地铁旁穿桥梁桩基础数值模拟

苗 峰，唐德金

（大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622）

0 引言

桩基础具有承载力高，稳定性好，沉降变形小的优点，被广泛的应用在高层建筑、大型桥梁的基础中[1]。随着城市交通建设的发展，地铁以其特有的交通优点受到大量城市的青睐，大量的城市处在建设地铁的高峰期。其中盾构法为目前修建地铁隧道的主要施工方法，对周围环境影响小且施工安全快速[2,3]。地铁的建设在地层中遇到的环境越来越复杂，不可避免地会近接或穿越已有的桩基础。地铁盾构施工造成地下土体损失，隧道附近应力场发生变化，地面和桩基发生沉降变形，桩基承载力降低，桩的力学性能发生变化，存在一定的风险。因此在施工前应就隧道开挖对桩基础的影响进行安全评估，采取相应措施，保证隧道能顺利通过既有桩基础[4-6]。

大连地铁促春区间隧道穿越高架桥桩基础，由于大连地区工程地质和水文地质条件及施工环境比较复杂，工程诱发产生的风险极大并且没有可以利用的资料，通过有限元软件建模分析，对大连地铁隧道穿越桥基的施工提供了理论依据、工程指导，同时也为大连地区同类型工程提供了指导借鉴作用。

1 工程背景

1.1 工程地质条件

大连地铁香沙区间地铁隧道地层条件比较复杂。地表覆盖素填土杂填土等，并且存在强风化和中风化岩层。根据《岩土工程勘察报告》，土体的物理力学参数如表1 所示。

表1 土体的物理力学参数

1.2 工程概况

大连地铁202 标盾构区间段始于促进路站终于春光街站，区间设计范围为线长997.726 m。隧道拱顶覆土最大20 m，最小11.2 m，本阶段地铁隧道埋深为16 m 左右。隧道开挖的直径为6.2 m，采取盾构施工法。隧道地层条件为石质，地表覆盖细角砾土，下部为页岩和石英砂岩。设计按Ⅳ级围岩防护。

地铁盾构开挖旁穿附近的立交桥桩基础，基础为钻孔灌注摩擦桩，桩径2 m，桩长25 m。隧道埋深15.8 m，桩中心距隧道外径为3.2 m。桩基混凝土强度等级为C30，单桩设计竖向承载力3000 kN；右线隧道距离桥梁桩基平面距离较近.，平面距离为1.1 m。

2 有限元模型

建模时选取模型尺寸为60×80×40 m (X×Y×Z)，整体模型包括 4 个地层，其中素、杂回填土、强风化、中风化板岩采用M-C 模型，桩体单元属性为梁，模型类型为弹性，桩土间摩擦效应采用面—面接触模拟，本构关系采用摩尔—库伦线弹塑性模型。衬砌管片为喷射混凝土，桩体、隧道衬砌、盾构壳体均采用8 节点线弹性板单元模拟，桩-土、盾壳-土体和衬砌-土之间均设置接触面单元。共有计算单元11280 个，计算节点135060 个。模型顶为自由面，底面加双向约束，左右边面的边界条件为水平约束，前后面的边界条件为水平约束，桩体顶面的约束为自由。

3 结果分析

隧道盾构开挖使得周围土层发生位移，并且影响到周围桩基础的应变，桩体的变形包括竖向沉降变形和水平方向变形。

3.1 桩体竖向位移结果分析

由图1 可知，在step-22 以后，桩体的沉降逐渐增大，在step-27 时，桩顶的竖向位移为8 mm，桩端的竖向位移为7 mm，比桩顶小1 mm。在step-37 前后，桩体沉降变化较大，此时盾构机已经穿越桩基。随着开挖面逐渐接近桩基，桩基的竖向沉降逐渐变大，施工完成时，桩基的竖向沉降达到最大值，最大的沉降发生在桩顶位置。桩端的竖向沉降因为桩端持力层的承载力大和桩侧摩阻力的阻碍作用，从而导致桩端的沉降值比桩顶的沉降小。

