超大顶管侧穿密集建筑区施工影响及加固措施研究

Construction influence and reinforcement measures of super-large pipe jacking side-crossing dense building areas

摘要

依托深圳市石岩南线2^#顶管工程，采用Midas‑GTS/NX有限元软件与现场监测相结合的方法，对超大直径双圆顶管侧穿密集建筑区施工影响及加固方案进行研究。结果表明：顶管施工对前排桩体位移影响大于后排桩体，桩体纵向位移（沿顶管开挖方向位移）在距顶管中心轴线2倍管径范围内及距桩体埋深1.5倍管径区间影响程度最大，呈“U”形分布。受影响桩体横向位移（与顶管开挖方向垂直的水平方向位移）在左、右线开挖完成时均呈“S”形，处于较深地层处的桩体横向位移比较浅地层处大，且位移极值出现在顶管开挖所处区间。桩体竖向位移（桩体轴线所在方向）均为负值，距顶管越近受影响越大，且桩顶沉降值均小于桩端沉降值。无加固措施下，桩体横向水平位移最大值为9.41 mm，满足要求，但纵向水平位移最大值为14.76 mm，竖向沉降最大值达到13.03 mm，均超出允许值范围。采取袖阀管注浆加固措施后，桩体纵向位移最大值为8.98 mm，横向位移最大值为5.64 mm，竖向位移最大值为8.86 mm，均满足控制要求，加固效果良好，超大直径双圆顶管得以顺利侧穿密集建筑区域。

Abstract

Based on the 2^# pipe jacking project in the south line of Shiyan, Shenzhen, the construction influence and reinforcement scheme of super-large diameter double circular pipe jacking side-crossing dense building areas were studied by adopting Midas-GTS/NX finite element software and field monitoring data. The results show that the influence of pipe jacking construction on the displacement of the front pile is greater than that of the back pile, and the longitudinal displacement of the pile (the displacement along the excavation direction of pipe jacking) is most affected in the range of two times the diameter of the central axis of pipe jacking and 1.5 times the diameter of the buried depth of the pile, showing U-shaped distribution. The lateral displacement of the affected pile (horizontal displacement perpendicular to the direction of pipe jacking excavation) presents S-shaped distribution when the excavation is completed on the left and right lines. The lateral displacement of the pile in the deeper stratum is larger than that in the shallow stratum, and the extreme displacement occurs in the section where the pipe is excavated. The vertical displacement of the pile (the direction of the pile axis) is negative, and the closer distance to pipe jacking leads to greater influence, with the settlement value of the pile top smaller than that of the pile end. Without reinforcement measures, the maximum lateral horizontal displacement of the pile is 9.41 mm, which meets the requirements, but the maximum longitudinal horizontal displacement is 14.76 mm and the maximum vertical settlement is 13.03 mm, both of which are beyond the allowable value range. After taking the sleeve valve pipe grouting reinforcement measures, the maximum longitudinal displacement of the pile is 8.98 mm, the maximum lateral displacement is 5.64 mm, and the maximum vertical displacement is 8.86 mm, all of which meet the control requirements. The reinforcement achieves a remarkable effect, enabling the smooth side crossing of super-large diameter double circular pipes beneath the dense building areas.

Graphical abstract

0 引言

近年来，中国交通压力日趋严峻^［1-2］，顶管工程因可避免地表开挖、对周边既有建筑扰动较小等优势，在城市复杂区域的管廊施工中得到广泛应用。然而，顶管施工会引起周边土体扰动，易导致临近桩基承载能力降低，甚至威胁人民生命财产安全^［3-6］。特别是在穿越密集建筑群的场景中，施工工况复杂，需穿越众多管线、桩基及周边建筑物，其基础稳定性仍亟待验证，因此成为当前研究的热点问题^［7-9］。

