盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基礎(chǔ)建筑物變形特性分析

周海洋

（北京環(huán)安工程檢測(cè)有限責(zé)任公司，北京 100082）

進(jìn)入21 世紀(jì)，城市化進(jìn)程不斷加快，軌道交通得到迅速發(fā)展[1-3]。盾構(gòu)法作為地鐵隧道施工的重要方法，在地鐵隧道修建過(guò)程中被廣泛應(yīng)用。由于地鐵線路的整體規(guī)劃性，這些盾構(gòu)隧道的建設(shè)往往要穿越樁基礎(chǔ)建筑物。盾構(gòu)法施工過(guò)程造成了土體的卸荷，改變了土體原有的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，該過(guò)程不可避免地作用于鄰域內(nèi)的樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)傳遞給上部結(jié)構(gòu)，引起上部結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力和變形，造成上部建筑物的傾斜或者倒塌，直接影響地面建筑物的安全和使用。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展了研究工作[4-11]，但現(xiàn)有研究主要針對(duì)具體工程展開(kāi)，研究成果較少體現(xiàn)樁基礎(chǔ)的埋深對(duì)上部建筑物的影響。本文應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，以盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基礎(chǔ)建筑物為例，著重分析了在樁基礎(chǔ)不同埋深的情況下，盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基礎(chǔ)建筑物對(duì)地表沉降和建筑物變形的影響。

1 三維有限元數(shù)值分析模型建立

1.1 工程概述

北京地鐵10 號(hào)線某盾構(gòu)隧道工程，盾構(gòu)隧道直徑6.6 m，拱頂覆土16.0 m，襯砌管片環(huán)寬1.2 m，壁厚0.3 m。某樁基礎(chǔ)建筑物與該盾構(gòu)隧道間距7.05 m，為本工程重要風(fēng)險(xiǎn)源。該樁基礎(chǔ)建筑物為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，地下1 層，地上8 層。其中-1 層和1 層層高4.5 m，2～8 層層高3.6 m。地下室外墻厚度400 mm，剪力墻厚度300 mm?；A(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，樁徑0.80 m。盾構(gòu)隧道與樁基礎(chǔ)建筑物相對(duì)位置如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與建筑物相對(duì)位置（單位：mm）

1.2 模型材料參數(shù)

本文應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。土體與注漿層采用實(shí)體單元模擬（莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型）；盾殼、管片襯砌、剪力墻、樓板、地下室外墻、結(jié)構(gòu)底板均采用面單元模擬（彈性本構(gòu)模型）；框架柱、框架梁等均采用梁?jiǎn)卧M（彈性本構(gòu)模型）；樁體采用樁單元模擬，樁土之間設(shè)Goodman 接觸單元。本工程位于北京東部地區(qū)，在勘探深度范圍內(nèi)，地基土層主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、黏土、砂土及卵礫石組成。地基土層的基本物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1 所示，盾構(gòu)隧道、盾殼、注漿體、建筑物等結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)部分物理力學(xué)參數(shù)表

1.3 有限元模型尺寸及網(wǎng)格劃分

如圖2 所示，有限元計(jì)算模型中，須合理控制尺寸大小及網(wǎng)格密度，在確保計(jì)算精度的同時(shí)，盡量減少計(jì)算時(shí)間。有限元模型中，計(jì)算模型區(qū)域的長(zhǎng)寬高為180 m×48 m×33.4 m，網(wǎng)格劃分采用定義線性梯度的方法，輸入起點(diǎn)單元網(wǎng)格和終點(diǎn)單元網(wǎng)格的長(zhǎng)度，按線性插值，自動(dòng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)位置，使得建筑物和盾構(gòu)隧道周圍網(wǎng)格相對(duì)密集，邊界處網(wǎng)格相對(duì)稀疏，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，也保證了一定的計(jì)算效率。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分（單位：m）

