；结构健康；邻近基桩；关联；统计分析【中图分类号】TU473 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.003Influence of Pile Foundation Construction on Health Trend of Adjacent ShieldTunnel StructuresLai Gaofeng1Pang Jin2Ye Jianhua1Shou Lingchao2Cao Zhendong1(1.Hangzhou Xiaoshan Urban Construction Investment Group Co.,Ltd.,Hangzhou,311022,Zhejiang,China；2.Zhejiang MingsuiTechnology Co.,Ltd.,Hangzhou 311422,Zhejiang,China)【Abstract】To study the impact of deep bridge pile construction in soft soil areas on the health status of adjacent operating tun-nel segments,a spatiotemporal distribution statistical comparison and data joint attribution analysis method were used.Segment cracksmainly arise and develop with the development of structural tension area,mainly longitudinal cracks in the waist,and the data variabil-ity and dispersion degree of the number of cracks are higher than the representative width.The extrusion effect of deep and large found-ation piles in adjacent tunnels was generated,which controlled the development of the horizontal diameter difference of the segment,and the crack growth of the tunnel segment close to the foundation pile construction was weaker than that of the distant pile tunnel.Thenumber of new cracks was positively nonlinear with the horizontal distance of the pile tunnel,and the increment of the number ofcracks in the segment can be estimated.The horizontal diameter difference can be used to predict and prevent new cracks in the seg-ment.The recommended threshold is 20 mm for the first layer and 38 mm for larger values of concern.【Key words】operational tunnel；structural health；adjacent pile；relevance；statistical analysis 0 引言我国城市化以及区域城市群建设快速提升，城市交通基础设施建设投入力度持续加大，其中地铁隧道在缩短交通线路里程、利用地下空间、节省行车时间等方面起到了重要的作用。随着隧道营运的服役年限增加及邻近地铁周边新增地下工程的影响，隧道运营期将出现不同程度的病害。国家交通运输部于 2018 年发布了公路养护工程管理办法，提出要积极推进预防性养护和科学决策的应用和研究。已有的运营养护管理模式虽然包括依据相关规范标准1-3对隧道进行监测、检测，但是在归因关联方面以及与养护决策有机结合方面尚未形成系统的方法，海量的数据并未起到关联、预测和指导决策的作用。