大直徑盾構隧道施工對鄰近群樁基礎影響的數值模擬

肖 術 李 強 毛 然

(長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著我國城市化進展的加快，城市地下盾構隧道以其運輸量大、占用空間小、速度快等優點成為各大城市發展交通的首選。

盾構隧道從既有樁基旁邊穿過屬于近接施工范疇，日本早已將此類問題定義為“鄰接施工影響問題”。隨著我國地下城市軌道交通的發展，這種樁基的近接施工問題同樣不可避免，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0.31 m[1]。對于此類問題，一些學者進行了相關研究，主要分析了樁基尺寸、位置、承載力及施工參數不同的情況下盾構施工對鄰近單樁的影響規律[2-5]，但對于大直徑盾構、軟土地區穿越、群樁基礎的位移變形方面研究較少。

本文以某地下直徑線盾構隧道為工程背景，運用數值模擬方法，研究和探討盾構施工對鄰近群樁基礎的沉降及側移的影響規律。

1 工程概況

某地下直徑線是一條鐵路地下聯絡線，是天津鐵路樞紐的重要組成部分。圖1為慈海橋段盾構隧道與群樁基礎相互關系圖。盾構隧道從慈海橋4號橋墩和5號橋墩及摩天輪群樁之間穿過。其中，隧道結構外輪廓距摩天輪群樁基礎較近，最小凈距為5.2 m。摩天輪群樁為直徑1.8 m的摩擦樁，埋深40 m，橫向間距4.2 m，共3列。盾構開挖外徑11.97 m，隧道外徑11.6 m，隧道內徑10.6 m，管片厚度0.5 m。隧道拱頂覆土層厚度約20 m。

該段工程地質條件復雜，主要土層巖性為雜填土、黏性土、淤泥質土、粉土及粉砂。

2 盾構施工對群樁影響的數值模擬

2.1 數值模型

根據工程實際情況，建立三維FLAC數值模型，如圖2所示。模型中X方向垂直于隧道推進方向，Y方向沿隧道推進方向，Z方向為豎直方向。模型尺寸為80 m×60 m×62 m(X×Y×Z)。模型中土層、隧道和樁基均采用實體單元，管片襯砌為殼體單元。為便于結果分析，對模型中群樁進行了編號，如圖2所示，樁2-A表示群樁中位于2排A列上的樁基。

模型約束邊界條件為：模型上邊界為地表，是自由邊界；模型四側施加豎直滑動約束，底部施加完全固定約束。為了更好的模擬樁—土之間的相互作用，在樁—土表面建立接觸面單元。

隧道及其周圍土層采用摩爾—庫侖本構模型，樁基礎和管片襯砌相對土層為剛體，采用彈性本構模型，樁—土間接觸面采用接觸面本構模型，模型參數見表1。

表1 計算參數表

2.2 施工工況模擬

根據實際工程施工過程，數值計算步驟如下：

1)初始應力場計算。

計算樁基礎未打入土體時的自重應力場，并將模型的位移、速度及狀態清零；

2)樁基承載計算。

根據慈海橋與摩天輪自重，在樁基頂部施加設計荷載，計算至平衡，得到盾構隧道開挖前的應力場；

3)盾構推進模擬計算。

主要分為三個階段：a.以隧道每推進3 m作為一個開挖步，每步開挖后，在隧道內表面生成殼體單元，賦予盾殼屬性(模擬盾構機)，并在開挖面施加盾構推進荷載；b.當盾尾完全進入土體(即開挖3步)后，盾構繼續推進新的一步，這一步參數賦值如上階段。然后將盾殼屬性最后一段的殼體單元賦予管片襯砌單元的屬性，同時對該段的注漿層賦予注漿材料的初期屬性，并施加注漿壓力0.3 MPa；c.前兩階段循環進行，直到盾構開挖到第7步時，對第1步的注漿層賦予注漿材料的最終屬性，同時取消注漿壓力。依次循環以上三個階段直至隧道開挖結束。

3 數值模擬結果分析

3.1 地表沉降分析

根據實際工程中地表監測布置方案，在數值模型中布設了5條與之對應的地表沉降監測斷面，如圖3所示，分別為DM1～DM5，其中DM3(Y=30 m)橫穿群樁第2排樁基。圖4為DM3及相對應的現場監測的地表沉降圖。由圖4可看出，數值計算得到的地表沉降曲線與現場實測值基本吻合，均形成了類似高斯正態分布曲線的沉降槽，最大沉降發生在隧道拱頂正上方地表，其中計算得到的最大沉降值為16.4 mm，比現場實測值稍大。