1.4 盾構(gòu)隧道施工過(guò)程模擬

本文采用單元網(wǎng)格激活-鈍化的方式模擬盾構(gòu)隧道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程，盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬步驟如下所示：①建立盾構(gòu)隧道-土層-樁基-建筑物三維數(shù)值分析模型，計(jì)算土體在自重應(yīng)力下的初始應(yīng)力場(chǎng)，并將位移清零。②“激活”建筑物結(jié)構(gòu)體系、樁單元、樓面荷載，計(jì)算結(jié)構(gòu)部分施做完成后的應(yīng)力場(chǎng)，并將位移清零。③定義盾構(gòu)隧道施工步序，每環(huán)土體開(kāi)挖為1.2 m。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)按照3 個(gè)施工階段進(jìn)行，分別為土體開(kāi)挖、盾殼推進(jìn)、管片安裝及盾尾注漿，應(yīng)力釋放比例通過(guò)計(jì)算為30%、30%、40%。④依次循環(huán)步驟③，直至開(kāi)挖完成，本文開(kāi)挖土體及盾構(gòu)隧道支護(hù)共計(jì)48步，第15 步至第35 步側(cè)穿建筑物所在位置，為整個(gè)施工過(guò)程中最危險(xiǎn)的施工步序。⑤計(jì)算分析及后處理。

1.5 計(jì)算方案

為深入研究樁基礎(chǔ)埋深對(duì)地表沉降、樁基礎(chǔ)及建筑物變形的影響。本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)如下3種計(jì)算方案進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)值分析計(jì)算方案如圖3所示。

方案1：樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度為10 m，即樁底位于盾構(gòu)隧道上方1.55 m 處，如圖3（a）所示。

方案2：樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度14.75 m，即樁底位于盾構(gòu)隧道中部，如圖3（b）所示。

方案3：樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度21.85 m，即樁底位于盾構(gòu)隧道下方3.75 m 處，如圖3（c）所示。

圖3 數(shù)值分析計(jì)算方案（單位：mm）

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 地表沉降分析

盾構(gòu)隧道土方開(kāi)挖造成了鄰近區(qū)域土體的卸荷，改變了地基土原有的應(yīng)力狀態(tài)，該過(guò)程不可避免地會(huì)對(duì)鄰近的建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生影響。盾構(gòu)隧道穿越樁基礎(chǔ)建筑物施工過(guò)程中，建筑物所在位置的地表沉降曲線如圖4 所示。

圖4 地表沉降曲線

分析圖4 可知：盾構(gòu)隧道施工對(duì)于地表沉降的影響具有一定的空間效應(yīng)，在盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面2.5D（D為盾構(gòu)隧道直徑）距離以內(nèi)范圍的土體沉降量變化較大，距離盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面4D距離以上時(shí)，地表沉降逐步趨于穩(wěn)定。盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降的影響具有一定的時(shí)間效應(yīng)，在盾構(gòu)隧道施工側(cè)穿建筑物所在位置時(shí)地表沉降變化明顯，本文中盾構(gòu)隧道側(cè)穿建筑物階段（開(kāi)挖第15 步至開(kāi)挖第35 步）所引起的地表沉降約占整體沉降量的70%。地表沉降曲線整體較為光滑，基本沿盾構(gòu)隧道軸線中心對(duì)稱分布，在建筑物所在區(qū)域曲線近似直線分布且出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，這說(shuō)明盾構(gòu)隧道施工對(duì)已有建筑物已產(chǎn)生了影響。在樁基礎(chǔ)埋深10 m 時(shí)，建筑物所在區(qū)域的地表最大不均勻沉降約為26 mm；在樁基礎(chǔ)埋深14.75 m 時(shí)，建筑物所在區(qū)域的地表最大不均勻沉降約為18 mm；在樁基礎(chǔ)埋深21.85 m 時(shí)，建筑物所在區(qū)域的地表最大不均勻沉降約為8.5 mm。說(shuō)明隨著樁基礎(chǔ)埋深的增加，建筑物所在區(qū)域地表的不均勻沉降不斷減小，適度地增加樁長(zhǎng)，可對(duì)建筑物所在區(qū)域的地表不均勻沉降起到較好的抑制作用。

