地鐵隧道盾構施工對樁箱建筑物影響研究

李方明,陳國興

(1.中國地震局工程力學研究所,哈爾濱 150080； 2.南京工業大學巖土工程研究所,南京 210009)

在城市地鐵建設中經常會出現地鐵隧道下穿建筑物的情況，當隧道盾構法施工下穿建筑物時，不可避免地會擾動周邊的土體，周邊土體的擾動會引起基樁及上部結構的附加內力變形，從而影響結構的正常使用。隧道開挖對既有鄰近基樁及其上部結構沉降位移、應力狀態的影響，是設計和施工時應考慮的主要控制因素，也是當前城市地下空間開發中的熱點問題。

目前地鐵隧道盾構施工對建筑物的影響研究主要集中在對基樁和淺基礎的影響研究，而對于樁箱基礎建筑物的影響研究則較少。箱形基礎作為補償性基礎，基樁、箱形基礎和土三者共同作用調節變形，受力較為復雜，隧道、地基和建筑物是相互作用、相互制約的。進行隧道、地基和建筑物的共同作用分析，所要考慮的影響因素很多，且三者的材料特性不同，將眾多的因素合成一個整體進行研究，難以建立統一的受力和變形計算方程，很難從理論上建立此問題的計算公式，一般采取模型試驗[1-4]和數值模擬方法[5-12]進行此類問題的研究。解析法很難考慮眾多因素的影響，其計算結果只能作為參考。Motorn[1]采用模型試驗研究了盾構開挖對樁基礎變形的影響；Loganathan[2]利用離心模型試驗研究了隧道開挖引起的土體變形對樁基的影響；Jacobsz[3]利用離心模型試驗方法研究了隧道在密實干砂中施工對鄰近單樁的影響；Ong等[4]利用離心模型試驗研究了隧道施工時隧道結構和樁基的相互作用影響；Mroueh[5]采用數值方法模擬了隧道開挖對上部建筑結構的影響；Lee[6]采用三維有限元模擬研究了隧道施工中隧道結構與樁基相互作用影響；朱逢斌[7-8]通過數值模擬對Ong的離心模型試驗進行仿真和驗證；Gordon[9]采用數值方法研究了敞開式隧道開挖面掘進速度對周邊樁基的影響；方勇[10]采用數值模擬研究了隧道動態掘進時，掘進參數變化對鄰近樁基變形的影響；羅文林[11]針對數值模型中計算參數的研究，分析了隧道施工對鄰近樁基變形和內力的影響；王炳軍[12]采用數值模擬研究了隧道與樁基不同距離對樁身受力和變形的影響；木林隆[13]采用兩階段法對層狀地基中樁筏基礎承載特性進行了分析，討論了樁基變形對遮攔效應的削減作用；吳勇華[14]利用ABAQUS建立剪力墻與樁筏基礎和地基共同作用的三維有限元數值模型，研究了跨越地鐵隧道的樁筏基礎受力和變形性狀；謝新宇[15]利用ABAQUS建立三維有限元數值模型，研究地鐵隧道穿越建筑物基礎時對樁筏基礎變形和內力的影響；吳翔天[16]采用模型試驗，根據隧道埋深的不同，選取不同的加載模塊以模擬隧道開挖引起的土體水平和豎向位移模式。

前述學者雖然對隧道施工引起的樁基變化進行了大量深入研究，但都集中在隧道施工對單樁或對有承臺的多樁的影響研究，沒有考慮隧道、土、樁、箱形基礎和上部結構之間的相互作用及復雜的邊界條件，因此有必要建立考慮多因素共同作用的計算模型來模擬仿真隧道施工對建筑物的影響。本文以雙線盾構隧道下穿樁箱基礎建筑物為研究對象，利用ABAQUS有限元軟件，建立隧道盾構下穿樁箱建筑物二維數值計算模型，通過數值模擬計算分析，探討了隧道盾構施工對臨近基樁及箱形基礎底板附加內力變形的影響規律，為優化設計施工參數提供依據。

1 工程概況

南京地鐵某區間隧道下穿待建建筑物，該建筑物先于地鐵隧道建成，該建筑物為區間隧道預留了可穿越條件，隧道與建筑物平面位置關系見圖1。該待建建筑物為框架剪力墻結構，設一層地下室，地下室箱形基礎埋深為6.30 m，樁基采用預應力混凝土管樁，樁徑為0.50 m，設計有效樁長27.0 m，為摩擦樁，靠近隧道的3排樁基采用鉆孔灌注樁。待建地鐵隧道為平行雙線盾構，外徑為6.20 m，內徑為5.50 m，隧道左右兩線的軸線間距為12.08 m。隧道頂距待建建筑物地下室基礎底板底的最小凈距約為9.20 m，隧道與建筑物剖面位置關系見圖2。隧道采用預制拼裝式單層圓形管片襯砌，襯砌管片內徑為5.50 m，壁厚為0.35 m，寬度為1.20 m，混凝土強度等級為C50，抗滲等級為P10，分6塊錯縫拼裝，采用螺栓連接。盾構機采用具備切割基樁并具可靠穿越能力的加泥式土壓平衡盾構機，先施工左線隧道，再施工右線隧道。

