隧道施工对临近桩基影响的数值分析

胡锡鹏 刘拴锭 马思伟 彭朝阳

(中交第一公路工程局有限公司，100024,北京//第一作者,助理工程师)

随着我国城市的高速发展，地铁已成为缓解城市交通的最有效工具之一。而地铁往往穿越城市密集建筑物群，需要在已有建(构)筑物下或附近进行施工,由此隧道施工将不可避免地对临近桩基产生影响。

现有研究表明，隧道施工会不可避免地对周边地层产生扰动，进而对其周边建(构)筑物产生影响。当隧道穿越或近邻既有桩基时，隧道、周边土体及桩基将不可避免地产生相互影响。国内外对隧道开挖引起的桩基变形研究较多，文献[1]采用数值分析方法研究了非均质土条件下盾构隧道施工对邻近承载桩基的影响规律。文献[2]以天津地铁盾构施工为工程依托，研究了隧道开挖对桩基础的影响。文献[3]通过模型试验分析了膨胀土地基中隧道施工引起的桩附加沉降、附加弯矩与轴力的变化规律。文献[4]从桩侧摩阻力、桩端抗力角度研究了桩基承载力作用规律。文献[5]基于理想弹塑性解研究了隧道-土体-桩基之间的相互作用，推导了隧道开挖对桩基的水平位移和弯矩理论解。

虽然关于隧道开挖对桩基的影响研究较多，但工程实际中由于地质条件和工程特点的差异，对桩基的实际影响程度也不尽相同，需要作进一步深入研究。本文以重庆轨道交通环线区间隧道下穿桩基为工程依托，重点研究了隧道开挖对桩基的变形及承载性能影响。

1 工程概况

轨道交通环线作为重庆市轨道交通线网的重要组成部分，具有重要的路网连接功能，是线网中最重要的骨干线路。重庆轨道交通环线的上桥站—凤鸣山站区间右线隧道总长为858.388 m，其中复合TBM(隧道掘进机)施工区间长841.880 m；左线隧道总长为870.009 m，其中复合TBM施工区间长853.502 m。区间线路纵断面为单坡，最大坡度为26‰、最小坡度为2‰，隧道顶部埋深为10.2～30.4 m。沿线穿越的岩层主要为J2s-Sm砂岩泥岩、J2s-Ss砂岩。经设计勘察后,综合考虑采用2台单护盾TBM进行掘进。盾构刀盘直径为6.88 m，隧道采用高强混凝土管片错缝拼接，管片厚350 mm，每环掘进1.5 m。区间右线YDK3+530—YDK3+580段垂直下穿桩基混凝土结构的鸿禧酒店，隧道顶部与桩底垂直间距4 m。下穿段左线隧道位于砂质泥岩和砂岩复合地层中，右线隧道位于砂质泥岩地层。由于隧道掘进过程酒店正常运行，建筑物的设计变形值要求控制在20 mm以内，因此隧道开挖过程对桩基变形及桩基承载力损失的控制极为重要。隧道与桩基结构位置关系如图1所示。

图1 隧道下穿桩基结构位置剖面图

2 数值计算模型

结合工程地质条件及工程特点，采用有限元方法分析隧道开挖对临近桩基的变形受力影响。计算模型考虑隧道-土体-桩基三部分的相互作用。隧道直径设定为6.88 m，埋深16 m。建筑物基础为1.2 m×1.2 m摩擦型桩，桩长16 m，桩间距4 m。采用空间8节点实体单元(C3D8)进行模拟，桩底与土体绑定，防止桩与土体断开。建筑物采用等效荷载替代方法计算[6]，即地应力平衡后，在复合桩基顶部施加大小为300 kPa的均布荷载，模拟既有建筑物的存在。模型空间尺寸为80.0 m(x方向)、100.0 m(y方向)、50.0 m(z方向)，隧道开挖方向为x轴负向。4个侧面边界条件为法向约束，底部为全约束，上表面为自由面。岩土体强度准则采用Mohr-Coulomb准则。管片与桩体假定为各向同性弹性材料，计算所需的材料参数值如表1所示。

表1 有限元分析模型介质物理力学参数值

图2为隧道开挖后竖向位移云图。由图2可知，开挖后最大沉降量为5.33 mm，发生在隧道右线顶部，这是由于右线隧道下穿桩基承受了较大的竖向应力的原因。同时隧道底部出现隆起现象，最大隆起量为4 mm。图3和图4分别为隧道开挖后群桩的竖向及水平位移。由图3、图4可知，土层变形条件下引发的桩体竖向及水平位移均不大，最大竖向位移为6.5 mm，而最大水平位移为2.7 mm。由于隧道开挖引起地层发生沉降位移，而地层变形又造成桩基与其临近土体的接触面发生相对位移。