2.2 結(jié)構(gòu)位移分析

盾構(gòu)隧道施工造成了鄰域土體的卸荷，鄰域土體卸荷引起的附加應(yīng)力作用于樁基礎(chǔ)并傳至上部結(jié)構(gòu)，不可避免地會(huì)造成樁基礎(chǔ)及建筑物位移的變化。盾構(gòu)隧道施工完成后，樁基礎(chǔ)及建筑物的位移云圖如圖5所示。

分析圖5 可知：樁基礎(chǔ)建筑物整體剛度較好，主要產(chǎn)生朝向盾構(gòu)隧道位置的水平位移，隨著層高的增加，水平位移逐步積累，并不斷增加，且樁基礎(chǔ)的水平位移小于建筑物的水平位移。在樁基礎(chǔ)埋深10 m時(shí)，建筑物最大水平位移約為34.5 mm；在樁基礎(chǔ)埋深14.75 m 時(shí)，建筑物最大水平位移約為27.8 mm；在樁基礎(chǔ)埋深21.85 m 時(shí)，建筑物最大水平位移約為16.9 mm。說(shuō)明隨著樁基礎(chǔ)埋深的增加，盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基礎(chǔ)建筑水平位移的影響逐步減小。盾構(gòu)隧道施工完成后，樁基礎(chǔ)及建筑物在近盾構(gòu)隧道區(qū)域下沉，在遠(yuǎn)盾構(gòu)隧道區(qū)域上浮。樁基礎(chǔ)埋深10 m 時(shí)，建筑物左側(cè)下沉32.0 mm，右側(cè)上浮6.36 mm，相差38.36 mm；在樁基礎(chǔ)埋深14.75 m 時(shí)，建筑物左側(cè)下沉25.5 mm，右側(cè)上浮4.03 mm，相差29.53 mm；在樁基礎(chǔ)埋深21.85 m 時(shí)，建筑物左側(cè)下沉13 mm，右側(cè)上浮1.68 mm，相差14.68 mm。說(shuō)明盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基礎(chǔ)建筑物施工過(guò)程中，對(duì)樁基礎(chǔ)埋深較淺的建筑物的影響要遠(yuǎn)大于埋深較大的建筑物。盾構(gòu)隧道施工對(duì)于樁基礎(chǔ)位移的影響具有一定的空間效應(yīng)，在盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面2D距離以內(nèi)范圍的樁基礎(chǔ)位移變化較大，距離盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面3D距離以上時(shí)，樁基礎(chǔ)的位移基本不發(fā)生變化。

圖5 樁基礎(chǔ)及建筑物位移云圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，以北京地區(qū)某典型工程為例，分析了盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基礎(chǔ)建筑物產(chǎn)生的影響。主要結(jié)論包括以下3 點(diǎn)。

盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基礎(chǔ)建筑物施工對(duì)地表沉降的影響具有空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面2.5D（D為盾構(gòu)隧道直徑）距離內(nèi)地表沉降量變化較大，距離盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面4D距離以上時(shí)，地表沉降基本不發(fā)生變化；盾構(gòu)隧道施工側(cè)穿樁基礎(chǔ)建筑物階段所引起的沉降量約占整體沉降量的70%。

盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基礎(chǔ)建筑物施工使得鄰域內(nèi)的樁基礎(chǔ)建筑物產(chǎn)生朝向隧道所在位置的水平位移，隨樁基礎(chǔ)埋深的增加，盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基礎(chǔ)建筑水平位移的影響逐步減小。盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基礎(chǔ)建筑物施工使得鄰域內(nèi)樁基礎(chǔ)建筑發(fā)生不均勻沉降。樁基礎(chǔ)建筑物在近地鐵隧道區(qū)域下沉，在遠(yuǎn)盾構(gòu)隧道區(qū)域上浮，隨著樁基礎(chǔ)埋深的增加，建筑物左右兩側(cè)的沉降差逐步減小，說(shuō)明盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基礎(chǔ)埋深較淺的建筑物的影響要遠(yuǎn)大于樁基礎(chǔ)埋深較大的建筑物。