城市浅埋隧道近接桩基的施工力学行为分析

殷召念， 张志强， 李世麟

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

城市浅埋隧道近接桩基的施工力学行为分析

殷召念， 张志强， 李世麟

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

针对某城市地铁新建隧道近接既有高层建筑桩基群，进行了三维数值模拟的施工力学行为研究。文章以重庆东水门大桥·千厮门大桥渝中区连接隧道为背景，该隧道直接下穿筷子街65#大楼，大楼桩基础底部距离隧道初期支护拱顶18.5 m，且直接位于隧道顶部，两者相互影响较大。建立隧道的开挖数值模拟，分析了隧道开挖过程中围岩应力及桩基位移、隧道衬砌内力的变化，同时详细分析了桩顶沉降随隧道开挖的变化规律，为类似工程的设计、施工及监控提供了依据。

城市浅埋隧道； 近接施工； 既有桩基； 沉降

随着经济和社会的快速发展，城市用地紧张的问题逐渐凸显，使轨道交通等地下空间的开发利用应时而生。地下空间开发所带来的环境问题近年来受到广泛关注，其中隧道穿越既有建筑和桥梁基础的问题尤其突出。

隧道施工会引起周围地层的变形，从而引起隧道围岩应力及桩基位移、隧道衬砌内力的变化，并可能降低其承载能力[1-2]。因此，如何有效降低施工的影响，并有效预防附近建筑物或公共设施产生过大沉降、倾斜以至开裂，已是当前隧道设计、施工中亟待解决的问题。

基于隧道与桩基相互作用的复杂性，很多学者利用现场实测、数值分析、模型试验等方法对该问题进行较深入研究。A.Bezuijen和J. van der Schrier[3]等进行了大量的离心机模型试验，发现隧道施工会改变临近桩基的受力性态。李早[4]等采用两阶段分析法，提出隧道开挖对群桩竖向位移和内力影响解析计算方法，得到隧道开挖对被动群桩的影响；张志强[5-6]、杨永平[7]和杨晓杰[8]等利用三维数值方法研究了深圳地铁一期工程、上海地铁11号线等隧道近接施工对既有桩基影响。

本文以重庆东水门大桥·千厮门大桥渝中区连接隧道为研究背景。该隧道最大埋深约34 m，设计行车速度40 km/h，为双向4车道连拱+小净距隧道。隧道左右线均为曲线隧道，且为倒人字纵坡，进出口最大纵坡分别为+4 %、-4 %，全线按洞口连拱隧道、洞身段小净距隧道布设。

1 隧道结构设计及施工方案

本工程为整体式连拱隧道，施工采用中导洞+左右洞单侧壁导坑法，该段施工须严格控制爆破震速，避免对其上建筑基础的影响，施工时首先施作大管棚，且必须其中一洞(右洞)先行，待先行洞二次衬砌浇筑完成并达到强度、中洞靠左侧洞底坑回填完成后方能开挖后行洞，隧道的开挖方式按照开挖以进尺2 m一个循环进行。

开挖顺序为：中导洞、中隔墙先行，左右洞采用上下台阶法施工。具体步骤如下：(1)大管棚、纵向系梁施作；(2)中导洞开挖2 m；(3)中导洞支护2 m，中隔墙施作2 m；(4)右洞侧导坑开挖2 m；(5)右洞侧导坑初支施作2 m；(6)右洞上导坑开挖2 m；(7)右洞上导坑初支施作2 m；(8)右洞核心土开挖2 m；(9)右洞临时支护拆除，二衬浇注2 m；(10)循环，直到右洞中间16.5 m二衬支护完毕后，左洞侧导坑开始开挖2 m；(11)左洞侧导坑初支施作2 m；(12)左洞上导坑开挖2 m；(13)左洞上导坑初支施作2 m；(14)左洞核心土开挖2 m；(15)左洞临时支护拆除，二衬浇注2 m(图1)。

图1 直中墙连拱隧道横断面

2 数值模拟分析

2.1 计算模型

根据围岩条件和隧道结构型式，采用Flac3D仿真模拟软件进行三维数值模拟分析，模型纵向长56.5 m，房屋前后各约20 m。将独立桩基单独建立模型(实体单元)，桩基按平面图设6×10个(按线性排布)，计算中地表建筑自重及活荷载按GB 50009-2001(2006版)《建筑结构荷载规范》中的要求取值，各个桩基的荷载承受值按《建筑地基基础设规范》取值(图2、图3)。

图2 三维模型

图3 桩基位置

2.2 施工过程模拟

隧道动态数值模拟严格按照隧道施工步序进行，即首先从地表打入大管棚加固，然后在每一步计算时对隧道周边围岩打入锚杆加固，隧道开挖步骤按设计进行(图4)。

图4 锚杆纵向分布

3 计算结果分析

3.1 围岩应力分析

围岩最大主应力随开挖距离变化见图5。

图5 最大主应力随开挖距离变化(单位:m)

