隧道近接施工對既有樁基影響的研究進展

熊 剛，黃思勇，項敬輝

(天津市市政工程設計研究院 濱海分院，天津 300051)

隨著經濟和社會的快速發展，城市用地緊張的問題逐漸突顯，使軌道交通等地下空間的開發利用應運而生。地下空間開發所帶來的環境問題近年來受到廣泛關注，其中隧道穿越既有建筑和橋梁基礎的問題尤其突出［1-2］。隧道“近接施工”會引起周圍地層的變形，從而引起隧道頂部或臨近樁基的附加變形和內力，并可能降低其承載能力［1-3］。科學地預測和評估近接施工引起的樁基附加變形和內力變化，有利于保障既有結構的安全［1-3］。

隧道近接施工影響的預測與控制，已經成為學術界和工程界普遍關心的課題。王成等［1］研究了隧道近接施工樁基的安全系數，總結了安全系數的變化規律。黃茂松等［2］在 Chen和 Loganathan等人研究的基礎上，提出了近接施工影響分析的二階段解析法，并被王鑫和劉小兵［4］用于確定不同地層條件下的樁隧臨界距離。楊超［5］，何川［6-7］，楊永平［8］和楊曉杰［9］等通過三維數值分析方法研究了深圳地鐵一號線、廣州地鐵二號線和上海地鐵11號線等隧道近接施工對既有結構基礎的影響。

本文將總結國內外近接施工影響的研究進展和研究成果，并分析目前研究的局限性，提出今后的研究需重點關注的問題。

1 主要研究方法

目前主要的研究方法有經驗判斷法、理論解析法、數值分析法以及模型試驗法［1-2］等幾種。

1.1 經驗判斷法

經驗判斷法主要根據本地區工程經驗，在相同地層環境及相似的穿越凈距情況下，對同類工程近接施工影響做出一個基本判斷。經驗法簡單，但存在一定的局限性，只有在特定的條件下使用，其結果才有參考價值。

1.2 二階段理論解析法

近接施工影響的計算分析方法，主要有二階段分析法和整體數值分析法兩大類［2-4］。其中二階段分析法的本質為理論解析法，即把隧道施工對樁基的影響分為兩個階段來分析:第一階段分析隧道施工引起的樁周土體變形;第二階段將樁周土的變形施加到樁上，分析樁的變形及內力變化。

根據同濟大學黃茂松［2］等人的研究，第一階段首先采用Loganathan等(1998)提出的解析公式估算隧道開挖引起的土體自由位移場，并用三次曲線進行擬合。采用等效平均地層損失比ε0來衡量隧道斷面形狀的改變［4-5］，地層損失比是隧道半徑和隧道半徑縮減間隙系數的函數。

第二階段分析是基于Winkler地基模型，假定樁與土之間保持彈性接觸而不發生滑移，用連續分布的彈簧來模擬樁土之間的相互作用。根據豎向深度處樁身位移與樁側土位移相等原則，可得到土體豎向沉降對樁身位移影響的沉降控制方程，從而建立樁在被動位移下的荷載傳遞方程，計算單樁由于隧道開挖引起的位移和內力。對于群樁基礎，尚需考慮群樁基礎的遮攔效應。

二階段解析法概念明確，易于接受。當穿越地層較為簡單，無特殊地質狀況時，可用該方法估算近接施工對既有樁基變形和內力的影響。這種方法的不足之處在于不能考慮土體的非線性，并且當地層損失比較大時，土體位移擬合誤差較大［2］。

1.3 整體數值分析法

盡管二階段解析法易接受，但是整體數值計算方法能夠模擬隧道的實際施工過程［5］，考慮樁—土相互作用和被動群樁中樁—樁相互影響，以及土體各向異性和復雜的邊界條件［2］。隨著數值計算方法的發展和各種商業軟件的開發與普及應用，數值計算越來越多地應用于設計和研究中。常用軟件有 Ansys、Abaqus［12］、Midas/GTS、Flac 及 Plaxis。其中 Ansys［7］和Abaqus是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件，Midas/GTS、Flac及 Plaxis是巖土與隧道領域專用分析軟件。

