盾構掘進對鄰近樁基影響的數值分析研究

汪 勝

(杭州地鐵運營有限公司，浙江 杭州 310019)

地鐵在城市地下空間開發和緩解交通壓力方面具有其他交通方式不可比擬的優勢。我國地鐵多是在城市發展到相當規模才進行規劃修建，且多敷設于城市主干道下方，不可避免的會穿越既有公路橋梁樁基，進而影響既有橋梁的受力狀態，對橋梁安全運營構成威脅[1-8]。國內外學者在盾構穿越既有建筑基礎方面不斷的探索研究，張云等[9]在分析盾構施工引起地表沉降原因的基礎上，探討了地表變形對等代層參數的敏感性；劉招偉等[10]以廣州地鐵為背景，根據現場監測結果，總結分析了盾構施工引起的地表沉降規律；袁海平等[11]基于橋樁結構耦合彈簧力學計算原理與有限差分方法，研究了盾構近距離側穿樁基引起的樁基承載特性變化；N. Loganathan等[12]通過離心試驗發現樁與隧道之間的距離以及樁長與隧道埋深的相對關系直接影響樁基的軸力和彎矩的大小；韓進寶等[13]通過三維有限元數值分析和離心模型試驗分析了在不同樁長和盾構隧道埋深情況下引起的樁基受力和變形規律；馮國輝等[14]基于Winkler和Pasternak地基模型，采用差分法發現隔離樁對盾構隧道穿越鐵路樁基引起的樁基響應有明顯的改善作用；王麗等[15]通過三維數值模擬探討了盾構掘進過程中樁基承載特性的變化趨勢；沈建文等[16]結合現場實測結果采用有限元模擬分析了盾構施工引起的樁基豎向沉降、水平側移和內力變化；宮全美等[17]提出了一種盾構施工引起的樁基承載力損失計算方法并結合數值模擬探討了該方法的適用性；寇曉強等[18]基于實測結果和數值模擬，探討了旋噴加固法在盾構隧道穿越建筑物樁基時對樁基的加固效果。

綜合分析盾構穿越工程方面的研究成果，多集中于特定工況下盾構施工引起的響應分析，較少對鄰近樁基受盾構隧道開挖引起的樁基響應規律進行系統性的研究，鮮有不同樁間距下樁基承載規律的變化分析。筆者依托蘭州地鐵穿越公路橋梁樁基工程，采用MIDAS GTS進行數值模擬[19]，系統性的分析了盾構隧道側穿不同位置單樁和不同樁間距的雙樁時引起的樁基響應規律，研究成果可為類似工程的設計建造提供理論支撐和借鑒。

1 模型設計

建立有限元模型，見圖1,圖2，模型尺寸長100 m、寬72 m、高50 m，側面和底面施加位移邊界，地面為自由邊界，采用修正摩爾-庫侖屈服準則。隧道外側距單樁樁體中心距離L=0.25D，0.5D，1D，1.5D，2D(D為隧道直徑)，雙樁樁間距S/d=2，3，4，6(S為樁間距，d為樁體直徑)，鄰近隧道樁體(以下簡稱鄰近樁)與隧道距離為常量0.25D，通過改變相鄰樁位置改變樁間距。單樁樁頂荷載2 533.4 kN，雙樁承臺荷載5 066.8 kN。模型中各項參數見表1，表2。

表1 土體物理力學參數

表2 結構參數

2 單樁響應分析

2.1 變形分析

不同間距L下盾構隧道掘進引起的單樁豎向和水平變形分別見圖3，圖4。

由數值模擬分析結果可知，隧道掘進引起應力釋放，導致土體體積損失，土體位移變化引起樁基響應，不同間距L的基樁產生了不同程度的變形。如圖3所示，當L=0.25D時，單樁沉降為27.26 mm，相比隧道開挖前的17.98 mm 增大了9.28 mm；隨間距L增大，樁體受隧道開挖影響逐漸變弱，沉降逐漸減小，當L=0.5D，1D，1.5D時樁體沉降分別為26.84 mm，24.83 mm，23.59 mm；當L增大到2D時，樁體沉降為22.45 mm，相比初始沉降增量為4.47 mm，隨間距L增大，樁體沉降減小了4.81 mm。