圖1 隧道與建筑物基礎平面關系

從圖1和圖2可以看出，隧道邊緣距最近的鉆孔灌注樁距離2.20 m，隧道盾構施工將對已建成基樁及上部結構產生影響。本文在已知隧道埋深h=9.20 m不變的條件下，通過變化隧道附近的鉆孔灌注樁長度、樁徑及隧道盾構施工土體損失率，探討箱形基礎底板及基樁變形、內力變化規律。

圖2 隧道下穿建筑物剖面(單位：m)

2 有限元模型及計算參數

2.1 計算區域及邊界條件

采用有限元ABAQUS建立隧道、土、樁、地下室及上部結構的有限元分析模型，模擬隧道盾構開挖對基樁、箱形基礎地下室底板附加內力位移的影響。由于隧道下穿建筑物為進深方向，因此可把該問題簡化為二維平面計算分析模型。選取計算區域為：計算深度70.0 m，頂部取至地表面，底部取至中風化砂質泥巖，滿足設計深度計算要求；計算寬度取230.0 m，約為隧道埋深的13倍以上，滿足盾構隧道施工影響區的要求，模型計算厚度取為1.0 m。模型兩邊邊界為法向約束，豎向自由，底面全約束(法向、切向均約束)。

2.2 計算參數

根據巖土工程勘察報告，盾構穿越區域地層分布如圖2所示，盾構隧道埋藏在②-2b4淤泥質粉質黏土層中，各土層的物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

鉆孔灌注樁、承臺、底板及上部結構均采用C30混凝土，彈性模量E=30 MPa，泊松比為0.2。預應力混凝土管樁采用C50混凝土，彈性模量E=50 MPa，泊松比為0.2。管片襯砌采用C50混凝土，考慮到襯砌間連接方式導致襯砌變形不連續，將襯砌混凝土的彈性模量進行折減，取襯砌的彈性模量E=40.0 MPa，泊松比為0.2。

2.3 有限元計算模型

數值分析計算模型采用二維平面有限元分析，土體采用Mohr-Coulomb模型(MC)本構關系，土體單元采用平面四節點平面應變單元CPE4。鉆孔灌注樁、管樁、地下室、上部結構和隧道襯砌采用實體單元模擬，地下室和隧道襯砌采用平面4節點實體單元CPE4I。土體與基樁接觸面采用面與面接觸的指令contact Pair進行分析，接觸面無厚度，小滑移，采用Mohr-Coulumb friction摩擦模型，摩擦系數為0.3，應用罰函數運算法則。隧道襯砌結構、地下室與土的接觸面采用面與面接觸的指令Tie進行分析。

根據隧道盾構實際施工工況，并基于有限元分析收斂要求，采用8個分析步模擬整個開挖過程。首先是初始地應力平衡過程，此步中除掉原始土體之外的所有單元以及相應接觸；第二步激活基樁、地下室、上部結構單元及其所有接觸關系，移除地下室土體單元，并對上部結構施加體力至工作荷載(結構自重25 kN/m3+樓面活荷載2.5 kN/m2)；第三步對先行開挖的左線隧道內的土體進行軟化；第四步激活左線隧道管片襯砌及其接觸關系；第五步移除左線隧道內土體；第六步對后開挖的右線隧道內的土體進行軟化；第七步激活右線隧道管片襯砌及其接觸關系；第八步移除右線隧道內土體。

3 有限元計算結果及分析

3.1 不同樁長的影響

圖3為鉆孔灌注樁樁長為37 m時，隧道開挖結束后整體模型豎向變形位移云圖，圖4為隧道附近3排鉆孔灌注樁采用不同樁長時的基礎底板豎向附加位移曲線，圖5為不同樁長時基礎底板附加彎矩圖。從圖4可以看出，當隧道埋深、樁徑和土體損失率一定時，隨鉆孔灌注樁樁長增加，底板豎向附加變形逐漸減小，在隧道中心處底板附加變形最大，右線隧道中心處底板附加變形大于左線隧道中心處，樁頂處底板附加位移出現極小值。從圖5可以看出，隧道開挖加大了基礎底板附加彎矩，最大附加彎矩達646.8 kN·m/m，隨鉆孔灌注樁樁長增加，基礎底板附加彎矩略有減小，底板在3號樁樁頂處出現最大值，在4號樁和5號樁樁頂處出現極大值，在其他樁處底板附加彎矩較小。由此可見，增大樁長是減小基礎底板附加變形的有力措施，同時還可以減小一部分基礎底板附加彎矩。

圖3 整體模型豎向位移云圖(L=37 m)

