地铁隧道盾构施工对桩箱建筑物影响研究

李方明,陈国兴

(1.中国地震局工程力学研究所,哈尔滨 150080； 2.南京工业大学岩土工程研究所,南京 210009)

在城市地铁建设中经常会出现地铁隧道下穿建筑物的情况，当隧道盾构法施工下穿建筑物时，不可避免地会扰动周边的土体，周边土体的扰动会引起基桩及上部结构的附加内力变形，从而影响结构的正常使用。隧道开挖对既有邻近基桩及其上部结构沉降位移、应力状态的影响，是设计和施工时应考虑的主要控制因素，也是当前城市地下空间开发中的热点问题。

目前地铁隧道盾构施工对建筑物的影响研究主要集中在对基桩和浅基础的影响研究，而对于桩箱基础建筑物的影响研究则较少。箱形基础作为补偿性基础，基桩、箱形基础和土三者共同作用调节变形，受力较为复杂，隧道、地基和建筑物是相互作用、相互制约的。进行隧道、地基和建筑物的共同作用分析，所要考虑的影响因素很多，且三者的材料特性不同，将众多的因素合成一个整体进行研究，难以建立统一的受力和变形计算方程，很难从理论上建立此问题的计算公式，一般采取模型试验[1-4]和数值模拟方法[5-12]进行此类问题的研究。解析法很难考虑众多因素的影响，其计算结果只能作为参考。Motorn[1]采用模型试验研究了盾构开挖对桩基础变形的影响；Loganathan[2]利用离心模型试验研究了隧道开挖引起的土体变形对桩基的影响；Jacobsz[3]利用离心模型试验方法研究了隧道在密实干砂中施工对邻近单桩的影响；Ong等[4]利用离心模型试验研究了隧道施工时隧道结构和桩基的相互作用影响；Mroueh[5]采用数值方法模拟了隧道开挖对上部建筑结构的影响；Lee[6]采用三维有限元模拟研究了隧道施工中隧道结构与桩基相互作用影响；朱逢斌[7-8]通过数值模拟对Ong的离心模型试验进行仿真和验证；Gordon[9]采用数值方法研究了敞开式隧道开挖面掘进速度对周边桩基的影响；方勇[10]采用数值模拟研究了隧道动态掘进时，掘进参数变化对邻近桩基变形的影响；罗文林[11]针对数值模型中计算参数的研究，分析了隧道施工对邻近桩基变形和内力的影响；王炳军[12]采用数值模拟研究了隧道与桩基不同距离对桩身受力和变形的影响；木林隆[13]采用两阶段法对层状地基中桩筏基础承载特性进行了分析，讨论了桩基变形对遮拦效应的削减作用；吴勇华[14]利用ABAQUS建立剪力墙与桩筏基础和地基共同作用的三维有限元数值模型，研究了跨越地铁隧道的桩筏基础受力和变形性状；谢新宇[15]利用ABAQUS建立三维有限元数值模型，研究地铁隧道穿越建筑物基础时对桩筏基础变形和内力的影响；吴翔天[16]采用模型试验，根据隧道埋深的不同，选取不同的加载模块以模拟隧道开挖引起的土体水平和竖向位移模式。

前述学者虽然对隧道施工引起的桩基变化进行了大量深入研究，但都集中在隧道施工对单桩或对有承台的多桩的影响研究，没有考虑隧道、土、桩、箱形基础和上部结构之间的相互作用及复杂的边界条件，因此有必要建立考虑多因素共同作用的计算模型来模拟仿真隧道施工对建筑物的影响。本文以双线盾构隧道下穿桩箱基础建筑物为研究对象，利用ABAQUS有限元软件，建立隧道盾构下穿桩箱建筑物二维数值计算模型，通过数值模拟计算分析，探讨了隧道盾构施工对临近基桩及箱形基础底板附加内力变形的影响规律，为优化设计施工参数提供依据。

1 工程概况

南京地铁某区间隧道下穿待建建筑物，该建筑物先于地铁隧道建成，该建筑物为区间隧道预留了可穿越条件，隧道与建筑物平面位置关系见图1。该待建建筑物为框架剪力墙结构，设一层地下室，地下室箱形基础埋深为6.30 m，桩基采用预应力混凝土管桩，桩径为0.50 m，设计有效桩长27.0 m，为摩擦桩，靠近隧道的3排桩基采用钻孔灌注桩。待建地铁隧道为平行双线盾构，外径为6.20 m，内径为5.50 m，隧道左右两线的轴线间距为12.08 m。隧道顶距待建建筑物地下室基础底板底的最小净距约为9.20 m，隧道与建筑物剖面位置关系见图2。隧道采用预制拼装式单层圆形管片衬砌，衬砌管片内径为5.50 m，壁厚为0.35 m，宽度为1.20 m，混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10，分6块错缝拼装，采用螺栓连接。盾构机采用具备切割基桩并具可靠穿越能力的加泥式土压平衡盾构机，先施工左线隧道，再施工右线隧道。