通过对钢套管灌注桩施工引起的管片附加应力应变进行理论推导分析，王立峰等4得到了管片水 作者简介：来高峰，男，1989 年生，汉族，浙江杭州人，大学本科，工程师。研究方向：市政道路桥梁。E-mail：通讯作者：庞晋，男，1982 年生，汉族，安徽阜阳人，硕士，工程师。研究方向：基坑、盾构隧道施工技术和岩土工程信息化。E-mail： 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024平位移和竖向位移的理论解，丁智等5得到了隧道纵向变形理论解；吕宝伟6、杨平等7通过将监测数据和套管成桩工艺进行比对分析，提出套管旋压取土等工艺对周围土体扰动影响较小等结论建议；谢小山等8、邓指军9对成孔成桩不同工艺阶段下周边土体和邻近地铁隧道的位移进行了研究；周志良等10、徐云福等11主要利用数值模拟方法对全套管基桩施工引起土体位移场及其对隧道的影响进行研究；杨光华12、陈虹宇等13、杨铭悦14、吴贤国15提出或引入了诸如模糊综合法、贝叶斯算法、多维云模型、物联感知等方法用于地铁隧道结构管养监控和分析。本文依托杭州某邻近运营地铁隧道的基桩施工工程，对管片裂缝，水平向、竖直向收敛和沉降等检测，监测指标在时空上的分布和变化规律进行了关联和耦合分析，针对软土地区深大桥桩施工对近邻运营隧道管片结构损伤的影响，提出数据统计分析和联合归因决策的方法和建议。1 工程背景某公路改建工程高架桥桥梁基桩施工对邻近运营地铁区间隧道影响范围为：上行线（右线）K0+455.5K1+954.4（1281377 环），下行线（左线）K0+510.3K1+925.6（11179 环），桥桩与隧道位置关系如图 1所示。既有地铁区间隧道内径 5.5 m、外径 6.2 m，环宽 1.2 m，管片采用 C50 钢筋混凝土，环向、纵向衬砌块间用 M30 螺栓连接。既有运营地铁隧道位于淤泥质粉质黏土层，新建桥桩桩径 1.5 m，桩身有效长度60 m，桩端进入中等风化泥质粉砂岩 2 m。基桩与右线隧道最小水平净距 5.1 m，与左线隧道最小水平净距 17.6 m。与隧道水平距离 512 m的桩采用全套管（钢护筒厚度为 30mm）施工工艺成孔，与隧道水平距离 1220 m 的桩采用半套管施工工艺成孔（套管下端标高低于隧道底标高 1 倍隧道直径），水平距离20 m 的桩采用常规旋挖钻成孔。2 运营隧道管片裂缝数据统计及规律分析 2.1 基桩施工完成后运营隧道管片裂缝分布 2.1.1 左右线管片裂缝统计左线隧道管片在桩基施工后裂缝数量和裂缝宽度分布分别如图 2 和图 3 所示，为方便统计分析，均以每环为最小对象载体，即各环多少条裂缝、各环裂缝宽度最大的为此环代表裂缝宽度，下文中不再做重复说明。左线（远基桩线）隧道（111176 环）共1166 环有效环，检查混凝土管片裂缝共计有 2573 条，裂缝最大宽度 0.40 mm，超过 0.3 mm 的有 16 条，均为纵向裂缝。淤泥质粉质黏土含砂粉质黏土新建桥桩直径1.5 m钢护筒套管运营地铁隧道外径6.2 m5.1 m右线左线.21.6 m38.4 m6.2 m2 m素填土 粉质黏土黏质粉土淤泥质黏土中等风化泥质粉砂岩 图 1 桥桩与运营地铁隧道剖面关系示意图 01234567811263982911061171281381481591761932022122212422663394254905015365926516877548008389601167环号裂缝条数 图 2 工后左线管片裂缝数量分布 00.050.100.150.200.250.300.350.40代表裂缝宽度/mm11263982911061171281381481591761932022122212422663394254905015365926516877548008389601167环号 图 3 工后左线管片裂缝代表宽度分布 右线隧道管片在桩基施工后裂缝数量和宽度分布分别如图 4、图 5 所示，右线（近基桩线）隧道（1191376 环）共 1257 环有效环，检查混凝土管片裂缝共计有 3206 条，裂缝宽度最大为 0.55 mm，超过 0.3 mm 的有 21 条，均为纵向裂缝。2.1.2 裂缝条数和代表宽度联合分析以邻近基桩群施工完成后为终态，将运营状态下左右线隧道各环管片裂缝条数和代表宽度联合分析，为方便观察分析，将实测值除以其样本均值，概率分布曲线如图 6 所示，横坐标为环号，纵坐标分别为裂缝条数与其均值的比、裂缝宽度与其均值的比。