隧道下穿碼頭群樁基礎的離心模型試驗研究

張宇亭 安曉宇 紀文棟

(1.天津大學，天津 300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

0 引言

隨著我國長江經濟帶的迅猛發展，長江中下游城市的陸上交通壓力激增，沿江兩岸城市受惠于水路交通帶來的天然運輸便利的同時，又受制于兩岸之間的溝通障礙。跨江大橋和穿江隧道是兩岸常見的兩種連接方式。由于地下隧道的結構形式對地面既有建筑物影響較小，而更加受到工程設計者的推崇。江陰第二跨江通道就計劃采用隧道的形式，穿越長江連接兩岸。由于穿越線路上方存在既有高樁碼頭，因此隧道施工對群樁基礎穩定性的影響是重點考慮的問題。

在新建隧道工程的施工中，隧道開挖遇到既有樁的情況并不少見。為確保樁承結構的長期使用性能，前人進行了大量現場研究，以探索隧道施工對現有樁的影響。例如，隧道開挖引起的地面損失導致現有樁承載力降低[1]。由于隧道開挖，樁底出現負摩阻力，對樁的承載力產生不利影響[2-3]。此外，還進行了大量離心試驗，以研究隧道--土--樁相互作用問題。當隧道中心線位于或接近樁端時，隧道開挖會在現有樁中產生顯著的彎矩和側向位移，而樁的軸向力變化則會受到樁端下方隧道施工的顯著影響[4]。通過在干砂中進行離心機試驗，Jacobsz等[5]確定了在現有樁基中產生較大沉降的影響區。由于在樁附近開挖隧道，Lee和 Chiang發現端部承載力的降低導致樁沉降過大[6]。基于離心試驗結果，Ong[7]發現，樁頭約束條件對隧道施工引起的樁身附加彎矩和軸力有顯著影響。馬少坤等[8]通過試驗發現，由于前樁提供的屏蔽效應，后樁的隧道誘導彎矩遠小于前樁。

雖然學者們已經進行了許多離心試驗來研究隧道開挖引起的樁響應，但這些研究大多集中在砂土中的樁響應[9-12]。此外，以往的研究主要是模擬地鐵隧道的施工，其直徑較小(即6 m)，大型雙隧道開挖(即15.3 m)對樁響應的影響卻很少被評估。本研究利用大型土工離心機設備，建立三維離心試驗模型，開展了黏土和砂土交互層中雙管開挖時群樁的變形機理研究。

1 三維離心模型

1.1 離心試驗步驟

本次研究在交通運輸部天津水運工程科學研究院土工離心設備上進行了三維離心模型試驗，該離心機的旋轉半徑為5 m，承載能力為500g·t，最大加速度為250g(即重力加速度)。本試驗使用的三維模型容器長1400 mm、寬700 mm、深1000 mm。考慮模型容器和雙通道的尺寸，離心加速度設計為75g。與離心試驗相關的標度系數見表1。

表1 離心模型試驗常用的相似比

擬建工程位于長江下游，跨江修建了兩條平行的大型隧道，隧道上方將穿越既有高樁碼頭，在兩個平行隧道施工中，樁基不可避免地產生附加沉降。新隧道的埋深(C)和外徑(D)分別為480 mm和207 mm，原型分別為36 m和15.5 m。覆蓋與隧道直徑比(C/D)為2.3。兩條水平平行隧道之間的最凈距離為207 mm，相當于原型(1D)中的15.5 m。試驗模擬的土層最大厚度為810 mm，原型為60.75 m。根據現場調查，模擬了1∶3和1∶5兩種角度的坡面。碼頭原型為澄西船廠老碼頭，碼頭全長220 m，前承臺總寬20 m，設計標高7.2 m，采用連續梁板式承臺結構，由樁基、縱梁、橫梁、預制靠船構件和面層等部分組成。分為4個結構標準段，每個結構標準段長56 m，包括8個基樁排架，排架間距為7 m。樁基采用預應力鋼筋混凝土方樁，樁基截面尺寸0.55×0.55 m，直樁樁長26.8 m，斜樁樁長27.8 ～ 28.4 m。

根據相關的比例定律[13]，將現有的樁承式碼頭縮小到模型尺寸。它由一個筏板和若干樁組成。用螺栓連接筏板和樁。采用1013 mm×267 mm×10 mm(長×寬×厚)鋁合金板模擬筏板。雙管隧道直接安裝在樁基礎下面，距離為180 mm，相當于13.5 m的原型。(見圖1)

圖1 離心機模型平面圖和側面圖(單位: mm)