众多学者采用理论分析结合数值模拟的方法，针对实际工程中顶管下穿或侧穿桩基开展研究与探讨，并对桩基变形规律及施工经验进行分析总结。袁京鹏等^［10］分析了邻近既有桩基受超大直径顶管施工的力学性能影响，针对不同埋深、间距等因素展开研究；李永运等^［11］以无锡市地铁口为例，探讨不同顶管顶力、顶距等条件下邻近桩基的变形特征；申洋等^［12］以南京市轨道交通7号线下穿高架桥桩基工程为例，从顶管产生附加荷载作用于桩基的角度出发，运用梅德林解推导出由顶管顶推力、土体摩擦力等多种因素作用于桩基所引起的附加荷载分布规律；王剑锋等^［13］以白龙港南线输送干线过江管工程为例，通过数值模拟分析了顶管施工过程中地层及桩基础变形受注浆模量、机头支护压力、摩阻力影响的变化规律，并对软土地区复杂环境顶管施工参数对周边环境的敏感性进行总结；郭伟等^［14］以某地下电缆隧道下穿高架桥桩为例，对沉井和顶管施工引发周围土体与桩基受力、变形程度展开研究；林国新等^［15］以福州市某电力顶管近距离穿越桥桩为例，通过有限元软件模拟顶管施工过程，计算顶管施工导致的桩基复杂荷载，研究顶管开挖对桩基影响较小的区域；邓小钊^［16］以湖南岳阳某并行双顶管下穿高速公路桥梁桩基为例，对顶管施工诱发的土体及桩基变形进行分析和评价；徐涛等^［17］以顶管下穿武汉轨道交通21号线高架项目为例，通过数值模拟对高架桥桩基内力和桩基变形进行分析，研究顶管施工对轨道交通高架桥桩可能产生的影响，并提出了相应保护措施。综上可知，目前学者对顶管近距离穿越桩基的研究较多，但针对超大直径双圆顶管施工侧穿建筑物群桩基础的研究较少。群桩体系中，桩基受到相邻桩基变形产生的应力及周围土体的荷载，其变形规律与单桩工况存在显著差异，相关机理仍需深入探究。

鉴于此，本文以深圳市石岩南2^#顶管工程侧穿密集建筑区为依托，采用Midas GTS NX有限元软件进行数值模拟，分析超大直径双圆并行顶管施工引起邻近建筑物桩体纵向、横向和竖向位移变化规律，结合现场监测结果总结桩体位移特征，提出针对性加固保护措施并验证其效果，以确保群桩基础安全施工，为类似工程提供参考。

1 工程概况

深圳市铁岗‒石岩水库水质保障工程（三期）2^#顶管段全长397 m，管道直径4 m，管节间距2 m，中心埋深约8 m；下穿段地层自上而下主要有砾质黏土、残积土、全风化花岗岩。顶管始于宏发科技园E栋厂房，向西南方向推进，近距离穿越森海诺市场、塘头大道、塘头又一村，邻近穿越N14高压铁塔，止于盛世华庭门口。此段埋深浅、管线众多，且近距离穿越密集建筑区，对顶管施工技术及沉降控制要求极高。其中，宏发科技园E栋厂房部分楼板板底和填充墙已出现裂缝，且右线顶管与宏发科技园厂房群桩基础最小净距仅5 m。图1为施工现场图，图2为2^#顶管侧穿工程平面图和横断面示意图。

2 顶管开挖条件下既有群桩遮拦效应

为防止顶管侧穿施工对建筑房屋结构安全产生不利影响，保证顶管施工后厂房安全稳定，针对超大直径双圆顶管并行侧穿密集建筑区工况，需对顶管开挖条件下宏发科技园E栋厂房群桩基础开展研究。桩‒土相互作用的宏观表现即为群桩遮拦效应^［18］，既可以理解为土体位移受到限制，也可以理解为同位置的单桩桩体变形及内力水平高于群桩。桩体水平位移、桩顶沉降、桩身弯矩和对应的群桩遮拦效应系数分别为{\eta }_{\mathrm{D}}、{\eta }_{\mathrm{s}}、{\eta }_{\mathrm{M}}、{\eta }_{\mathrm{N}}，计算公式如下：

{\eta }_{\mathrm{D}}=\frac{U_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-U_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{\text{'}}}{U_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

{\eta }_{\mathrm{s}}=\frac{W_{\mathrm{t}}-W_{\mathrm{t}}\mathrm{\text{'}}}{W_{\mathrm{t}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（2）

{\eta }_{\mathrm{M}}=\frac{M_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-M_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{\text{'}}}{M_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（3）

{\eta }_{\mathrm{N}}=\frac{P_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-P_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{\text{'}}}{P_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（4）

式中：W_{\mathrm{t}}、W_{\mathrm{t}}\mathrm{\text{'}}分别为相同位置处单桩和群桩中心桩基的桩顶沉降；P_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为因顶管开挖导致的单桩桩体最大轴力；U_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为最大水平位移；M_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为最大弯矩；P_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{\text{'}}为群桩同位置处桩体最大轴力；U_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{\text{'}}为最大水平位移；M_{\mathrm{t}\cdot \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{\text{'}}为最大弯矩。