图1 不同施工阶段的桩体竖向沉降位移

3.2 桩体水平位移结果分析

不同施工阶段桩体水平位移如图2 所示；掘进过程中，盾构机千斤顶的顶推力用以平衡前方岩土体的压力，同时也存在摩擦力，这种摩擦作用对土体的干扰是不可避免的。在这两种外力的作用下，step-10时，桩顶以下，桩体受盾构的剪力而向前移动，主要表现为正值，并且随着隧道的掘进而增大，在step-22时，桩端的最大水平位移值为3.50 mm。当盾尾通过后，千斤顶向后的作用力，使周边的土体向后移动，step-27 以后桩端的位移有所减小，加上地层的损失率的影响，桩顶端的位移背离盾构前进方向，主要表现为负值。

图2 不同施工阶段的桩体水平位移

3.3 桩体的轴力结果分析

如图3 所示，随着开挖推进，在桩身距桩顶部0~10 m 的范围内桩身的轴力基本不变，10 m 以下桩周围土层产生很小的正摩阻力，桩体轴力有减小的趋势。在step-22 时，盾构机开始旁穿桩体，盾构开挖使得周围土体损失，造成桩周土体沉降量增大，由于桩周土体沉降量大于桩体沉降量，而产生负摩阻力，使得桩体的轴力增加。在step-37 时，轴力达到最大值。随着隧道的掘进，桩身轴力值和桩侧摩阻力达到稳定状态。

图3 不同施工阶段的桩体轴力

3.4 地表沉降结果分析

开挖隧道，引起的地层的损失，地表发生沉降。从图4 隧道开挖起始面最终位移云图可以清楚的看到土体的位移变化规律。隧道上面的土体向下沉降，底部土体向上回弹。

从图5 隧道施工引起的桩基上方的地表沉降曲线可以看出，step5 开始，沉降越来越大，step37 时达到最大值27.5。靠近隧道一侧的土体变形大于另一侧，最大沉降发生在隧道上方。并且离隧道中心线越远，其变形值越小。

图4 盾构开挖起始面最终位移云图

图5 不同施工阶段的地表沉降曲线

4 结论

（1）隧道开挖对桩基及周围土体有一定的影响，隧道深度范围以内，桩体变形相对较大，隧道周围桩体变形较大，当隧道开挖至桩基断面附近时，桩基的变形发展相对较快。

（2）隧道开挖各步对桩的内力变化有较大的影响，桩体轴力在桩顶处较大，随着深度的增加变化很小，在10～15 m 范围内因土层沉降而使得桩轴力有较大的增加。

（3）桩周土层沉降曲线在桩中心处沉降值最大，两侧离桩轴线越远，其沉降值越来越小，符合peck所提出求解隧道开挖引起土体位移的正态分布计算方法。

（4）大连地区地质条件复杂，城市地铁盾构开挖过程中所遇到的环境比较复杂，通过对大连地铁旁穿桥梁桩基的数值模拟，对施工提供了理论依据、工程指导，同时也为大连地区同类型工程提供了指导借鉴作用。

[1] 刘金砺, 高文生, 邱明兵. 建筑桩基技术规范应用手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[2] 周文波. 盾构法隧道施工技术及应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004.

[3] Manuel M, Luis M, Jose M R, Prediction and analysis of subsidence induced by shield tunneling in the madrid metro extension[J].Canadina Geotechnical Journal, 2002, 39(6): 1273-1287.

[4] A pastsakon kitiyodomny, Tatsunori Matsurmoto kanji kawaguchi. Simplified analysis method foe pile raft foundation subjected to ground movements indeced by tunneling [J]. International journal for numerical and Analytical in Geomechanics. 2005(29): 1485-1507.

[5] 张志强, 何川. 地铁盾构隧道近接桩基的施工力学行为研究[J]. 铁道学报, 2003,25(1): 92-95.

[6] 李进军, 王卫东, 黄茂松, 等. 地铁盾构隧道穿越对建筑物桩基础的影响分析[J]. 岩土工程学报, 2010(S2): 166- 170.