将代表裂缝宽度、裂缝条数作为管片的混凝土结构138岩土工程技术2024 年第 2 期裂缝程度的表征指标，从图 6 中各环实测值与均值的比值分布可以得到如下信息：012345119132143155182189222231244253266274294305333424479506578702755802871938990102010351083104110671075环号裂缝条数 图 4 工后右线管片裂缝条数分布 00.10.20.30.40.50.6代表裂缝宽度/mm1191341501681892242372502662773003304244815547007558178719801020108010371056107511201125113811861218123913131302环号 图 5 工后右线管片裂缝代表宽度分布 00.51.01.52.02.53.03.54.0实测值与均值比值112678901061181321471591801992092212463184084905135616486877648109461167环号(a)左线裂缝条数与其均值的比裂缝代表宽度与其均值的比00.51.01.52.02.53.0实测值与均值比值1191401661962312502692963334735547168029311012108010411073112111311186122212991314环号(b)右线裂缝条数与其均值的比裂缝宽度与其均值的比 图 6 管片裂缝条数与代表宽度概率分布 （1）左线管片裂缝代表宽度比率分布区间为0.32，统计变异系数为 0.370；条数比率分布区间为 0.443.54，统计变异系数为 0.625；右线管片裂缝代表宽度比率分布区间为 0.32.75，统计变异系数为 0.364；排除变异最大的一个值，剩余的比率分布区间为 0.32，左右线高度一致；条数比率分布区间0.52.49，统计变异系数为 0.551。（2）整体分布规律较为一致，但是局部差异较大，既有条数较少、宽度较大的，如左线 193221 环、右线 267294 环，也有条数较多、宽度较小的，如左线 536687 环、右线 543702 环。近邻基桩施工后管片裂缝概率统计情况见表 1，包括左右线各裂缝条数和宽度的均值、最值、变异系数。裂缝条数均值是以每条隧道的管片环数样本总量作为基数对各环裂缝条数之和取算术平均，裂缝宽度均值是计算出每环管片的裂缝宽度平均值后再以该条隧道统计样本总管片环数为基数进行算术平均（下文同）。通过分析表 1 得到如下结论：（1）管片裂缝条数均值、条数最大值，左线（远桩线）右线（近桩线），原因是由于基桩施工距离隧道越近，则套管施工的挤土效应限制隧道管片收敛变形的作用越明显，管片裂缝最大条数、均值反而少于与基桩施工距离较远的隧道，受隧道服役状态（管片结构累计变形）、基桩施工工艺引起的土体位移场重分布等因素综合控制。（2）管片裂缝条数标准差和变异系数，左线右线，说明距离基桩施工越远，隧道管片裂缝数量受其影响的敏感度、相对离散程度越高。（3）裂缝宽度均值、标准差、变异系数、最大值、最小值，左、右线基本相同，因为运营地铁在相同的结构、动荷载条件下，邻近大直径深桩施工采用合适的施工工艺方法（比如近距离桩选用全套管），则管片裂缝宽度累计值主要受隧道施工完成结构状态及长期运营荷载控制。表 1 邻近基桩施工后运营隧道管片裂缝统计比对分析项目均值标准差变异系数最大值最小值条数左线2.261.410.6381右线2.011.100.5551宽度/mm左线0.200.080.370.400.06右线0.200.070.360.550.06 2.2 管片裂缝变化量分析运营隧道管片裂缝新增数量统计情况见表 2，排除修补因素，即将裂缝减少（即裂缝变化量为负）的样本排除在外，远线新增 15 条裂缝共 123 环、裂缝条数未变化的共 464 环，近线新增 15 条裂缝共139 环、裂缝条数未变化的共 687 环。来高峰等：桩基施工对邻近运营盾构隧道结构健康趋势影响研究139 表 2 运营隧道管片裂缝新增数量统计项目增量/条环数占比/%均值左线（远线）046479.10.4116611.22203.43162.74172.9540.7右线（近线）068783.20.23110012.12283.4370.8440.5 通过分析表 2 得到如下结论：（1）相对于长期运营动荷载工况，邻近基桩施工是一个短期过程，施工采用合适的施工工艺方法（近距离桩选用套管护壁），新增裂缝的环数总体不多，发生新增裂缝的环数占比为 16.8%21%。