如圖4所示，隧道開挖引起的樁體水平位移以撓曲為主。隧道開挖前樁體基本不發生水平位移，當L=0.25D時，最大水平位移為4.35 mm，隨L增大最大水平位移減小，當L=2D時，為2.01 mm，同比減小了53.7%。最大水平位移均發生在隧道附近，但各點并不重合，隨間距L增大，最大位移點稍有提升，當L從0.25D增大到2D時，最大位移點從樁體埋深18 m處提升至15 m處，各樁的撓曲程度也隨之減弱，撓曲形態發生改變。

2.2 軸力和彎矩分析

不同間距L下盾構隧道掘進引起的單樁軸力增量和彎矩分別見圖5,圖6。

由分析結果可知，在不同間距L下，各樁軸力在隧道開挖前后變化差異明顯。如圖5所示，軸力增量變化趨勢均為先增大再減小，由于盾構掘進引起隧道頂部沉降槽內土體沉降明顯，導致樁上部側摩阻力未能充分發揮，并且存在一點在隧道開挖前后側摩阻力不發生變化，即軸力增量拐點，該點以上側摩阻力小于開挖前，以下側摩阻力大于開挖前。隨間距L增大，土體沉降對樁側摩阻力發揮性狀影響逐漸減小，不變點上移，樁下部側摩阻力充分發揮，軸力增量出現負值。當L=0.25D時，軸力增量始終為正值，各點軸力均大于開挖前，極不利于樁基承載。在樁體埋深0 m～14 m范圍內，軸力增幅明顯，最大增量為387.56 kN，不變點出現在樁長14 m處；當L=0.5D時，軸力最大增量為344.15 kN，樁底出現負值，不變點位于樁長12 m處；隨L增大，最大增量逐漸減小，當L=2D時，軸力最大增量為90.71 kN，不變點位于樁長8 m處，而樁端軸力相對于開挖前減小了110.82 kN，說明隧道開挖在引起樁基沉降增大的同時也促進了基樁下部側摩阻力的發揮。

隧道開挖、樁基空間位置對樁身彎矩影響顯著，如圖6所示。

隧道開挖前樁身彎矩很小，最大彎矩為4.13 kN·m，當L=0.25D時，最大彎矩為-50.15 kN·m，同比增大了12.1倍；當L=0.5D時，最大彎矩為-26.23 kN·m，同比增大了6.4倍；當L=1D時，最大彎矩為-16.49 kN·m，同比增大了4.0倍；當L=1.5D時，最大彎矩為-10.99 kN·m，同比增大了2.7倍；當L=2D時，最大彎矩為-5.68 kN·m，同比增大了1.4倍；由分析結果可知，隧道開挖導致鄰近樁彎矩增幅明顯，隨間距L不斷增大，增幅逐漸減小，當L=2D時，增幅有限，已基本不產生明顯影響。

2.3 承載力損失分析

模擬單樁載荷試驗，繪制Q-s曲線。如圖7所示，以800 kN為一級施加荷載，以沉降值50 mm對應的荷載為單樁極限承載力，測得極限承載力為5 066.8 kN。以承載力特征值2 533.4 kN為初始工作荷載，隧道開挖后繼續加載至破壞。當L=0.25D，0.5D，1D，1.5D，2D時，極限承載力分別為4 189.5 kN，4 316.0 kN，4 457.9 kN，4 642.6 kN，4 854.6 kN。

以隧道開挖前的單樁極限承載力為Qb，開挖后的極限承載力為Q1，以開挖前的極限承載力和開挖后的差值與開挖前的極限承載力比值定義承載力損失比e，如式(1)所示。

(1)

計算可知當L=0.25D，0.5D，1D，1.5D，2D時，其承載力損失比分別為17.3%，14.8%，12.0%，8.4%，4.2%。可知盾構隧道開挖導致樁基承載力損失，但開挖后的極限承載力仍大于初始承載力特征值，樁基仍適于承載。

3 雙樁響應分析

3.1 變形分析

雙樁其承載特性受群樁效應影響與單樁有很大差別。設計雙樁樁基，樁間距S/d=2，3，4，6，以樁間距為變量，鄰近樁與隧道間距L=0.25D為常量，分析不同樁間距雙樁在盾構隧道施工時引起的承載性能變化。

