樁基施工過程對鄰近建成地鐵隧道的影響研究

羅曉生，黃全兵，劉振，蔣曉亞，夏聰

（中建二局第一建筑工程有限公司，廣東佛山528000）

1 引言

為了緩解城市的交通壓力，減輕對生態環境造成的污染，科學合理地應用地下空間是城市化建設發展中的一項必然選擇。 國內很多城市近些年均加大了地鐵工程的修建力度，地鐵運營有效緩解了城市早晚高峰交通壓力及環境污染問題。 很多地鐵線路要穿過密集分布的建（構）筑物與交通路面網，運營環境十分復雜。 并且城市內很多高層或超高層建筑鄰近地鐵隧道建設， 其樁基施工給地鐵隧道帶來的影響備受社會關注。 樁基施工很容易擾動周邊土體，進而使鄰近隧道形成較大的附加變形與內力，出現局部管片受損、滲漏水等狀況，甚至在部分時段造成地鐵停運，造成較大的經濟損失，產生惡劣的社會影響[1]。本文結合差異化樁基施工工況下既有地鐵隧道本體的改變特征，基于有限元分析法探究多因素產生的影響。

2 工程概況

本工程共計有3 宗地塊，總用地面積達到18 773.1 m2，已知當前用地性質是居住用地，項目擬開發建設用地面積18642.3m2，規劃容積率是6.4。 建設內容包括了住宅、配套商業以及公共配套設施。 項目規劃容積建筑面積達到了119 680.5 m2，停車位1 159 個。

基坑支護、土石方工程，基坑開挖深度范圍是8.00～14.20 m（負2 層區域）、4.5～6.6 m（負1 層區域），基坑周長757.5 m 左右，基坑面積大概為16 879.5 m2。咬合樁+一道撐作為本工程的支護型式。

工程當前地面標高范圍大概是6.00～8.50 m， 基坑底高程-2.000 m，基坑深4.50～14.20 m，周長757.5 m 左右。 場地坐落在深圳市羅湖區，基坑西側是邊檢大樓，用地紅線和邊檢大樓最近處大概為30.0 cm。 北側是羅湖村，項目紅線距與周邊建筑存在著多處沖突。 場地內標高與羅湖村地面標高差值大概為2.0 m。 該位置房屋建筑年限相對較長，結構安全性整體較差。 現場鉆探發現，場地廣泛覆蓋著素填土，其下是第四系沖洪積層、殘積層粉質黏土，下伏基巖為侏羅系砂巖。

3 建立有限元模型

3.1 模型尺寸及參數選擇

運用Plaxis 3D 有限元軟件， 模型方向取值分別是60 m、120 m、60 m，地下水位線處于-4 m 位置。 該模型上表面是自由面，下表面與側面設定成固定約束。 樁基半徑、樁長分別是0.6 m、30 m；地鐵隧道內徑、外徑、埋深、襯砌厚度分別是5.5 m、6.2 m、19.0 m、0.35 m。

選擇小應變土體硬化（HSS）模型作為土體本構模型，進而更客觀地分析隧道變形情況。 高強度混凝土是靜壓樁基施工的常用建材，以上建立的模型選用強度等級達到C60 混凝土，樁基混凝土重度γ=25 kN/m3，彈性模量E=3.5×104MPa，泊松比v=0.20。 隧道襯砌的橫向彈性模量， 縱向彈性模量和泊松比、 剪 切 模 量G 對 應 值 分 別20 kN/m3、6.48 GPa、34.6 GPa、0.10、2.82 GPa。

3.2 創建有限元模型

為了能更好地模擬樁基擠土效應導致周邊土體的位置偏移情況，本文結合試驗情況調整部分參數，設定正向、側向壓力分別是3.5 MPa、1.0 GPa， 圖1 是有限元模型網格劃分情況[2]。 建模及運算過程可以做出如下闡述。

圖1 有限元模型網格劃分

首先，運算出初始應力場，將該應力場施加到土體上，模擬其原始應力及平衡狀態。

其次，挖掘局部土體，逐一激活負向界面、面收縮及襯砌管片，生成已建成的地鐵隧道。

再者，設定重置位移是0 mm，將樁基建材屬性調整成混凝土，逐一激活面荷載、側向荷載與負向界面能順利獲得樁基靜壓荷載工況下的原始地應力數值（本次研究中不計隧道挖掘引起的變形情況）。

