地鐵隧道施工對(duì)側(cè)向既有建筑物樁基變形影響研究

趙宇臻 文志年 王智德

（1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080）

地鐵作為利用地下空間解決地面交通承載能力的典范，在諸多城市的規(guī)劃中隨處可見。在復(fù)雜的城市環(huán)境中進(jìn)行地鐵建設(shè)，不可避免地會(huì)以近距離方式在立交橋、高架橋和人行天橋等建筑物的樁基礎(chǔ)附近下穿或者側(cè)穿。地鐵開挖過(guò)程中常引起地層位移變化導(dǎo)致地表沉降，從而引起鄰近建筑樁基側(cè)向變形及沉降，影響樁基的正常使用[1-2]。因此，開展地鐵施工對(duì)既有建筑物樁基變形影響和控制的研究，對(duì)確保原有建筑物樁基的穩(wěn)定和隧道施工的正常進(jìn)行具有重要的意義。論文基于隧道不同埋深時(shí)樁基變形及地表沉降規(guī)律，對(duì)隧道與樁基之間的安全距離展開研究。并以武漢軌道交通3 號(hào)線二七路站～興業(yè)路站區(qū)間隧道開挖工程為例，采用兩階段位移法理論分析結(jié)合數(shù)值分析方法[3-5]，研究隧道與樁基的距離及隧道埋深變化時(shí)樁基變形規(guī)律，以樁基的水平變形和豎向變形為控制目標(biāo)，對(duì)隧道與樁基的安全距離進(jìn)行探究。

1 工程概況

武漢軌道交通3 號(hào)線二七路站～興業(yè)路站區(qū)間沿線地貌形態(tài)為堆積平原區(qū)，由長(zhǎng)江沖洪積物構(gòu)成的I、II 級(jí)階地。根據(jù)實(shí)地鉆孔勘察，結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)資料對(duì)比分析，隧道開挖區(qū)間內(nèi)各時(shí)代地層依次為：第四系人工堆積層（Qml）、第四系新近沖積土（Q4al）、第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）、志留系墳頭組（S2f）。地層從地表往下依次為雜填土（1-1）、素填土（1-2）、淤泥（1-3）、粉質(zhì)粘土、粉土夾粉砂（2）、粘土（3-1）、淤泥質(zhì)土（3-4）、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層（3-5）、粉砂（4-1）、粉細(xì)砂（4-2）、含礫中粗砂（4-3）、圓礫、卵石夾中粗砂（5）、泥巖、砂質(zhì)泥巖（20b）。隧道穿越地層主要為砂土層，盾構(gòu)過(guò)程中地層擾動(dòng)較大，極易對(duì)鄰近樁基產(chǎn)生不利影響。本文主要將針對(duì)此砂性地層進(jìn)行研究。

本區(qū)間的地下水按埋藏條件分類有上層滯水和承壓水兩種類型。本場(chǎng)地地表水系不發(fā)育，在本文中不考慮地下水的影響。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)武漢軌道交通3 號(hào)線二七路站～興業(yè)路站區(qū)間隧道開挖實(shí)際工程，建立數(shù)值分析模型。在模型中，將隧道外徑設(shè)置為6m，管片厚度為0.3m，隧道全長(zhǎng)50m。樁基礎(chǔ)為承臺(tái)樁基礎(chǔ)，承臺(tái)的三維尺寸為1.8m×3.6m×2m。承臺(tái)下方為兩根樁長(zhǎng)為33m 的端承樁，樁徑為0.6m，兩根樁中心之間的距離為1.8m。隧道與樁之間的距離及隧道埋深設(shè)為變量，以此研究樁基礎(chǔ)與隧道開挖不同空間位置的影響。盾構(gòu)隧道與樁基的位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 隧道與樁基的位置關(guān)系

最后生成的三維計(jì)算模型的尺寸為100m×50m×50m（長(zhǎng)×寬×高），此數(shù)值模型尺寸在三倍開挖洞徑之外，可以減少模型邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。為了模擬管片與圍巖之間的注漿層，在襯砌外設(shè)置等厚、均質(zhì)的等代層，等代層的厚度設(shè)置為0.3m，采用彈性本構(gòu)模型的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，使隧道開挖過(guò)程更加貼合實(shí)際工程情況。地層采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，樁、承臺(tái)及管片采用彈性本構(gòu)模型，模型整體選用砂土地層，土層厚度50m，天然重度19，粘聚力3，內(nèi)摩擦角35，泊松比0.24，彈性模量20MPa；采用的管片重度25，泊松比0.3，彈性模量35000MPa，厚度300mm。

3 隧道開挖對(duì)不同距離樁基的影響

將隧道與樁基之間的距離設(shè)置為1.0D（6m）、1.5D（9m）、2D（12m）、2.5D（15m）、3D（18m）五種情況（隧道埋深13m），自樁頂開始每隔2m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最后一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在樁端處，共計(jì)18 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以獲取樁基變形數(shù)據(jù)，研究隧道開挖對(duì)不同距離樁基的影響，探究隧道與樁基之間的最小近距離建議值。

