超大斷面盾構隧道近距離側穿嵌巖樁基礎影響分析

田彥偉 高偉

(1 深圳市鹽田人才安居有限公司；2 深圳市建設綜合勘察設計院有限公司)

0 引言

盾構工法在現代國內外隧道工程建設中得到了越來約廣泛的應用[1-3]，但難免會對周圍地層和應力場產生擾動，特別是當盾構施工鄰近樁基時，很容易造成建筑物隨地層發生協同變形，嚴重時甚至會引起建筑墻體開裂、不均勻沉降過大的事故[4-5]。而對于大直徑隧道盾構施工來說，這種對周圍建筑的不利影響更為顯著。

針對大直徑盾構近接樁基施工引起的地層擾動和沉降問題，國內外諸多學者進行大量深入的研究。Peck[6]首次提了地層損失的概念和隧道開挖地表下沉的估算方法；李宗梁等[7]基于某盾構隧道施工引起的大堤沉降實測數據，通過Peck 公式對數據進行擬合，得出了地層損失率的取值范圍；王立新等[8]基于理論計算對盾構隧道塌落拱高度范圍內土體松弛對樁基產生負摩阻力的影響規律進行研究；夏友元等[9]分別研究了盾構穿越一般底層和穿越群樁基兩種不同條件下的位移情況，以此作為評價盾構隧道對建筑物影響的標準。

有限元法作為一種成熟的分析方法，能夠很好地對土體應力狀態、土體分層情況、周邊荷載及盾構施工進行模擬，并且可以系統分析盾構隧道施工引起的地層位移、土體應力變化和建筑變形。楊記芳[10]建立了某大直徑盾構鄰接樁基高層建筑的施工的三維數值模型，分析了盾構側穿和下穿不同樁長的樁基時建筑沉降及樁體變形差異；王闖等[11]依托某實際工程，采用數值模擬的方法對盾構近接橋梁群樁基礎施工產生的擾動進行了分區定量評價，并對擾動較大的樁基進行了受荷特性分析；賀文波[12]利用FLAC3D 有限元軟件，對盾構隧道近穿及下穿時樁基礎的位移特征及承載力特性進行分析。

本文依托深圳某大直徑隧道盾構工程，基于MIDAS GTS NX 有限元軟件建立盾構下穿樁基的三維模型，對地層擾動分區范圍進行了分析，并重點研究了大直徑盾構下穿樁基對樁基性能的發揮影響規律。

1 工程概況

在建的某隧道工程長約4.82km，盾構直徑達到了15.8m，是我國大陸目前在建的最大直徑盾構隧道，斷面近200m2，為超大斷面尺寸的盾構掘進開挖。區間K2+780～K3+200 范圍內擬建某棚戶區改造項目，隧道穿越縱向距離長度約400m。

改造項目計劃在隧道通過前完成基坑和樁基的設計施工，并在隧道盾構通過時，樁基上部主體結構正常施工加載。該改造項目鄰近隧道北側主要為一棟160m超高層人才房，基礎設計為樁基礎（嵌巖樁）。隧道將從最近樁基的側下方穿過。樁基與隧道空間位置關系如圖1 所示。

圖1 樁基與隧道位置關系平面圖和三維模型

該區間隧道采用泥水平衡盾構施工，隧道拱頂距離地面約45m，隧道管片環寬為2m，隧道距離樁基邊線水平距離最近約3m，盾構通過時將形成巨大的圓形挖空斷面，對周邊巖土體將帶來極大改變和擾動，對樁基性能的發揮都將產生一定影響。

超高層人才房樁基直徑為1.0m～2.8m，樁長20m～37.5m，樁頂荷載為60000kN～73000kN。因樁基具有設計荷載大、直徑大、數量多以及盾構隧道直徑超大，距離非常近（最近約3m）等特點，此類工程案例十分罕見，因此十分有必要在工程開展前，分析和評估大直徑隧道盾構穿過時對樁基各方面性能的影響程度和前后變化規律，重點掌握樁基施工完成后并在上部結構荷載逐漸增加的過程中，大斷面盾構穿過所帶來的各種影響以及對周圍巖土體的干擾擾動，對樁基設計和結構安全進行評估并提供依據，并確保工程實施時具有足夠的安全性。