1.2 試驗材料

1.2.1 土層

經勘察報告揭示，場地內地層均為第四系沖湖積、沖海積相沉積，地層分布為：填筑土、④1粉質黏土、④1-1粉質黏土、④3細砂、④1粉質黏土、④5粗砂等。試驗中對部分物理力學參數相近的土層進行適當的簡化合并，最終簡化成4個土層，分別為粉質黏土、細砂、砂質黏土和粗砂組成。試驗將地基土層簡化為四層，由兩層粉質黏土和兩層砂層組成。分別用福建標準砂和粉質黏土制備砂樣和黏土樣。由于土體參數對土體結構相互作用的影響很大[14-15]，因此進行了實驗室試驗，以確定砂土和黏土樣品的參數。通過三軸剪切試驗和壓縮試驗，確定了砂土和粉質黏土的內摩擦角和壓縮模量。試驗土體特性見表2。

表2 試驗土體參數表

1.2.2 碼頭模型

試驗中考慮模型箱內部尺寸的限制及邊界效應的影響，選取隧道交叉穿越區上方碼頭進行試驗研究，共選取10排樁，每排由5根直樁和4根斜樁組成，共計90根樁來模擬群樁基礎。以實際工程樁基的抗彎剛度(EI)為基礎，通過相似理論按照模型比例尺計算，對應采用外徑9.2 mm、厚0.8 mm的鋁管模擬模型樁。模型尺寸直樁長357 mm，斜樁長370～378 mm，排架間距106.7 mm。(見圖2)

圖2 安裝后的群樁模型

1.2.3 隧道開挖模擬裝置

學者普遍使用圓柱形橡膠袋排水來模擬隧道開挖[8-12]。由于橡膠袋是由柔性材料制成的，所以當g值增加時，橡膠袋呈橢圓形，與實際情況不符。此外，該方法不能模擬盾構推進過程中盾構與土體之間的摩擦。為了克服這些缺點，本研究開發了一種新的隧道開挖技術。圖3為隧道開挖模擬系統的橫斷面圖。隧道模型主要由新建隧道、不銹鋼套管和隧道支護系統組成。新建的隧道位于不銹鋼套管內。套管厚度用于控制隧道體積損失。離心試驗時，將新建隧道固定，將套管從新隧道中推出，模擬隧道引起的體積損失。在本研究中，新建隧道和不銹鋼套管的外徑分別為207 mm和209 mm。這意味著在模型尺度上套筒的厚度為1 mm。通過將不銹鋼套管從新建隧道中推出，模擬了隧道體積損失的1%。由于套管是由剛性材料制成，隧道施工后呈圓形。此外，推壓套管可以模擬盾構機盾殼與土之間的摩擦效應，與實際情況更為吻合。

圖3 隧道開挖模擬裝置示意圖(單位: mm)

1.2.4 監測裝置

本次離心機試驗共安裝了9個位移傳感器。如圖1(a)所示，安裝了5臺線性可變差動變壓器(LVDT)來測量群樁在橫向隧道方向上的沉降。此外，還安裝了四個激光傳感器，測量沿隧道縱向的群樁沉降。根據實測的隧道縱向沉降，可以得到群樁的傾斜。試驗中采用的LVDT和激光傳感器的精度為0.02 mm。

1.3 模型準備

在模型容器底部安裝排水管后，采用砂雨法制備砂層。砂斗與砂面之間的距離保持在700 mm，以達到設計砂密度(見表2)。砂層制備完成后，按設計密度分層制備粉質黏土。每層黏土完工后，對黏土層表面進行刮毛，增加層間接觸。為使土樣飽和，從模型箱底部緩慢注入蒸餾水，土樣浸泡24 h。模型箱頂部覆膜抽真空，以保證高飽和度。

1.4 試驗過程

離心機試驗程序分為以下幾個階段：(1)逐漸加大離心機的加速度至75g(即約10 min)。(2)在75g的加速度條件下，運轉離心機10 h，完成一次固結。(3)傳感器讀數穩定后，右側隧道不銹鋼套管逐漸推出。然后，采用同樣的方法對左側隧道的開挖進行了模擬。模擬雙隧道開挖大約需要20 min。(4)逐漸將離心機旋轉至1g(即大約30 min)。

2 離心試驗結果分析

2.1 隧道施工中群樁沉降的典型變化

圖4顯示了隧道施工期間群樁沉降的典型變化。結果表明，隨著隧道的推進，群樁的沉降量幾乎呈線性增加。點A和點D分別位于左隧道和右隧道上方。本次離心試驗先開挖右側隧道，后開挖左側隧道。右側隧道開挖過程中，A點的沉降量明顯小于D點的沉降量，A點和D點的沉降量分別為10.8 mm和35.3 mm。然后，右側隧道開挖完成后，群樁沉降繼續增大。這是由于過量孔隙水壓力的消散導致了額外的群樁沉降。左側隧道開挖過程中，A點測得的群樁沉降增量明顯大于D點測得的群樁沉降增量，A點和D點相應的群樁沉降增量分別為30.1 mm和11.7 mm。可見，監測點距新建隧道較短，導致群樁沉降較大。換言之，群樁的隧道沉降與隧道與樁的相對位置密切相關。

