桩基荷载对既有大直径盾构隧道的影响分析

裴孟德

（上海建科检验有限公司，上海市 201108）

0 引言

近十几年来，城市大直径盾构隧道的建设数量和规模呈井喷式发展。以上海为例，已建通车的直径11 m级盾构隧道10条，直径14 m级盾构隧道4条，直径15 m级盾构隧道2条。目前，在建的诸光路、周家嘴路、沿江通道、北横通道、江浦路、龙水南路等隧道工程均采用直径11～15 m级盾构实施。盾构隧道结构以数块管片拼装而成，其整体性不及现浇结构。当存在外部超载干扰时，大直径盾构隧道存在结构变形和渗漏水的风险。在城市建设中，不可避免地存在桩基临近隧道施工的情况。分析桩基荷载对既有隧道的影响，针对性做好风险预测关乎隧道结构稳定和运营安全，至关重要。

目前，国内较多学者研究了桩基对地铁隧道的影响。闫静雅[1]等分析了上海太平洋2期广场工程对临近地铁1号线的影响，结果表明隧道变形以沉降为主，水平位移较小，隧道结构向桩基础方向产生一定扭曲。路平[2]等借助某立交桥工程，运用数值手段分析桥墩基础施工及运营期对天津地铁2号线盾构隧道的影响。桩基正常施工对隧道结构产生的影响可以忽略不计。隧道内力和变形主要集中在桩基加载阶段。吕宝伟[3]通过数值结果和实测数据对比分析，钢护筒的使用和地基加固能有效减少桩基施工对既有地铁隧道的影响。翁效林[4]等运用离心模型试验，分析西安东环广场桩基对邻近地铁隧道结构的影响。桩基承载所引发附加应力会在隧道结构体产生应力集中效应，隧道拱腰部位是附加荷载的主要承受区。

然而，道路隧道相比地铁隧道直径大1倍或更多，相比地铁隧道桩基荷载对大断面隧道结构的影响存在较多不确定性。目前，国内桩基荷载对大直径盾构隧道影响的研究报道尚少。本文借助某桥梁工程，通过有限元计算和实测分析，研究桥梁桩基础对大直径盾构隧道结构的影响规律，为相似工程所借鉴。

1 平面有限元计算

1.1 工程概况

上海某既有道路隧道采用盾构法施工，结构外径11.36 m（见图1）。隧道主体结构采用0.5 m厚预制钢筋混管片拼装成型，混凝土等级为C55，抗渗等级为P12。新建人行天桥基础承台边缘与盾构隧道最小间距约8 m（见图2），该处盾构隧道覆土深度约19.5 m（见图3）。桩基采用直径1 m钻孔灌注桩，设计桩长45 m。承台尺寸为4.5 m×4.5 m×2 m，承台下共4根桩，间距3.5 m。

图1 盾构隧道横断面（单位:mm）

图2 天桥基础与盾构隧道平面位置关系

图3 天桥基础与盾构隧道剖面位置关系

1.2 计算模型

（1）几何模型

借助平面有限元软件建立桩基对盾构隧道影响数值模型，网格划分见图4。模型宽100 m，高80 m，模型底部仅约束竖向位移，两侧仅约束水平位移。

（2）模型参数

图4 有限元模型

土体简化为水平向均质土层，采用15节点平面应变单元模拟，土体力学模型采用Hardening-Soil模型。Hardening-Soil模型是一种较好模拟基坑开挖卸载性状的弹塑性土体模型。模型的一个基本特点就是土体刚度对应力状态的依赖性，在排水三轴试验情况下，轴向应变与偏应力之间为双曲线关系，其在p平面上的形状与MC模型相同，且使用MC破坏准则描述极限状态，可以模拟应力增量随应变逐渐减小的硬化现象[5]。岩土强度采用三轴试验刚度（E50）、三轴卸载/再加载刚度（Eur）和固结仪荷载强度（Eoed）描述。各刚度定义的公式分别为：

式中：E为围压pref50%强度下割线模量；为围压pref下卸载/加载模量；为主固结仪加载中的切线刚度；m为刚度应力水平相关幂指数；c为粘聚力（kPa）；φ为内摩擦角（°）。

在不排水条件下模拟桩基施工，地下水位取为地面以下0.5 m，不考虑地下水的渗流作用。钻孔灌注桩和承台桩基根据刚度等效原则进行刚度折减，采用板单元模拟。板单元与土体设置接触单元模拟结构与土的共同作用。承台上方荷载等效成均匀荷载，荷载值为315 kPa。隧道结构采用板单元模拟，弹性模量E=34.5 GPa，泊松比υ=0.18，重度ρ=25 kN/m3。地层主要物理力学参数见表1。