3.1 基于水平變形的最小近距離建議值

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到樁基的水平變形曲線圖，如圖2 所示。從圖2 可以看出，樁基水平位移極大值則主要出現(xiàn)在樁頂、隧道軸線處及樁端處；隨著隧道與樁基距離的增大，樁基的水平側(cè)移、撓曲變形均減小。當(dāng)隧道與樁基之間的距離在1.0D～3.0D（6m～18m）之間變化時(shí)，樁頂側(cè)移分別為3.460mm、4.010mm、3.290mm、2.711mm、2.107mm；當(dāng)隧道與樁基之間的距離為1.5D（9m）時(shí)，位移最大，為4.01mm；當(dāng)隧道與樁基之間的距離為3.0D（18m）時(shí)，位移最小，為2.107mm；在隧道與樁基之間的距離大于1.5D 時(shí)，樁頂側(cè)移隨隧道與樁基之間距離的增大而逐漸減小，位移的減小值依次為0.720mm、0.579mm、0.604mm。樁基的樁底側(cè)移分別為3.835mm、4.156mm、3.947mm、3.282mm、2.842mm，當(dāng)樁洞距離為1.5D（9m）時(shí)，位移最大，為4.156mm；當(dāng)樁洞距離為3.0D（18m）時(shí)，位移最小，為2.842mm；變形規(guī)律與樁頂側(cè)移的變形規(guī)律基本相同，樁洞距離大于1.5D（9m）時(shí)，樁底側(cè)移減小值依次為0.209mm、0.665mm、0.44mm。

圖2 隧道與樁基不同距離下樁基水平變形圖

通過(guò)以上對(duì)比分析，可見在樁洞距離大于1.5D 時(shí)，通過(guò)增加樁基與隧道之間的距離可以減小樁基的側(cè)移及樁身?yè)锨跇抖淳嚯x在1.5D～2.5D 之間時(shí)，減小值逐漸增大，但隨后這種減小幅度又會(huì)降低；2.5D～3.0D之間的減小幅度僅為13.4%，遠(yuǎn)小于2.0D～2.5D 之間20.3%的減小幅度，盲目地追求更大的安全距離對(duì)工程無(wú)意義。

因此，根據(jù)樁頂及樁底水平位移值，建議盾構(gòu)隧道近接樁基施工時(shí)，最好控制隧道與樁基之間的距離在2.5D 以上。

3.2 基于豎向變形的最小近距離建議值

通過(guò)數(shù)據(jù)整理分析，得到樁基的豎向變形曲線圖，如圖3 所示。從圖3 可以看出，當(dāng)隧道與樁基之間的距離為D～3D（6m～18m）時(shí)，樁基豎向變形依次為1.64mm、1.35mm、0.83mm、0.48mm、0.39mm，可以發(fā)現(xiàn)豎向變形明顯隨著樁基與隧道之間的距離增大而逐漸減小。豎向變形的減小率隨著距離的增大先增大后減小，依次為0.29、0.52mm、0.35mm、0.09mm。

圖3 隧道與樁基不同距離下樁基豎向變形圖

在1.0D～2.0D（6m～12m）區(qū)間內(nèi)，豎向變形的減小率呈增大趨勢(shì)，而在1.5D～3.0D（9m～18m）區(qū)間內(nèi)，豎向變形的減小率又逐漸減小。可見，在隧道與樁基的距離在1.0D～2.0D 區(qū)間內(nèi)時(shí)，增大樁洞距離改善樁基豎向變形的效果會(huì)隨著距離的增大越來(lái)越明顯，但在距離大于2.0D 后，雖然增大隧道與樁基之間的距離仍可以減小樁基的豎向位移，但效果會(huì)逐漸減弱；在距離從2.5D 增大至3.0D 時(shí)，減小值已經(jīng)低于0.1mm，繼續(xù) 通過(guò)增大隧道與樁基的距離來(lái)減小樁基變形對(duì)工程無(wú)意義。

因此，根據(jù)樁基豎向變形，建議盾構(gòu)隧道近接樁基施工時(shí)，最好控制隧道與樁基的距離在2.5D 以上。

4 結(jié)論

1.盾構(gòu)隧道會(huì)導(dǎo)致鄰近既有樁基產(chǎn)生水平變形和豎向變形，水平變形的極大值主要出現(xiàn)在樁頂、隧道軸線處及樁端處；隧道開挖使樁基產(chǎn)生的變形取決于兩者之間的水平距離。隨隧道與樁基之間的水平距離逐漸增大，樁基的水平變形會(huì)逐漸減小，撓曲變形越來(lái)越平緩，樁基的豎向變形也會(huì)逐漸減小。

2.在樁洞距離2.5 倍洞徑內(nèi)，通過(guò)控制隧道與既有樁基之間的水平距離可以有效控制樁基的變形，為保證既有樁基的正常使用，建議砂土地層中，隧道與樁基的最小近距離控制在2.5 倍洞徑以上。