图1 隧道与建筑物基础平面关系

从图1和图2可以看出，隧道边缘距最近的钻孔灌注桩距离2.20 m，隧道盾构施工将对已建成基桩及上部结构产生影响。本文在已知隧道埋深h=9.20 m不变的条件下，通过变化隧道附近的钻孔灌注桩长度、桩径及隧道盾构施工土体损失率，探讨箱形基础底板及基桩变形、内力变化规律。

图2 隧道下穿建筑物剖面(单位：m)

2 有限元模型及计算参数

2.1 计算区域及边界条件

采用有限元ABAQUS建立隧道、土、桩、地下室及上部结构的有限元分析模型，模拟隧道盾构开挖对基桩、箱形基础地下室底板附加内力位移的影响。由于隧道下穿建筑物为进深方向，因此可把该问题简化为二维平面计算分析模型。选取计算区域为：计算深度70.0 m，顶部取至地表面，底部取至中风化砂质泥岩，满足设计深度计算要求；计算宽度取230.0 m，约为隧道埋深的13倍以上，满足盾构隧道施工影响区的要求，模型计算厚度取为1.0 m。模型两边边界为法向约束，竖向自由，底面全约束(法向、切向均约束)。

2.2 计算参数

根据岩土工程勘察报告，盾构穿越区域地层分布如图2所示，盾构隧道埋藏在②-2b4淤泥质粉质黏土层中，各土层的物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

钻孔灌注桩、承台、底板及上部结构均采用C30混凝土，弹性模量E=30 MPa，泊松比为0.2。预应力混凝土管桩采用C50混凝土，弹性模量E=50 MPa，泊松比为0.2。管片衬砌采用C50混凝土，考虑到衬砌间连接方式导致衬砌变形不连续，将衬砌混凝土的弹性模量进行折减，取衬砌的弹性模量E=40.0 MPa，泊松比为0.2。

2.3 有限元计算模型

数值分析计算模型采用二维平面有限元分析，土体采用Mohr-Coulomb模型(MC)本构关系，土体单元采用平面四节点平面应变单元CPE4。钻孔灌注桩、管桩、地下室、上部结构和隧道衬砌采用实体单元模拟，地下室和隧道衬砌采用平面4节点实体单元CPE4I。土体与基桩接触面采用面与面接触的指令contact Pair进行分析，接触面无厚度，小滑移，采用Mohr-Coulumb friction摩擦模型，摩擦系数为0.3，应用罚函数运算法则。隧道衬砌结构、地下室与土的接触面采用面与面接触的指令Tie进行分析。

根据隧道盾构实际施工工况，并基于有限元分析收敛要求，采用8个分析步模拟整个开挖过程。首先是初始地应力平衡过程，此步中除掉原始土体之外的所有单元以及相应接触；第二步激活基桩、地下室、上部结构单元及其所有接触关系，移除地下室土体单元，并对上部结构施加体力至工作荷载(结构自重25 kN/m3+楼面活荷载2.5 kN/m2)；第三步对先行开挖的左线隧道内的土体进行软化；第四步激活左线隧道管片衬砌及其接触关系；第五步移除左线隧道内土体；第六步对后开挖的右线隧道内的土体进行软化；第七步激活右线隧道管片衬砌及其接触关系；第八步移除右线隧道内土体。

3 有限元计算结果及分析

3.1 不同桩长的影响

图3为钻孔灌注桩桩长为37 m时，隧道开挖结束后整体模型竖向变形位移云图，图4为隧道附近3排钻孔灌注桩采用不同桩长时的基础底板竖向附加位移曲线，图5为不同桩长时基础底板附加弯矩图。从图4可以看出，当隧道埋深、桩径和土体损失率一定时，随钻孔灌注桩桩长增加，底板竖向附加变形逐渐减小，在隧道中心处底板附加变形最大，右线隧道中心处底板附加变形大于左线隧道中心处，桩顶处底板附加位移出现极小值。从图5可以看出，隧道开挖加大了基础底板附加弯矩，最大附加弯矩达646.8 kN·m/m，随钻孔灌注桩桩长增加，基础底板附加弯矩略有减小，底板在3号桩桩顶处出现最大值，在4号桩和5号桩桩顶处出现极大值，在其他桩处底板附加弯矩较小。由此可见，增大桩长是减小基础底板附加变形的有力措施，同时还可以减小一部分基础底板附加弯矩。

图3 整体模型竖向位移云图(L=37 m)