（3）计算过程

a.建立桩基和盾构隧道数值模型，计算初始应力，清除初始位移。

b.激活盾构隧道单元，杀死内部土单元，地层损失率根据施工经验定为1%。

表1 土层物理力学参数

c.激活桩基单元前，清除初始位移。激活桩基础单元。并施加竖向荷载。

d.计算完成，输出计算结果。

2 影响分析

2.1 实测数据与模型验证

桩基施工前，在隧道临近桩基一侧拱腰处和隧道车道板中心处分别布置水平位移和沉降监测点。从实测数据看，桩基施工过程中，隧道水平位移较小，基本处于-2 mm以内（负值代表向桩基方向）。当桩基承受上部荷载后，隧道监测点远离桩基方向位移明显加大，最终位移值稳定在1 mm左右（见图5）。桩基施工导致隧道产生一定量的沉降，沉降数值约2.2 mm（见图6）。当施加上部荷载以后，沉降明显加大，最大值约5.4 mm。伴随时间推移，隧道后期沉降有收敛趋势，逐渐稳定在5 mm左右。

图5 隧道拱腰处水平位移(实测值)

图6 隧道车道板沉降(实测值)

由于无法监测到隧道拱底沉降，将车道板沉降近似等效为拱底沉降。计算结果显示，拱腰处水平位移值1.5 mm，隧道拱底沉降4 mm（见表2）。将实测数据与计算结果进行对比，计算值与实测数据误差较小。因此，本数值模型能够反应出桩基荷载下临近隧道的变形规律。

表2 实测数据与计算值对比表

2.2 作用机理与影响规律

（1）成桩过程

钻孔灌注桩施工采用常规的泥浆护壁成孔方式。泥浆配比不足时，孔壁易产生收缩进引起土层损失。成孔过程引发的土层损失，是前期地层变位的主要原因。

成桩阶段，隧道向桩基方向发生沉降和侧移，相比受荷阶段位移值较小。合理提高泥浆配比，甚至在成孔时采用全程钢护筒，可以有效减少土层损失，降低隧道变形的风险。

（2）桩基受荷过程

上海地区主要为滨海沉积相的软弱土层，桩基承受上部荷载后，桩基承载力主要来源于桩周侧摩阻力。在桩周摩阻力的作用下，桩周形成一定范围内的剪切带。剪切效应带动周边土体产生地层变位，距离桩基越远剪切效应影响越弱。图7为土体沉降计算云图，剪切效应带动周边土体发生沉降，进而波及到隧道结构。土体最大沉降约8.5 mm，隧道结构最大沉降约4 mm。图8为土体水平位移计算云图，剪切效应导致隧道临近桩基侧产生附加应力，隧道被向外和向下挤压，最大水平位移约1 mm。

图7 土体沉降云图

桩基受荷后，剪切效应对临近隧道结构产生内力和变形的影响，同时隧道结构也影响着地层应力的重分布。地层和隧道结构产生的响应都是结构与土共同作用的结果。当桩基和隧道间距加大后，理论上隧道与桩、土之间的共同作用有所减弱。基于数值模型，当隧道与桩基间距由8 m加大至22 m时（约2D，D为隧道结构外径），隧道沉降和侧移非常小，可忽略不计。控制桩基与临近隧道间距是减少隧道结构变形和渗漏水风险的关键措施，建议将桩与隧道间距控制在2倍隧道结构外径以上。

图8 土体水平位移云图

此外，桩基长期荷载作用下地层仍然会产生蠕变位移，对隧道结构依然存在一定的影响，目前国内外尚没有较成熟的研究结论。鉴于此，隧道管养部门仍然需要重视隧道结构内力和变形的长期发展，对管片加强巡视和监测。

3 结语

借助平面有限元程序，建立桩基对大直径盾构影响的数值模型，通过实测数据和数值计算结果对比分析，主要得出以下结论：

（1）实测数据显示，成桩过程中临近隧道产生相对少量的位移。隧道向下和向桩基方向发生变位。当桩基受荷后，隧道位移量明显加大，隧道向下和向远离桩基方向发生变位。

（2）平面有限元模型，能够模拟桩基受荷的短期行为，与实测数据规律相似，数值相差较少。

（3）桩基成孔过程引发的土层损失，是前期地层变位的主要原因。合理提高泥浆配比，甚至在成孔时采用全程钢护筒，可以有效减少土层损失，降低隧道变形的风险。

（4）桩基受荷后，桩周形成一定范围内的剪切带。剪切效应引发结构与土的共同作用，进而使地层和结构产生应力应变响应。当桩基与隧道间距在2倍隧道结构外径以上时，隧道沉降和侧移可得到有效控制。

（5）此外，桩基长期荷载作用下地层仍然会产生蠕变位移，对隧道结构依然存在一定的影响。建议隧道管养部门重视隧道结构内力和变形的长期发展，加强巡视和监测。

[1]闫静雅,张子新,黄宏伟,等.桩基础荷载对邻近已有隧道影响的有限元分析[J].岩土力学,2008,29（9）:2508-2514.

[2]路平,郑刚.立交桥桩基础施工及运营期对既有隧道影响的研究[J].岩土工程学报,2013,35（S2）:923-927.

[3]吕宝伟.超临界桥桩基施工对既有隧道影响数值与实测分析[J].铁道标准设计,2017,61（3）:103-107.

[4]翁效林,孙腾,冯莹.桩基础承载过程对近距离地铁隧道影响机制分析[J].哈尔滨工业大学学报,2016,48（3）:138-142.

[5]张 飞,李镜培,唐 耀.考虑土体硬化的基坑开挖性状及隆起稳定性分析[J].水文地质工程地质,2012,39（2）:79-84.