雙樁間距S/d=2，3，4，6時，鄰近樁受盾構施工影響引起的豎向沉降和水平變形見圖8，圖9。由分析結果可知，雙樁位移增量在不同樁間距下差異明顯。如圖8所示，承臺的約束作用在樁間距較小時顯著，當S/d=2，樁頂沉降增量為8.23 mm，相比單樁沉降增量9.28 mm減小了1.05 mm；當S/d=3，4，6時，沉降增量分別為8.36 mm，8.52 mm，9.20 mm，相比單樁沉降分別減小了0.92 mm，0.72 mm，0.08 mm，可知隨樁間距增大，沉降逐漸增大，當S/d=6時，雙樁中的鄰近樁和單樁沉降增量幾乎相同。但單樁與雙樁中的鄰近樁沿樁體埋深的沉降增量發展趨勢不同，單樁相比鄰近樁沉降增量遞減快，單樁樁頂沉降增量大于1號樁0.08 mm，而樁端小于0.02 mm。這說明單樁受盾構開挖引起的軸力遞減快、側摩阻力更大，而雙樁受承臺和相鄰樁對土體的限制作用，樁土相對位移較單樁小，側摩阻力發揮緩慢。

盾構隧道施工引起的樁體水平位移隨樁間距變化趨勢如圖9所示，和單樁相同，不同樁間距下最大水平位移仍發生在隧道附近，但相鄰樁對土體剛度的增強作用，導致鄰近樁樁體水平位移小于單樁水平位移。當樁間距S/d=2，3，4，6時，鄰近樁最大水平位移分別為3.88 mm，3.97 mm，4.02 mm，4.12 mm，相比于單樁最大水平位移4.35 mm，分別遞減了0.47 mm，0.38 mm，0.33 mm，0.22 mm。可知相鄰樁對土體剛度的增強作用隨樁間距增大而逐漸減弱，最大水平位移逐漸增大而趨于和單樁相似的水平變形。

3.2 彎矩分析

不同樁間距下鄰近樁彎矩的變化如圖10所示。

當S/d=2時，最大彎矩為-35.02 kN·m，同比單樁最大彎矩減小了30.2%，當S/d=3，4，6時，鄰近樁最大彎矩分別為-37.48 kN·m，-40.12 kN·m，-44.29 kN·m，同比單樁分別減小了25.3%，20.0%，11.7%。可知，受雙樁相鄰樁的限制作用鄰近樁比同位置單樁彎矩小，隨樁間距增大，限制作用不斷減弱。

4 結論

1)隧道開挖導致土體發生位移引起樁基響應，隨單樁與隧道的距離L不斷增大，樁體豎向位移減小。當L=0.25D時，單樁沉降為27.26 mm，相比隧道開挖前初始狀態的17.98 mm增大了9.28 mm，隨間距增大到L=2D，樁體沉降同比L=0.25D時減小了4.81 mm；雙樁中的鄰近樁隨樁間距增大其豎向沉降增量逐漸增大，當S/d=6時，樁頂沉降增量與單樁相近，但單樁隨樁身向下沉降增量遞減快，側摩阻力更易發揮。

2)單樁L=0.25D時，最大水平位移為4.35 mm，隨L增大最大水平位移減小，當L=2D時，為2.01 mm，同比減小了53.7%，最大水平位移點出現在隧道附近，但隨L增大逐漸上移；雙樁中相鄰樁能有效增強土體剛度，隨樁間距增大增強作用減小，當S/d=2時，鄰近樁最大水平位移同比單樁減小了0.47 mm。

3)單樁在不同間距L下，軸力增量變化趨勢均為先增大再減小，軸力增量拐點即為側摩阻力不變點，以上側摩阻力小于開挖前，以下大于開挖前，隨間距L增大不變點上移，當L=0.5D時，樁底軸力增量出現負值。

4)單樁彎矩隨間距L增大而減小；同比開挖前最大彎矩增大了12.1倍～1.4倍；不同樁間距下雙樁中鄰近樁彎矩隨樁間距增大而減小了30.2%～11.7%。

5)間距L從0.25D增大到2D時，單樁極限承載力損失比從17.3%遞減至4.2%，各樁剩余極限承載力大于單樁承載力特征值，仍適于承載。