根据上述公式，从应力释放率、桩间距及不同桩长3个因素^［19］出发，对群桩遮拦效应开展影响分析。结果表明：桩体轴力和弯矩受顶管开挖影响最大，沉降和水平位移受到的影响相对较小。这说明，在顶管开挖条件下群桩轴力与弯矩的响应明显小于同位置单桩，而群桩和单桩的水平位移与沉降差异较小。因此，实际施工中，需要结合桩体沉降与水平变形协同控制，加强既有群桩的变形管控，避免桩体发生损伤。

3 模型建立与工况

3.1 模型建立

根据顶管和厂房的空间位置关系，采用Midas GTS NX软件建立了双圆顶管侧穿宏发科技园群桩基础的三维数值有限元模型，该模型如图3所示。

根据圣维南原理，计算边界应当取开挖管径的3~5倍，可适当增大模型尺寸以消除边界效应的影响。因此，本模型整体x方向取80 m，沿顶管开挖的y方向取16节顶管长度即96 m，z方向由地表向下取60 m。顶管直径4 m，中心埋深8 m，间距2 m，厂房群桩基础灌注桩桩身直径1 m，桩长14 m，该模型上表面为自由边界，下表面设置为固定边界，并在模型四周设置法向位移约束，群桩基础施加转动约束。地层、注浆加固区采用Mohr-Coulomb本构关系，顶管、承台采用弹性结构模型。其中，土体、袖阀管注浆加固区域和承台采用3D实体单元模拟，顶管管片等定义为弹性材料，采用2D板单元模拟，群桩基础采用1D梁单元模拟。地层、群桩基础、承台、管片和注浆结构等材料的物理力学参数见表1。

3.2 分析工况设置

影响顶管开挖的因素众多，开展数值模拟时需对施工模型进行合理简化。模拟顶管开挖时，采用如下处理方式：钝化待开挖土体单元，以此贴合实际施工工况，保障土体稳定性；模型将顶管顶进所受千斤顶推力简化为施加在管片横截面上的均布荷载；掘进力简化为刀盘对开挖面施加荷载进行模拟；管片注浆压力近似取顶管周围静水压力，简化为作用在管片表面400 kN/m²的法向均布荷载。多层工业厂房荷载按每层14 kPa递增，宏发科技园5层厂房等效为70 kPa的均布荷载，施加于群桩基础承台顶面。

本次数值模拟共设置了16个施工阶段，顶管每顶进6 m为一个施工步。各施工阶段划分如下：① 初始地应力平衡阶段，改变加固前承台与土体参数，激活边界条件和自重荷载，计算土体初始应力场，并将土体位移清零；② 激活桩基、桩界面和桩端单元，改变承台区域土体参数，在承台顶面施加建筑物荷载；③ 在顶管施工中只考虑桩基施工的应力场，对地层位移清零；④ 顶管施工时先左线再右线依次施工，通过分别钝化、激活相应土体单元模拟顶管施工全过程。

宏发科技园厂房桩基数量较多，为便于描述，根据三维数值模型中桩基础受顶管动态顶进的响应规律，以及桩基之间的相对空间位置，对群桩进行编号。按顶管轴线垂直方向群桩为排，顶进方向群桩为列，共分为9排5列，具体编号如图4所示。

4 计算结果分析

4.1 桩体纵向位移

以距离顶管开挖区域最近的第1排及第1列桩为分析对象，取沿顶管开挖方向作为桩体位移的正方向（图3中y方向），与顶管轴线方向平行作为纵向。第1排和第1列桩体纵向水平位移如图5、图6所示。

由图5可知：① 由于顶管埋深距桩端较近，顶管开挖所处地层对桩端扰动更大，导致桩端变形大于桩顶变形。1-1、1-2距离顶管较近，纵向位移变化明显，均为正值，表明都向着顶管开挖方向变形，曲线呈开口向左U形，且在顶管中心轴线所处深度区域位移达到极值，这是由于桩顶受承台约束，桩端受地层嵌固作用，沿顶管掘进方向位移较小，呈现“中间大，两端小”的趋势。随桩体与顶管距离增大，纵向位移逐渐变小，1-3、1-4纵向位移变化较小，1-5距离顶管最远，纵向位移基本未发生变化；② 同一排桩体位移规律相似，左线顶管开挖完成时位移极值为6.43 mm，顶管全部开挖完成时位移极值为8.56 mm，整体增长不显著，左线顶管开挖位移极值占全部开挖完成后位移极值的75%，且随着桩体与顶管之间距离不断增大，该比值逐渐减小。此外，桩体位移在x方向上距顶管轴线2倍管径范围内影响最大，z方向上顶管开挖所在区域影响最大，均随与顶管中心轴线距离的增大而变小。