圖4 隧道開挖過程中樁頂筏板實測沉降曲線

2.2 隧道橫向群樁沉降

圖5為沿隧道橫向測得的群樁沉降。右側隧道開挖后，隧道以上的群樁沉降量遠大于左側隧道以上的群樁沉降量。由于右側隧道開挖產生的應力釋放，在隧道中心線上方觀察到35 mm(即0.23%D，D為隧道直徑)的最大樁群沉降。隨著監測點距隧道中心線距離的增大，實測群樁沉降減小。左側隧道施工過程中，群樁沉降迅速增加。雙隧道施工后，群樁沉降剖面趨于對稱。最大沉降量增加到49.0 mm(0.32%D)，最大群樁沉降位置移向兩隧道之間的中心線。隧道施工兩個月后，由于超孔隙水壓力的消散，最大群樁沉降增加到50.8 mm(即增加3.7%)。

圖5 群樁頂筏板沿隧道橫向的實測沉降

2.3 隧道縱向群樁沉降

圖6顯示了沿縱向隧道方向測得的群樁沉降變化。在離心試驗中，左、右通道分別從H點行駛到G點和F點行駛到E點。左右隧道開挖過程中，各監測點均有沉降觀測。隨著隧道工作面接近監測斷面，H點和G點測得的沉降差異增大。但隨著開挖面超出監測斷面，差異減小。F點、E點沉降隨隧道推進的變化與H點、G點相同，雙管開挖完成后，群樁縱向沉降差異小于8%。

圖6 群樁頂部筏板沉降隨隧道開挖變化曲線

2.4 群樁沿隧道縱向傾斜

根據實測的隧道縱向沉降，可以計算出群樁的傾斜。圖7為雙管開挖時群樁的縱向傾斜。當右開挖面接近監測斷面時，既有樁組向開挖面傾斜，傾斜量迅速增大。這是因為隧道開挖使隧道面前方的應力減小。當隧道工作面通過監測斷面時，現有群樁的傾斜量減少。這是因為相對于監測斷面的應力減小變得對稱。此外，隨著隧道的推進，左隧道上方的群樁傾斜度先增大后減小。但在右側隧道開挖過程中，左側隧道上方測得的傾斜量遠小于右側隧道上方測得的傾斜量。這是因為左隧道上方的監測點遠離右隧道工作面。在左側隧道施工過程中，得到了同樣的觀測結果。但左側隧道以上群樁的傾斜增量遠大于右側隧道以上群樁的傾斜增量。再次說明樁筏板的響應與隧道和樁的相對位置密切相關。在右側隧道或左側隧道開挖過程中，當隧道面位于監測斷面正下方時，雙管上方的傾斜量達到最大值。這清楚地說明了隧道開挖引起群樁的三維變形機理。如果將隧道開挖簡化為二維問題(即一步模擬隧道開挖)，則忽略群樁在非保守側的縱向傾斜。它強調了三維模擬隧道開挖在物理和數值模擬中的重要性。

圖7 隧道開挖引起群樁傾斜變化曲線

3 結論

通過三維離心模型試驗，研究了雙管大型隧道開挖對群樁的影響。根據試驗結果得出以下結論：

(1)由于隧道開挖引起應力釋放，群樁的實測沉降隨隧道的推進幾乎呈線性增加。群樁的隧道沉降與隧道與樁的相對位置密切相關。監測點與隧道施工距離較短，導致群樁沉降較大。

(2)單隧道開挖后，在隧道中心線上方觀察到最大樁群沉降為0.23%D(D為隧道直徑)。雙管開挖完成后，最大群樁沉降量增加到0.32%D，最大地表沉降位置移向兩隧道之間的中心線。

(3)當開挖面接近監測斷面時，既有樁群迅速向開挖面傾斜。當隧道工作面通過監測斷面時，減小了既有群樁的傾斜。這是因為相對于監測斷面的應力減小變得對稱。在隧道推進過程中，當隧道正面位于監測斷面正下方時，雙隧道上方的傾斜量達到最大值，說明了隧道開挖引起群樁的三維變形機理。將隧道開挖簡化為二維問題，忽略了群樁在非保守側的縱向傾斜。

本次試驗結果對認識高樁碼頭受隧道影響下的變形規律和整體穩定狀態有一定的支撐作用，可以對該隧道和碼頭安全間距的論證和調整起到指導作用，并對碼頭結構的受力分析及安全復核提供了有效數據。