（2）近桥桩施工的右线发生新增裂缝的比率为16.8%，远群桩施工的左线发生新增裂缝的比率为20.9%；近桥桩施工的右线新增裂缝数量为 15 条，远桥桩施工的左线新增裂缝数量为 14 条，其中增加 1 条的比率最大，左线为 53%（11.2%21%），右线为 72%（12.1%16.8%）。（3）与群桩施工远的隧道裂缝新增条数均值约是与群桩施工近隧道的 1.8 倍，与桩隧水平距离成非线性正相关，可采用式（1）对深大基桩施工行为对邻近运营状态下隧道管片裂缝增量进行估算：n=L（1）n式中：为裂缝新增条数均值估值，条/环；L 为基桩边缘到隧道边缘的水平距离，m，L=520m；为统计比例系数，取 0.040.02，L 小时取大值，L 大时取小值。（4）将以上规律综合起来可对软土场地深大群桩施工时引起既有运营隧道管片裂缝条数增加量进行预测，先用本地区或类似工程的数据按式（1）的方法得到统计比例系数，用来估算新建基桩施工影响范围内地铁隧道管片可能新增的裂缝条数总量，即用估算的裂缝条数均值乘环数，再参照第（2）条来推断预测双线各可能产生 1 条裂缝的管环数及可能产生 1条以上裂缝的管环数。其中需要关注的是，近群桩施工的隧道不一定明显比远桩隧道产生裂缝的比率更低，两者可能接近，但是近桩隧道比远桩隧道裂缝数量增长程度相对低一些，比如比对某条隧道新增 1条的环数占其所有新产生裂缝环数的概率，近桩线（右线）72%远桩线（左线）53%、近桩线（右线）单环最大新增裂缝条数为 4 条远桩线（左线）单环最大新增裂缝条数为 5 条。分析认为运营隧道管片本身呈“横鸭蛋”形，而此状态持续发展是管片纵向裂缝产生的主要原因，实测时也发现主要发生在腰部及附近，采用套管工艺的群桩施工，其力学行为以挤土效应为主导，在一定程度上约束了其发展，是出现上述情况和结论的原因，由此引发下面将管片水平直径差异值及其与新增裂缝联合分析。3 运营隧道管片水平直径差异值统计与分析水平直径变化量越大，管片结构环向受拉程度越大，裂缝产生概率越高，所以管片水平直径差异值的累计值及趋势可以作为管片结构损伤的表征指标。3.1 基桩施工完成后运营隧道水平直径差异值及其变化量分布基桩群施工前后左右线管片水平直径差异的变化量统计情况见表 3，负值代表横向收敛，正值代表横向增长，需稍作说明的是，由于实测原因，能够提取同期水平直径差异值的环数不是正好等于前述裂缝测量统计环数，通过对左线（远桩施工线）1176 环和右线（近桩施工线）1262 环样本进行统计分析，结果如下：（1）水平直径差异变形量范围约为5.50.5 mm50.5 mm。（2）邻近基桩施工后，管片变形以横向收敛为主；虽然对群桩的施工工序、工艺进行了控制，但挤土效应仍引起水平向附加应力，管片产生了横向收敛的趋势，一定程度上抑制管片椭圆度持续增长。（3）近线管片横向收敛占比约为 75%，远线横向收敛占比约为 55%，远线距离更远且与基桩之间隔着近线，受影响的灵敏程度相对较低。表 3 管片水平直径差异变化量统计项目均值最大值最小值非负值占比负值占比左线(远线)0.275.66.144.3%55.7%右线(近线)0.734.44.825.1%74.9%3.2 管片水平直径差异值和新增裂缝联合分析将运营状态下左线隧道各环管片水平直径差异值和管片裂缝条数增量联合分析，得到综合概率统计表（见表 4）。140岩土工程技术2024 年第 2 期 表 4 裂缝增量和水平直径差异综合概率统计项目均值标准差变异系数最大值最小值裂缝条数增量1.971.230.625.001.00水平直径差异/mm37.858.230.2269.4014.10 管片裂缝条数增量的均值、极差较小，变异系数较大，水平直径差异的均值、极差较大，变异系数较小；管片裂缝条数增量为 15 条，均值为 2 条，水平直径差异的范围约为 1470 mm，均值约为 38 mm。出现水平直径差值较大而新增裂缝条数较少的现象很大程度上是由于管片椭圆度差异导致在拼装完成后已有一个初始量，又伴随着土压力和运营荷载的复合作用，管片的变形和裂缝已伴生到一定量级，在此基础上的邻近地下工程施工的扰动带来的增量反而不大；相反，对于水平直径差值不大，新增裂缝条数却较多的现象，是因为邻近地下工程施工前的管片椭圆度状态接近但未达到某个阈值，在此基础上的邻近地下工程施工的扰动带来的管片水平直径差异值的增量不大，却导致达到或超过阈值，相应的管片裂缝条数增量较多。为进一步研究两者联系的强弱，以邻近基桩群施工之前为初态、完成后为终态分析研究两种实测指标变化量的关系，取同期都有两种数据的样本，并只保留裂缝条数为正值的样本，共 123 环，为方便观察分析，将实测值除以其同类型总样本均值，将每环的（水平直径差异值与其均值之比，裂缝新增条数与其均值之比）坐标点放到坐标图中，如图 7 所示，发现分布类似塔形，为方便总结分析，整理成表 5。