最后，通過運算獲得既有隧道的變形與內力等參數值。

4 統計和分析結果

4.1 樁- 隧相對位置給隧道變形產生的影響

在本課題研究中，不同樁-隧相對位置見圖2。維持隧道埋深-19 m 固定，通過調整樁長進而獲得差異的樁-隧相對位置關系，歸納不同工況之下既有隧道本體的變形程度，摸索其遵循的規律。 運算結果見表1[3]。

表1 不同樁- 隧相對位置對應的工程情況

4.1.1 工況A-0

當樁基處于已建地鐵隧道的側面時， 工況A-0 之下隧道的變形情況及相應的云圖見圖2。在樁基擠土效應的影響作用下，樁基周圍土體出現了側向土層位移現象，進而使隧道在橫向產生了較大的變形量， 并且朝著遠離樁基的方向漸進式發展。 與此同時，因為樁基局部沉降所引起的負向摩阻力使土體朝向下方，導致既有地鐵隧道在縱向出現了形變位移。 以上現象的成因是沉樁過程中土體孔隙水應力整體上顯現出先上升后緩緩消散的發展態勢， 樁基土體會出現不同程度的徑向再固結狀況，樁周的側壁摩阻力值也隨之增加，進而造成樁側土體承受著方向向下的負摩阻力的作用。 整體分析，A-0 這種工況之下的隧道， 尤其是鄰近樁基的一定環區間中出現了較為顯著的“斜漏斗式”變形問題[4]。

觀察圖2 能初步明確樁基擠土效應導致的既有地鐵隧道變形在實際工程施工中， 應指派專人加大對該區域的實時監測與安全防控力度。

分析A-0 工況下盾構掘進方向隧道縱向與橫向位移發生情況，發現隧道縱向中間位置出現了明顯的沉降問題，尾部與頭部均略有抬起， 并且依照差異化的結構位置位移圖可以推斷出隧道截面拱頂向左側，拱底朝右，左側拱腰向下，右側拱腰朝上，整個結構出現了從圓形向斜橢圓形的改變。

以上是由于鄰近樁基底部側向土體承受著較大的壓力作用，進而帶來了十分顯著的變形作用，整個隧道表現出遠離樁側的逆時針旋轉變形樣態。 拱頂的縱向位移于60 環（實質上就是樁基位）形成了凸起，提示在土體擠壓效應的作用下地鐵結構出現了和“豎鴨蛋”狀相似度很高的改變。

4.1.2 工況A-1

這種工況之下，地鐵結構也出現了和工況A-0 內“斜漏斗式”變形很相像的表現，并且隧道中段出現了縱向拉伸變形情況，外部形態和“豎橢圓”結構很類似。 這主要是由于此時隧道處于樁基底側， 樁底應力聚集進而有較大的擠壓力作用在鄰近隧道的中段區， 故而此時隧道中段的縱向位移量會高于工況A-0。

綜合以上論述的內容可知，工況A-1、A-0 之下隧道變形趨勢一致性很高，并且其實際產生的影響范疇大體等同。

4.1.3 工況A-2

這種工況之下， 既有地鐵縱向中間位置沉降現象十分顯著，頭、尾部均略有抬高表現，橫截面外顯“斜橢圓形”，而已建隧道的縱向與橫向的變形量均不大。 出現以上現象的原因主要是由于這種工況下樁基底部構造在隧道頂之上， 隧道坐落在樁基斜下方位置， 其基本上承受的是樁底施加的應力作用與樁側負摩阻力產生的土體縱向位移， 樁側的擠土效應產生的影響是十分微弱的甚至無影響，所以，在這種工況中產生影響作用的主要是縱向位移[5]。

結合以上3 個不同工況的分析結果并參照圖3 能夠發現：和工況A-1、A-2 相比較，工況A-0 引起的隧道結構變形量更大， 隧道內出現了十分顯著的橫向收斂變形問題。 工況A-2 作用下，隧道變形有反向收斂的表現，主要是由于樁基處于隧道斜上方，不會承受較大的側向擠土壓力作用，而在樁底位置應力逐漸聚集，隨后孔隙水壓力逐漸消散，以致隧道出現了偏向樁基單側的二次變形問題。