三維模型計算既能準確反映樁、隧之間的復雜位置關系，也可以考慮地層分布情況和土體的非線性特征。對于上部結構受力較為復雜的情況，三維模型還可以考慮各個方向的彎剪扭等結構荷載。

1.4 模型試驗法

由于巖土問題的復雜性和實際條件的限制，現階段開展大型的試驗研究困難較大。目前室內離心機模型試驗已經開始用于模擬隧道施工。西南交通大學的仇文革［10-11］等人通過離心模型試驗模擬雙孔盾構隧道近接施工，研究了襯砌結構橫向內力的量值、分布規律以及隨盾構推進距離和兩隧道相對位置的變化規律［10］。通過定量控制隧道外套的水囊注放水的方式模擬盾構隧道的地層損失，研究了橫斷面地表沉降的量值、分布規律以及隨盾構推進距離的變化規律，并提出了相應防護措施［11］。目前國內尚無離心機試驗直接用于模擬隧道近接施工對樁基影響研究的報道。但是已有的室內離心模型試驗的順利開展，為隧道近接施工試驗研究提供了一種新的研究手段。

2 近接施工影響研究

2.1 穿越特點分析

隨著城市軌道交通事業飛速發展，近年來各地出現了大量的隧道近接施工問題，如上海地鐵11號線穿越上海交大海洋工程重點實驗室大樓［8］，成都地鐵一號線穿越機場高速立交橋，還有天津地鐵三號線穿越鐵東路立交橋等。上述近接施工案例具有以下3個特點:

1)被穿越結構形式復雜多樣。如廣州地鐵二號線穿越新南方購物中心下部樁基［8］;成都地鐵一號線下穿某短樁基—框架結構［3］;天津地鐵三號線下穿某立交橋。既有樁基底部穿越，也有樁基側向穿越。下部基礎既有單樁基礎，也有群樁基礎，甚至是超大群樁基礎。

2)近期的工程與過去相比，不僅隧道工程規模大，而且與既有地下結構的距離更小［8-12］。如深圳地鐵一期工程天虹—崗廈區間隧道與民房樁基近接距離僅為 0.31 m［7］。

3)近距離穿越的隧道既有直徑6 m左右的單孔單線隧道，也出現了單孔雙線隧道這樣的大直徑隧道近距離穿越既有建筑的新情況。

2.2 影響因素分析

隧道近接施工對既有樁基礎的影響，主要受以下因素制約:

1)樁隧間距，包括樁基與隧道的豎向位置關系和水平位置關系。值得注意的是，并非相對較近的工程可以安全穿越，就以此推斷凈距稍遠一些的工程也可以安全穿越。

2)被穿越構筑物的上部荷載和下部基礎的布置形式。根據黃茂松等人的研究［2］，由于群樁的遮攔效應，單樁受到的影響大于群樁基礎。

3)隧道結構的設計參數，如襯砌管片的剛度和環寬、隧道掘進過程中的出土速度、注漿量和注漿壓力的控制等因素。這些因素直接影響著圍巖荷載在各階段的釋放比例和速率。

2.3 今后需重點關注的問題

1)計算方法的取舍。對于隧道穿越地層情況比較復雜，土體非線性特征明顯以及既有構筑物樁基分布特殊等情況，解析法和平面有限元法均不能準確反映近接施工的影響，采用三維數值計算，可以更準確地掌握施工的影響情況。

2)土體屈服準則和本構模型的確定。建模時土體本構模型的選擇對結果的影響較大，現階段分析多數采用Mohr-Coulomb模型［1-5］。不同的地質條件應選用不同的土體屈服準則。如劍橋本構模型可以更為準確地模擬北方地區的軟土地質條件。