2 數值模擬過程

盾構隧道下穿樁基的三維分析模型建立如圖2 所示。模型設置為起伏地層的真實三維模型。地層本構模型采用Mohr-Coulomb 模型。

樁基采用梁單元模擬，通過設置樁土印刻實現樁-土耦合。為考慮壁后注漿影響，采用等代層來模擬盾構隧道管片壁后注漿層。管片和等代層均采用實體單元模擬。

根據隧道與樁基的位置關系，在數值分析中，選擇最為靠近隧道側的第一排樁基作為主要分析研究對象。項目土層分布及力學參數如表1 所示。

表1 數值模擬地層力學參數

3 橫向擾動范圍分析

Peck 在1969 年提出在不排水的狀態下，地鐵施工所引起的沉降，近似正態分布曲線[6]。

分析結果表明：在無樁基和有樁基條件下地表沉降槽曲線與Peck 曲線均擬合良好。地表的最大沉降值均位于隧道中心以上地面，沿隧道中心軸線上方地面基本呈對稱趨勢向兩邊延伸，沉降值逐漸減小。通過擬合得到沉降槽寬度系數i 為16m；有樁下沉降槽寬度系數i為24m(表2)。

表2 隧道影響分區范圍

4 對樁基性能影響分析

4.1 樁基內力和承載力影響分析

樁基加載前后，緊鄰隧道側樁基（1～8 號樁）的最大剪力和最大彎矩值，以及樁側摩阻力與樁端阻力變化如表3 所示。

表3 樁基加載后內力和承載力變化

由表3 可以看出，在緊鄰隧道側的1～8 號樁基中，樁基加載后的最大剪力和最大彎矩較加載前均發生了明顯變化，但變化幅度都在一定范圍內，通過結構設計措施可以消化這些幅度增減。

樁基距離隧道越遠，其變化越小。樁基剪力變化最為明顯的位置位于微風化與中風化交界面處。樁基加載后，大部分樁的樁端阻力占比在30%～50%之間，最高可達到56%。樁基承載力受盾構施工影響較小，樁端阻力占比比較顯著，受臨近盾構開挖的影響較小。分析表明，增加一定的嵌巖樁深度和數量，可以明顯降低樁基附加內力的變化幅度。

4.2 樁基變形影響分析

隧道盾構施工完成后，樁基加載所帶來的最大水平位移云圖變化如圖2 所示。

圖2 樁基水平和豎向位移云圖

經計算，鄰近隧道樁基的傾斜率最大為0.06%，最大水平位移為2.34mm，滿足《建筑樁基礎技術規范》中的允許傾斜率0.2%和水平位移允許值6mm，不會對建筑造成影響。當樁基加載后，樁基自身所產生的沉降及樁身壓縮遠大于盾構隧道施工所產生的附加變形，樁頂最大豎向位移為-22.28mm。滿足相關規范中允許沉降要求，不會對建筑造成影響。

5 結論

⑴相比于無樁基條件下，群樁條件下的盾構隧道橫向擾動分區變化較大，主要影響區為隧道正上方兩側24m 范圍內；豎向擾動范圍相差不大。

⑵鄰近隧道側的樁基在加載后，樁基最大剪力和最大彎矩較加載前發生了明顯變化。樁基距離隧道越遠，其變化越小。樁基剪力變化最為明顯的位置位于微風化與中風化交界面處。分析表明，適當增加一定的嵌巖樁深度和數量的措施，可以明顯降低樁基附加內力的變化幅度。

⑶鄰近隧道的樁基變形規律受盾構隧道影響相對其他遠離隧道的樁基更為顯著。但總體來講，水平位移總量非常小，可以忽略，且滿足結構的變形要求。