圖4 不同樁長時基礎底板豎向附加變形

圖5 不同樁長時基礎底板附加彎矩

圖6～圖8為鉆孔灌注樁不同樁長時3號樁附加水平位移、附加彎矩和附加軸力圖。從圖6可以看出，不同樁長時，樁身附加水平位移曲線形式基本一致，樁身最大附加水平位移隨樁長略有減小，最大附加水平位移點并不是隧道水平中心高程處，而是位于隧道水平中心線以下2.0 m處，樁頂由于受底板約束作用，其水平向附加位移很小，樁底水平位移隨樁長增加略有減小。從圖7可以看出，隨樁長增加，樁身附加彎矩略有減小，樁頂附加彎矩出現最大值，樁深8.45 m處出現極大值，位于隧道上方。從圖8可以看出，隨樁長增加，樁身附加軸力有減小的趨勢，在樁深12.7 m處，即隧道中心高程處，樁身附加軸力達到最大值，這主要是由于隧道開挖土體下沉對樁身附加負摩阻力引起的結果。由此可見，隧道開挖加大了3號樁的水平位移、彎矩和軸力，增大樁長是減小樁自身附加水平變形、附加彎矩及附加軸力的一項措施。

圖6 不同樁長時3號樁附加水平位移

圖7 不同樁長時3號樁附加彎矩

圖8 不同樁長時3號樁附加軸力

從不同樁長時底板的附加變形和附加彎矩以及基樁本身的附加水平位移、彎矩和軸力的變化量來看，綜合考慮經濟因素，以鉆孔灌注樁樁長37.0 m為宜。

3.2 不同樁徑的影響

圖9為鉆孔灌注樁樁徑分別為D=0.8、1.0、1.2 m時，隧道開挖引起的基礎底板豎向附加位移圖，圖10為不同樁徑時隧道開挖引起的3號樁附加彎矩圖。從圖9可以看出，當隧道埋深、樁長和土體損失率一定時，隨樁徑增大，底板豎向附加變形有減小的趨勢。從圖10可以看出，隨樁徑增大，3號樁附加彎矩逐漸增大，主要原因是樁徑越大其承擔的附加荷載越大，因此其附加彎矩也隨之增大。因此為控制建筑物附加變形與內力，可適當增加隧道附近基樁的直徑，本工程鉆孔灌注樁樁徑設計為1.0 m可滿足要求。

圖9 不同樁徑時基礎底板豎向附加變形

圖10 不同樁徑時3號樁附加彎矩

3.3 不同土體損失率的影響

圖11為土壓平衡盾構隧道施工開挖不同土體損失率δ=1%、2%、3%時，箱形地下室基礎底板豎向附加位移圖，圖12為不同土體損失率時隧道開挖引起的3號樁附加彎矩圖。從圖11可以看出，當隧道埋深、樁長和樁徑一定時，隨隧道盾構施工土體損失率增大，底板豎向附加變形逐漸變大。從圖12可以看出，隨土體損失率增大，3號樁附加彎矩逐漸變大。因此為減小建筑物附加變形與內力，應嚴格控制土體損失率，本工程土體損失率控制在δ=1%以內底板附加變形較小。

圖11 不同土體損失率時基礎底板豎向附加變形圖

圖12 不同土體損失率時3號樁附加彎矩

3.4 不同工況下群樁水平變形規律

圖13 左線隧道施工結束各樁體附加水平位移

圖14 雙線隧道施工結束各樁體附加水平位移

圖13為樁長均采用L=27 m時，左線隧道施工完畢后各樁體附加水平位移，圖14為雙線隧道均施工完畢后各樁體附加水平位移。從圖中可以看出，在雙線隧道施工完畢后，除4號樁外，其余各樁水平變形規律為靠近隧道的兩排樁累積水平變形量最大，離隧道越遠樁體水平變形越小，11號樁與15號樁位移基本一致。4號樁位于兩隧道之間，樁體最大水平位移在左線隧道施工完畢后達到最大值，在右線隧道施工完畢后又逐漸減小，樁體最終附加水平變形傾向于先期開挖的左線隧道。

4 結語

本文在隧道埋深已定的情況下，探討了不同樁長、不同樁徑、不同土體損失率下及不同工況下，各基樁和箱形基礎底板內力位移變化規律，為類似工程設計提供參考，主要結論如下。

(1)隨鉆孔灌注樁樁長增加，基礎底板豎向附加變形和附加彎矩逐漸變小，底板豎向附加彎矩在樁頂出現極大值，在隧道中心處底板附加變形最大；3號基樁(右線隧道左側)隨樁長增加，樁身最大水平位移、附加彎矩和附加軸力均逐漸減小。

(2)隨鉆孔灌注樁樁徑增大，基礎底板豎向附加變形逐漸減小，3號基樁附加彎矩逐漸增大。

(3)隨土體損失率增大，基礎底板豎向附加變形逐漸變大，3號基樁附加彎矩逐漸變大。

(4)施工完畢后，除4號樁(兩隧道之間)外，其余各樁水平變形規律為靠近隧道的兩排樁累積變形最大，離隧道越遠，樁體變形越小，4號樁體最終附加水平變形傾向于先期開挖的左線隧道。

(5)從基礎和鉆孔灌注樁附加受力和變形及經濟因素綜合考慮，建議鉆孔灌注樁設計為樁長L=37 m、樁徑D=1.0 m，施工時土體損失率控制在δ=1%以內。

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