3)數值計算時，不同的本構模型，所需要的土體參數是不一樣的。如M-C模型需要輸入土層的黏聚力和摩擦角，而修正劍橋模型則需要輸入固結指數、固結比、回彈指數等參數。

4)施工工況的模擬。盾構施工過程中，襯砌剛度的折減程度、土壓力的分步釋放系數［12］、頂進壓力的取值大小、注漿壓力與注漿量的控制均在不同程度上影響著模擬分析的結果。

5)開展反分析。將施工監測的結果與理論分析的結果進行對比分析和反分析，可以進一步修正和完善計算方法和計算理論。隨著檢測手段和方法的進步，現場施工監測和試驗研究將變得越來越便利，這也有利于開展反分析研究。

6)運營階段影響分析。目前極少對隧道運營階段對樁基的影響展開研究。當隧道與周邊建筑結構距離較近時，其運營階段對鄰近結構的安全影響也應成為關注的重點。

7)大直徑盾構隧道已逐步在國內應用，如上海長江隧道盾構直徑為15 m;天津地下直徑線隧道盾構直徑為11.6 m。目前對于大直徑盾構隧道近接施工影響的研究還比較少，值得今后重點關注。

8)評估隧道近接施工對既有建筑的安全影響。現有的大部分研究集中在研究隧道近接施工對既有樁基的影響上。實際上不同的上部結構，其樁基礎所能容許的變形能力和內力變化值是有一定區別的，有必要根據樁基的變形值，評估基礎變形對樁基所服務的上部結構的安全影響。

3 結語

1)本文總結了隧道近接施工對既有樁基影響的四種研究方法，指出了每種研究方法有其自身的適用條件。隨著近接穿越的復雜性和特殊性，三維數值計算將成為主要的研究方法。

2)通過總結國內部分隧道近接施工實例，可以看出隧道近接施工呈現凈距越來越小，所穿越構筑物形式多樣以及地層條件越來越復雜的趨勢。

3)通過實測在建和已建的工程的參數，來修正計算模式和參數選擇，有利于促進設計和分析理論的發展和進步。

［1］王成，徐浩，鄭穎人.隧道近接樁基的安全系數研究［J］.巖土力學，2010，31(增 2):260-264.

［2］李早，黃茂松.隧道開挖對群樁豎向位移和內力的影響分析［J］.巖土工程學報，2007，29(3):398-402.

［3］羅冠男，周順華，王春凱，等.盾構隧道施工對短樁基-框架結構的影響［J］.中國鐵道科學，2009，30(4):51-57.

［4］王馨，劉小兵.地鐵隧道開挖對鄰近橋樁影響的二階段分析［J］.鐵道建筑，2008(11):27-31.

［5］楊超，黃茂松，劉明萌.隧道施工對鄰近樁基影響的三維數值分析［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(增 1):2601-2607.

［6］張志強，何川.深圳地鐵隧道鄰接樁基施工力學行為研究［J］.巖土工程學報，2003，25(2):204-207.

［7］張志強，何川.地鐵盾構隧道近接樁基的施工力學行為研究［J］.鐵道學報，2003，25(1):92-95.

［8］楊永平，周順華，莊麗.軟土地區地鐵盾構區間隧道近接樁基數值分析［J］.地下空間與工程學報，2006，2(4):561-565.

［9］楊曉杰，鄧飛皇，聶雯，等.地鐵隧道近距穿越施工對樁基承載力的影響研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(6):1290-1295.

［10］凌昊，仇文革，孫兵，等.雙孔盾構隧道近接施工離心模型試驗研究［J］.巖土力學，2010，31(9):2849-2843.

［11］孫兵，仇文革.雙孔盾構隧道地表位移離心機模型試驗研究［J］.鐵道建筑，2010(2):38-41.

［12］劉楓，年延凱，楊慶，等.隧道開挖對鄰近樁基工作性能的影響研究［J］.巖土力學，2008，28(增):615-620.