由图6可知：与顶管轴线平行的桩体位移值显著大于与顶管轴线垂直的位移，且随顶管持续顶进桩体最终位移值不断增大，这是因为开挖面前方土体受到千斤顶推力挤压，对邻近桩基位移产生影响，因此桩基位移以沿顶管顶进方向的水平位移为主。由于受到顶管开挖产生的注浆压力使地层发生变形，与轴线平行的桩体纵向高位移区主要分布在顶管拱顶上方1.5倍管径范围内，从1-1桩体至9-1桩体，桩体位移极值逐渐向上移动。顶管顶进1-1桩附近时，周边土体发生应力释放，该桩体随之产生位移。随着顶管继续推进，作用于9-1等桩体时，新产生的应力与前期释放的应力形成叠加效应。土体应力传播存在固有规律，随着顶管推进距离增加，浅层土体的应力叠加更为明显，使得桩体位移最大值位置逐渐上移。桩体距顶管始发处越远，受影响时间越长，位移极值越大，最终位移值大于靠近顶管始发处的桩体。

4.2 桩体横向位移

垂直于顶管开挖方向的水平方向为横向，如图3中x方向所示为桩体位移正方向，桩体向顶管方向靠近为负值，第1排和第1列桩体横向水平位移如图7、图8所示。

由图7可知：1-3、1-4和1-5距离顶管较远，横向位移基本未发生变化。距离顶管较近的1-1和1-2桩体横向水平位移在左、右线开挖完成时均呈“S”形。处于较深地层处的桩体横向位移比较浅地层处大，且位移极值出现在顶管开挖所处区间。

由图8可知：第1列桩体位移均呈现“S”形，且顶管开挖最先经过的桩体1-1位移累计值最大，位移极值也处于顶管开挖区域。桩体埋深4 m以上主要为负值，即向顶管方向靠近，4 m以下主要为正值，即远离顶管方向。顶管开挖主要影响4 m以下桩体横向位移，在此埋深范围内，左、右线分别开挖完成时数值相差较大，双线开挖完成时横向位移值约为左线开挖完成时位移值的3倍，说明埋深较深位置处桩体横向位移值受顶管开挖影响较大。通过对比图7、图8可知：距离顶管中心轴线较近的桩体横向位移主要是整体偏移。

4.3 桩体竖向位移

桩体竖向变形直接关系到承台及整体建筑物的稳定性，以桩体轴线所在方向为竖向（图3中z方向），向上为正值。为研究不同位置桩体沉降规律，选取图4中距离顶管最近的第1列1-1~9-1及最远的第5列1-5~9-5桩体作为典型，分析群桩竖向变形。目标桩体左、右顶管全部开挖完成时桩体竖向变形如图9所示。

由图9可知：桩体竖向位移变化规律基本一致。距顶管远的第5列桩体竖向沉降显著小于距顶管近的第1列桩体，说明桩基与顶管间距越小，受施工扰动的影响越大，6-1桩体竖向沉降值最大，为13.03 mm。这是因为6-1桩体处于顶管轴线周边土体应力集中区域，土体产生的竖向变形带动桩体产生较大竖向位移。无论距离顶管远近，桩顶沉降均小于桩端，这是因为桩‒土相互作用造成土体凸起，土体相对于桩体产生向上位移。

4.4 结果讨论

通过对宏发科技园厂房群桩基础变形规律研究表明：顶管开挖对建筑物桩体水平方向位移的影响较小。这是因为顶管开挖以诱发土体剪切变形为主。结合《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）^［20］的相关规定与工程实际要求，将10 mm作为本工程沉降变形和水平位移允许值。根据《建筑地基基础设计规范》（DBJ 15-31—2016）^［21］可知，在框架结构中，取0.002L作为相邻桩基沉降差的允许值，其中L为相邻桩基的中心距离，因此该厂房每排与每列相邻桩基沉降差允许值分别为13.0 mm、12.5 mm。

综上所述，未采取加固措施时，左、右顶管开挖完成后的相邻桩基沉降差均小于5 mm，满足允许值要求，但桩体最大横向水平位移为9.41 mm，可变形余量较小，最大纵向水平位移为14.76 mm，最大竖向沉降为13.03 mm，均超出规范允许值范围，不满足控制要求。因此，需对群桩基础采取加固措施，以保证施工安全。