从图5可知，隧道最大主应力基本都分布在拱脚位置，且随开挖距离增大而增大，当上台阶开挖完毕，下台阶开挖距离增大，拱脚处最大应力趋向平衡，右洞最大主应力较左洞要大，这与开挖后隧道的竖向位移变化趋势一致的，右洞的要大。总的来看，由于隧道埋深较浅，应力不大。

3.2 隧道施工对桩顶沉降影响分析

该监控是在隧道位于桩基部位由图6～图8分析可知，桩顶沉降随开挖距离的增大而增大，开挖上台阶2～16 m段对桩的影响较小，16～30 m段桩位移变化明显，当上台阶开挖完毕，下台阶开挖距离增大，拱顶位移增大缓慢趋向平衡。另外，距离洞口位置越大，桩的沉降越小。

图6 右洞上方151～160号桩桩顶沉降情况(单位:m)

图7 左洞上方101～110号桩桩顶沉降情况(单位:m)

图8 两洞中间上方131～140号桩桩顶沉降情况(单位:m)

桩的沉降量总体来说都不大，当桩基沉降稳定后最大桩基的沉降量为6.612 mm，从横向比较，中间距离隧道隧道较近的两列桩基沉降要大一些，平均沉降为6.60 mm，靠外一列为6.2 mm，最外面一列为5.8 mm。随着隧道的开挖，掌子面后方的桩基沉降趋于稳定，而前方的桩沉降还再继续增大，在掌子面后方20 m以后的桩基沉降基本不再增加。

3.3 衬砌内力分析

衬砌内力分析见图9～图12。

图9 边桩位置隧道支护结构弯矩(单位:kN·m)

图10 中间桩位置隧道支护结构弯矩(单位:kN·m)

图11 边桩位置隧道支护结构轴力(单位:103kN)

图12 中间桩位置隧道支护结构轴力(单位:103kN)

由图9～图12可知：拱顶部位内侧受拉，边墙外侧受拉；支护结构整体内力不大，支护结构稳定，右洞内力较左洞大，和前面分析的围岩变形结论一致。局部来看，右洞弯矩较左洞小，作为后开挖洞，左洞处于深桩基下，本身支护结构受力较大，加之右洞的开挖肯定对左洞围岩产生影响。建议设计上考虑左洞施工工法可以更保守点，以保护围岩及结构稳定。

4 结论及建议

(1)先行洞上台阶开挖完毕，下台阶开挖距离增大，桩的变形、沉降增大明显变得缓慢且趋向平衡。因此为减小桩的变形、沉降，先行洞上台阶的施工过程尤为重要，须严格控制爆破，且超前预支护和初期支护应及时起到作用。

(2)沿隧道纵向，两洞垂直上方的桩变形和沉降最大为6.60 mm，中间远离洞室，受影响逐渐减小；垂直于隧道径向方向，接近洞口的桩受影响最大，从外向内逐渐减小。越接近洞室，桩的变形、沉降量以及速度越大，右洞开挖时，靠近右洞的桩受影响较大，变化速度较大；左洞开挖时，靠近左洞的桩受影响变大，变化速度增大，而靠近右洞的桩变化速度降低。

(3)桩的最大主应力变化与隧道开挖距离关系不大，与桩和隧道的空间位置有关，靠近洞室的桩比远离洞室的桩的最大主应力大。

(4)对于衬砌结构来说，整个支护结构内力不大，支护结构稳定，由于是小近距隧道，在两洞相邻一侧的弯矩和轴力都比远侧的要大一些。

[1] 周冠南, 周顺华, 王春凯, 等.盾构隧道施工对短桩基—框架结构的影响[J].中国铁道学报,2009,30(4):51-57.

[2] 王成,徐浩,郑颖人.隧道近接桩基的安全系数研究[J].岩土力学,2010,31(S2):260-264.

[3] BEZUIJEN A,VAN DER SCHRIER J. The influence of a bored tunnelon pile foundations [C]. Centrifuge′94. Rotterdam：A. A. Balkema，1994：681-686.

[4] 李早,黄茂松.隧道开挖对群桩竖向位移和内力影响分析[J].岩土工程学报,2007(3):398-402.

[5] 张志强,何川.深圳地铁隧道邻接桩基施工力学行为研究[J].岩土工程学报,2003(2):204-207.

[6] 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(1):92-95.

[7] 杨永平,周顺华,庄丽.软土地区地铁盾构区间隧道近接桩基数值分析[J].地下空间与工程学报,2006(4):561-565.

[8] 杨晓杰,邓飞皇,聂雯,等.地铁隧道近距穿越施工对桩基承载力的影响研究[J].岩石力学与工程学报,2006(6):1290-1295.

[定稿日期]2017-08-29

殷召念(1992～), 男, 硕士研究生, 主要从事隧道与地下工程方面研究。

U455.49

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