圖3 不同樁- 相對位置隧道橫向收斂變形曲線圖

4.2 隧道埋深給隧道變形帶來的影響

伴隨埋深值的增加， 隧道橫向與縱向位移量均呈現出漸進式減少的趨勢，表明對隧道埋深產生的影響較小，預示著土層不僅是傳送變形的媒介， 也是使變形量持續衰減的一個主要路徑。 故而，應積極做好淺埋隧道變形情況的研究工作。 另外，隧道變形形態均和工況A-0 內保持一致：工況B-1、B-2與B-3（見表2）作用下，隧道橫向均出現了十分明顯的側向移動情況，這主要和側向擠土效應產生的壓縮性之間有關聯。 淺埋隧道中段的縱向拉伸變形程度十分顯著， 拱頂與拱底的相對位移差約為1.5 mm，由此可見，淺層土體的敏感度處于較高水平，承受擾動以后自身會生成較大的土體側向變形量[6]。 所以， 對鄰近淺埋隧道的樁基施工時一定要格外注意周邊土體的位移問題，建議運用微擾動施工方法。

表2 不同隧道埋深對應的工況

4.3 樁- 隧水平凈距給隧道變形產生的影響

本文主要針對差異化樁-隧水平凈距 （樁長為30.0 m，樁基半徑0.6 m），探究其對既有隧道的變形量產生的影響。伴隨水平凈距數值的增加， 既有隧道的變形量呈現出漸進式減小趨勢，并且通過觀察后發現當距離相對較近時，通過調整凈距大小能較有效地減小樁基現場施工操作帶來的影響， 并且在距離偏遠時由凈距影響作用造成的變形差異偏小，尤其是在2.0D 范疇之外，以上這種表現會更為顯著。 這主要是由于土體本體作為樁-隧道相互作用的主要媒介，承擔著傳送地層變形的“職責”。 伴隨樁-隧水平凈距值的持續增加，變形于傳送過程中持續衰減，樁基現場施工帶來的影響會慢慢減小。

為了降低樁基施工給鄰近隧道帶來的影響， 常規做法是使樁基盡可能地遠離隧道， 并且對其現場施工作業方式做出明確限制。 國內有部分一線城市按照距隧道工程的距離分成3.0 m 與30.0 m 兩個不同區域分別對待。 但至今國內還沒有提出適用于各類土質條件的樁基礎鄰近既有地鐵項目施工額度分區分級規定，以致其用于實體工程內欠缺靈活性。

4.4 樁基半徑給隧道變形帶來的影響

差異化樁基半徑對應的工況見表3。 伴隨樁基半徑的擴增， 既有隧道結構變形量也隨之加大， 并且當隧道埋深較淺時， 以上這種影響更為顯著。 這主要是由于樁基半徑值偏大時，其和土體形成的接觸面積也會逐漸增加，故而會對土體的側向位移產生較大的影響，生成較明顯的擠土效應。 綜合以上論述內容，鄰近既有隧道的樁基礎在設計選型環節中，不僅要著重分析樁基本體的縱向承載能力， 還要科學調控樁基半徑與長度， 盡可能地增加以上兩項參數值和既有隧道結構的適應度，進而降低樁基施工給既有地鐵變形的作用程度。

表3 不同樁基半徑對應的工況

5 結語

處于隧道側面的樁基現場施工時會使隧道出現較大的變形，縱向中間位置沉降現象十分顯著，頭尾部稍有抬起，整個橫截面呈現出斜橢圓形樣態。 隧道埋深值越大其變形量就越小，而樁基半徑越大時，既有隧道變形量就越大；樁基鄰近淺埋隧道施工過程中一定要加強土體位移的控制， 建議運用微擾動施工辦法。 參照樁-隧水平凈距的差異，樁基鄰近既有隧道施工時盡可能地選擇4.0D 之外范圍，借此方式使整個地鐵結構的安穩性得到一定保障。