5 加固方案及控制效果

5.1 注浆加固方案

结合顶管和群桩基础的空间位置关系，采用袖阀管注浆加固保护方案。顶管施工前在地面埋设双排Φ50 mm袖阀管，袖阀管注浆孔间距1 m，排距0.6 m，加固深度为地表以下2 m至顶管结构底部。水泥采用42.5 MPa普通硅酸盐水泥，注浆压力为0.3~0.5 MPa，该模型忽略注浆过程及浆液的扩散行为，通过修改注浆区域围岩的力学参数来等效地表预注浆的加固效果；采用Mohr-Coulomb本构关系，以3D实体单元等效表征袖阀管注浆加固体，注浆加固后三维有限元模型如图10所示。

5.2 变形情况模拟结果

为验证袖阀管注浆加固方案的有效性，参照桩体水平位移与沉降控制标准，针对左、右线顶管穿越群桩基础工况，对距顶管最近的第1排和第1列桩体开展有无加固措施的对比变形分析，计算结果如图11所示。

由图11可知：采用袖阀管注浆加固措施后，桩体纵向位移最大为8.98 mm，位于桩体9-1埋深2~3 m处，比未加固时减少了39.2%。横向位移最大为5.64 mm，位于桩体1-1顶管开挖区域埋深处，比未加固时减少了40.1%。竖向位移最大为8.86 mm，位于桩体6-1桩端处，比未加固时减少了32.0%，相邻桩体最大沉降差为0.90 mm。该工况下桩体变形满足10 mm的变形控制要求，均在警戒值内，存在一定变形安全余量。袖阀管注浆加固效果明显，工程处于安全可控状态。

6 现场实施

6.1 监测方案

针对深圳市石岩南线2^#顶管侧穿宏发科技园E栋厂房工程，本研究于该建筑群桩基础第1列的9个桩基腿部位置布设9个沉降监测基准点（J38-1~J38-9），监测工作从施工前一周开始至施工结束后至少一周，直至数据趋于稳定后结束，测点具体布设如图12所示。

6.2 监测结果分析

图13为土体采取袖阀管加固措施且顶管全部顶进后的现场监测与数值模拟结果。

从图13可以看出：① 两者相差较小，基本吻合，说明模拟结果合理，可供工程参考；② 土体采用袖阀管注浆加固处理后，现场监测结果显示，桩体最大沉降值为9.04 mm，在规范容许值范围内。宏发科技园厂房群桩基础在超大直径双圆顶管侧穿过程中稳定，整体安全可控。

6.3 注浆加固效果

该工程先顶进左线顶管，再顶进右线顶管，于2023年8月9日左、右线顶管全部顶进完成。结果表明，袖阀管注浆加固有效控制了顶管开挖过程中对宏发科技园厂房群桩基础的扰动，且对桩体纵向、横向及沉降加固效果明显，上部结构未出现因基础不均匀沉降产生新的裂缝和滑移。

图14为厂房已有裂缝示意图。从图14可以看出：楼板板底、填充墙裂缝宽度及长度并未增加，有效保护了既有建筑物，使超大直径双圆顶管成功侧穿密集建筑区域。

7 结论

（1） 桩体距顶管中心轴线越近，位移越大，其中纵向位移在距顶管中心轴线2倍管径范围内及距桩体埋深1.5倍管径范围内受扰动影响最大，位移沿桩身呈“中间大、两端小”的U形分布特征。

（2） 受影响较大桩体横向位移在左、右线开挖完成时均呈“S”形分布，桩体埋深在4 m以上位移主要为负值，4 m以下位移主要为正值，位移极值出现在顶管开挖所处区间。

（3） 桩体竖向位移均为负值，位移随桩体埋深增大而增大，且无论距离顶管远近，桩顶沉降值均小于桩端沉降值。

（4） 未采取加固措施时，桩体横向位移可变形余量较小，纵向、竖向位移最大值均超出允许值范围。采用袖阀管注浆加固措施后，桩体纵向位移最大为8.98 mm，比未加固时减少了39.2%，横向位移最大为5.64 mm，比未加固时减少了40.1%，竖向位移最大为8.86 mm，比未加固时减少了32.0%。

（5） 双圆顶管侧穿宏发科技园厂房群桩基础并采用袖阀管注浆加固后，现场监测结果显示，桩体最大沉降值为9.04 mm，与数值模拟结果吻合良好，且满足变形控制要求，整体施工安全可控，有效保护了既有建筑物，顺利实现了超大直径双圆顶管在密集建筑区域的侧穿施工。

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