3.2 盾構隧道施工對鄰近樁基的影響分析

3.2.1樁基沉降分析

圖5為隧道開挖穩定后DM3監測斷面地層豎向位移云圖，隧道拱頂上方土層產生槽形分布的沉降現象，最大沉降值35 mm；拱底下方土層產生隆起變形，最大隆起值30 mm。隧道左側存在樁基區域基本都出現了4 mm～10 mm的沉降，相比右側無樁基區域沉降值普遍較大，說明盾構開挖對樁基周圍的土層擾動較大。

圖6為第2排各樁基(樁2-A、樁2-B、樁2-C)豎向位移隨掘進步數的變化曲線。從圖6可以看出，各樁基沉降隨著盾構推進逐漸增大，尤其是盾構在樁基前后15 m范圍時(5步～15步)，樁基沉降速度較快，沉降量占總沉降量的80%左右。此外，樁基距隧道越近，其豎向沉降越大，同一列的樁基沉降變化規律相近。計算表明，距隧道最近的A列樁基沉降最大，均達到了8 mm左右。

3.2.2樁基X向(垂直于隧道方向)側移分析

盾構推進過程中，選取第2排樁基分析其在盾構掘進過程中側向位移變化規律。圖7為第2排樁基與盾頭在不同距離時的X向側移曲線(距離為正表示盾頭未達到樁基，為負表示盾頭已通過樁基)。隨著盾構推進，同排各樁基X向側移逐步增大，且樁基越靠近隧道，其側移變化幅值越大。盾構推進到樁基前后15 m時，樁基X向側移變化幅值相對較大，尤其是各樁基頂部，其側移變化幅值達到了總側移量的75%左右，說明樁基在此期間受到盾構掘進擾動的影響較大。此外，整個推進過程中，X向側移方向均在隧道拱頂附近處出現轉變拐點，拱頂以上樁基部分側移偏向隧道，拱頂以下則偏離隧道。

盾構推進過程中，樁身各部位的側移速率和方向是不同的。圖8為樁2-A樁頂、埋深26 m處(與隧道中心齊平)及樁底的X向側移隨掘進步數的變化曲線圖。從圖8中可看出，盾構在樁基前方15 m至盾尾完全通過樁基的施工過程對樁頂和樁底側向位移影響最大。樁基埋深26 m處的X向側移在盾構通過樁基期間呈減小趨勢，但當盾尾完全通過樁基后呈增長趨勢，且增速較樁底快。

3.2.3樁基Y向(沿隧道縱向)側移分析

盾構在通過樁基前后過程，選取第2排樁基對其在掘進過程中的Y向側移變化規律進行分析。圖9為第2排樁基與盾頭在不同距離時的Y向側移曲線圖。圖10為樁2-A頂部、埋深26 m處和底部的Y向側移隨掘進步數的變化曲線。從圖10中可以看出，盾構推進初期，受到推進力的影響，隧道埋深處附近的樁基部分受擠壓產生沿隧道推進方向的變形，而位于隧道上方的樁基部分由于土層損失及沉降產生了相反的變形，這種變形在盾構通過樁基時(第10步)達到最大。需要指出的是，樁基Y向最大側移發生在盾頭到達樁基時，這與樁基X向最大側移發生時間不同。當盾構逐漸通過樁基后，樁基受盾構推進力的影響逐漸減弱，其Y向側移和變形逐漸恢復，甚至出現與之前相反的側移和變形。

4 結語

本文采用三維有限差分方法模擬了盾構施工過程，研究了盾構隧道施工對鄰近群樁基礎的沉降與側移影響規律，初步得出以下幾點結論：

1)盾構隧道施工過程中，存在群樁的一側土體沉降范圍較大。當盾構推進到樁基前后15 m范圍時，樁基的沉降速度最快，且距隧道外輪廓越近沉降越大，最大沉降值達到8 mm。

2)盾構掘進過程中，樁身X向側移方向在隧道拱頂附近處出現轉變，拱頂以上樁基部分偏向隧道，拱頂以下則偏離隧道。盾構推進到樁基前后15 m范圍內時對樁基的X向側移影響最大，樁基在此期間的側移占到總側移量的75%～85%。

3)盾構掘進過程中，盾頭到達樁基之前，樁基Y向側移逐漸增大；當盾頭到達樁基時側移量達到最大，與X向最大側移發生階段不同；盾頭通過樁基后，樁基Y向側移逐漸恢復。