00.51.01.52.02.53.0裂缝新增条数实测值与均值比值0.20.71.21.7水平直径差异值与其总样本均值之比D=31.544.5 mm,n=15条D=46.572.7 mmn=12条D=14.725 mmn=12条 图 7 管片新增裂缝条数与水平直径差异值增量概率统计分布对比首先关注的是当 D（管片横向实测直径与标准直径差异值）还在较小范围内时，持续发展下 n（相应管片纵向裂缝增加数量）什么时间大概率会从无到 1 甚至到 2，所以第一层阈值（或称关注值）可设为 D=15 mm（14.7）时、n 会由无变 1，以及 D=20mm（14.725）/2）时、n 会由无变 1 或 2；其次可能重点关注的是当 D 已经很大时，n 什么时间以及大概率最大达到多少，所以第二层阈值/关注值可设为 D=38 mm（31.544.5）/2），持续发展下，n 最大能达到 5 条。表 5 管片新增裂缝数量概率与管片水平直径差异值分布关系新增裂缝数量分布/条水平直径差异分布/mm占样本比例/%1531.544.564.2132531.518.744.546.51214.72517.146.572.7 建议在软土地区，对内径 5.5 m、管片厚度为0.35 m 的运营地铁隧道，受邻近深大基桩施工影响下，从监控水平直径差异来预测和防治管片裂缝新增的角度，可以设置两层关注值，即管片水平直径差异达到 20 mm 时，大概率新增裂缝 12 条，达到 38mm 时，大概率新增裂缝最大数量达到 5 条。4 结论（1）基于实测大数据，对隧道管片结构健康状态数据进行统计，并对相关表征进行关联分析，可以指导地铁运营的管理重点、预测风险和辅助决策运维计划。（2）管片裂缝条数的数据变异性（离散程度）相对裂缝代表宽度要高；距离基桩施工越近的隧道，则套管施工的挤土效应限制隧道管片收敛变形的效用越明显，管片裂缝最大条数、条数均值少于与基桩施工距离较远的隧道。（3）远基桩施工线隧道的裂缝新增条数均值约是近线隧道的 1.8 倍，裂缝新增数量与桩隧水平距离呈非线性正相关。（4）软土地层的大直径桥台群桩采用套管护壁成孔，会产生一定的挤土效应，导致相应的管片结构受到横向约束的增大，产生横向收敛的趋势，从而减弱或在一定程度上控制了管片水平直径持续变大。（5）在邻近深大基桩施工工况下，运营隧道裂缝新增条数与其均值之比和水平直径差异值与其均值之比的关系分布为塔形；从监控水平直径差异来预测和防治管片裂缝新增的角度，可以根据实际需要设置阈值（或称关注值），结合工程和运维关注的特点以及 盾构法隧道结构服役性能鉴定规范（DG/TJ0821232013）3，严格关注值建议采用 20 mm，较大关注值可采用 38 mm。来高峰等：桩基施工对邻近运营盾构隧道结构健康趋势影响研究141参考文献 GB 509112013城市轨道交通工程监测技术规范S.北京:中国建筑工业出版社,2017.1 GB 504462017盾构法隧道施工及验收规范 S.北京:中国建筑工业出版社,2017.2 DG/T J0821232013盾构法隧道结构服役性能鉴定规范 S.北京:中国建筑工业出版社,2013.3 王立峰,王甜,俞钦钦,等.近邻桩基施工的地铁隧道变形计算 J.科技通报，2019，35（3）：155-161.4 丁智,张霄,张默爆,等.桥桩钢套管施工引起地铁隧道纵向变形计算研究 J.岩石力学与工程学报，2022，41（4）：836-848.5 吕宝伟.超临界桥桩基施工对既有隧道影响数值与实测分析 J.铁道标准设计，2017，61（3）：103-107.6 杨平,周志良,黄晓东,等.钻孔灌注桩施工对邻近既有隧道影响数值分析 J.沈阳建筑大学学报:自然科学版,2020,36(6):10641073.7 谢小山,陈彦恒,赵春彦.桩基施工对近邻地铁隧道的 8 影响分析 J.施工技术，2018，47（13）：32-35.邓指军.钢套筒压入对邻近地铁隧道的影响分析 J.施工技术，2011，40（13）：77-79.9 周志良,仇欢,黄晓东,等.钻孔灌注桩施工对邻近运营隧道变形影响研究 J.岩土工程技术，2021，35（1）：1-6.10徐云福,王立峰.近邻桩基施工对城市地铁隧道的影响分析 J.岩土力学，2015，36（S2）：577-582.11杨光华.基于模糊综合法的交通基础设施施工阶段安全风险评价研究 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