图4 不同桩长时基础底板竖向附加变形

图5 不同桩长时基础底板附加弯矩

图6～图8为钻孔灌注桩不同桩长时3号桩附加水平位移、附加弯矩和附加轴力图。从图6可以看出，不同桩长时，桩身附加水平位移曲线形式基本一致，桩身最大附加水平位移随桩长略有减小，最大附加水平位移点并不是隧道水平中心高程处，而是位于隧道水平中心线以下2.0 m处，桩顶由于受底板约束作用，其水平向附加位移很小，桩底水平位移随桩长增加略有减小。从图7可以看出，随桩长增加，桩身附加弯矩略有减小，桩顶附加弯矩出现最大值，桩深8.45 m处出现极大值，位于隧道上方。从图8可以看出，随桩长增加，桩身附加轴力有减小的趋势，在桩深12.7 m处，即隧道中心高程处，桩身附加轴力达到最大值，这主要是由于隧道开挖土体下沉对桩身附加负摩阻力引起的结果。由此可见，隧道开挖加大了3号桩的水平位移、弯矩和轴力，增大桩长是减小桩自身附加水平变形、附加弯矩及附加轴力的一项措施。

图6 不同桩长时3号桩附加水平位移

图7 不同桩长时3号桩附加弯矩

图8 不同桩长时3号桩附加轴力

从不同桩长时底板的附加变形和附加弯矩以及基桩本身的附加水平位移、弯矩和轴力的变化量来看，综合考虑经济因素，以钻孔灌注桩桩长37.0 m为宜。

3.2 不同桩径的影响

图9为钻孔灌注桩桩径分别为D=0.8、1.0、1.2 m时，隧道开挖引起的基础底板竖向附加位移图，图10为不同桩径时隧道开挖引起的3号桩附加弯矩图。从图9可以看出，当隧道埋深、桩长和土体损失率一定时，随桩径增大，底板竖向附加变形有减小的趋势。从图10可以看出，随桩径增大，3号桩附加弯矩逐渐增大，主要原因是桩径越大其承担的附加荷载越大，因此其附加弯矩也随之增大。因此为控制建筑物附加变形与内力，可适当增加隧道附近基桩的直径，本工程钻孔灌注桩桩径设计为1.0 m可满足要求。

图9 不同桩径时基础底板竖向附加变形

图10 不同桩径时3号桩附加弯矩

3.3 不同土体损失率的影响

图11为土压平衡盾构隧道施工开挖不同土体损失率δ=1%、2%、3%时，箱形地下室基础底板竖向附加位移图，图12为不同土体损失率时隧道开挖引起的3号桩附加弯矩图。从图11可以看出，当隧道埋深、桩长和桩径一定时，随隧道盾构施工土体损失率增大，底板竖向附加变形逐渐变大。从图12可以看出，随土体损失率增大，3号桩附加弯矩逐渐变大。因此为减小建筑物附加变形与内力，应严格控制土体损失率，本工程土体损失率控制在δ=1%以内底板附加变形较小。

图11 不同土体损失率时基础底板竖向附加变形图

图12 不同土体损失率时3号桩附加弯矩

3.4 不同工况下群桩水平变形规律

图13 左线隧道施工结束各桩体附加水平位移

图14 双线隧道施工结束各桩体附加水平位移

图13为桩长均采用L=27 m时，左线隧道施工完毕后各桩体附加水平位移，图14为双线隧道均施工完毕后各桩体附加水平位移。从图中可以看出，在双线隧道施工完毕后，除4号桩外，其余各桩水平变形规律为靠近隧道的两排桩累积水平变形量最大，离隧道越远桩体水平变形越小，11号桩与15号桩位移基本一致。4号桩位于两隧道之间，桩体最大水平位移在左线隧道施工完毕后达到最大值，在右线隧道施工完毕后又逐渐减小，桩体最终附加水平变形倾向于先期开挖的左线隧道。

4 结语

本文在隧道埋深已定的情况下，探讨了不同桩长、不同桩径、不同土体损失率下及不同工况下，各基桩和箱形基础底板内力位移变化规律，为类似工程设计提供参考，主要结论如下。

(1)随钻孔灌注桩桩长增加，基础底板竖向附加变形和附加弯矩逐渐变小，底板竖向附加弯矩在桩顶出现极大值，在隧道中心处底板附加变形最大；3号基桩(右线隧道左侧)随桩长增加，桩身最大水平位移、附加弯矩和附加轴力均逐渐减小。

(2)随钻孔灌注桩桩径增大，基础底板竖向附加变形逐渐减小，3号基桩附加弯矩逐渐增大。

(3)随土体损失率增大，基础底板竖向附加变形逐渐变大，3号基桩附加弯矩逐渐变大。

(4)施工完毕后，除4号桩(两隧道之间)外，其余各桩水平变形规律为靠近隧道的两排桩累积变形最大，离隧道越远，桩体变形越小，4号桩体最终附加水平变形倾向于先期开挖的左线隧道。

(5)从基础和钻孔灌注桩附加受力和变形及经济因素综合考虑，建议钻孔灌注桩设计为桩长L=37 m、桩径D=1.0 m，施工时土体损失率控制在δ=1%以内。

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