图2 隧道开挖后竖向位移云图

图3 群桩竖向位移等值线图

图4 群桩水平位移等值线图

在数值计算过程中，假定桩体为刚性基础，故桩与周边土体的位移则是通过土体位移改变而实现。桩周边土体位移会引发土体应力重新分布，进而改变桩体的受力特性。故隧道开挖对桩基的影响可分为：

(1)隧道开挖产生扰动，地层变形，使得围岩应力重新分布,土体物理性质发生改变，进而导致土体通过变形来适应这种改变，直至新的应力场达到平衡。

(2)隧道开挖产生的地层变形传递到桩周土体，使得桩周土体的物理力学性质及应力场也相应发生改变，从而改变桩的侧阻力及桩端阻力，甚至出现桩侧负摩擦阻力。这将导致桩基承载力的大幅降低，同时使得桩基产生一定的沉降。

由上可知，隧道临近既有桩基施工时，隧道开挖通过地层变形对桩基产生影响，隧道、土体和桩基三者之间形成了有机的相互作用体系。

为进一步研究隧道开挖对单桩的影响，根据桩体与隧道的空间位置关系，将隧岩区域划分为3个区域，如图5所示。分别研究3个区域下的单桩受隧道开挖的影响。

注:φ为土体内摩擦角

图5 桩与隧道位置关系图

由图6可见，不同围岩区域的桩体变形及内力分布受隧道开挖影响程度各不相同，离隧道轴线距离越小,土体沉降位移越大。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域的桩体沉降值为A桩>B桩>C桩，且各桩体沉降最大值均出现在桩体顶部，并随桩长逐渐减小。由于桩体刚度较大，沉降减小趋势并不明显。对比图6与图2可知，Ⅰ区桩最大沉降值大于地表沉降值，Ⅱ区桩最大沉降值与土体沉降值几乎相同，而Ⅲ区桩最大沉降值小于土体沉降值，这与文献[7]结论较为一致。

图7为隧道开挖前后A、B、C桩的桩身轴力分布图。由图7可知，不同围岩区域的桩身轴力在隧道开挖后的变化趋势略有不同，主要与桩身周边土体相对竖向位移有关。Ⅰ区的A桩受隧道施工影响,相对土体向下移动，侧阻力增大，从而导致开挖后的桩身轴力较开挖前有所增大；Ⅱ区的B桩与土体的相对位移较小，隧道开挖后桩身轴力变化不大；Ⅲ区的C桩相对土体向上移动，侧阻力减少甚至出现负摩阻力，从而导致开挖后桩身轴力减少。

图6 桩体竖向位移分布图

图7 桩身轴力分布图

3 现场监测分析

3.1 地表沉降监测结果

地表沉降监测点沿开挖方向每5 m布置1组，测点间距5～10 m(见图8)。下穿段(K3+580断面)地表沉降监测结果如图9所示。由图9可见,虽然右侧建筑物的群桩增大了桩周土体的刚度，但受左右线地质条件差异的影响，地表沉降呈偏态的单凹槽状，最大沉降位于双线中心右侧附近，最大沉降量为5.51 mm。

3.2 桩轴力监测结果

在隧道穿越桩混结构施工中,对桩轴力进行实测。在桩承台之下1 m深度处进行桩身凿孔，凿入深度为30 cm，然后埋入应力盒，用于监测盾构开挖过程中桩轴力的变化情况。图10为隧道顶部Ⅰ区A桩轴力监测值与模拟值对比情况图。由图10可知，盾构开挖对桩轴力影响的监测值与模拟计算结果在总体变化规律上较为吻合,所不同的是模拟计算值略大于监测值。这可能是由于实际建筑物桩基位于砂质泥岩地层，是按保守的摩擦桩进行设计的，而模拟过程并未考虑桩端承载力影响，导致模拟值略小于监测值。由此,说明本文中数值模拟的结果偏于可靠。

图8 地表沉降监测点布置平面图

图9 下穿段地表沉降监测曲线

图10 A桩轴力计算值与实测值变化曲线

4 结论

(1)隧道开挖通过土体变形对桩基产生影响，开挖过程中隧道、土体和桩基三者之间形成有机的相互作用体系。

(2)围岩区域不同，桩体受隧道开挖的影响程度不同。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域的桩体变形及内力受开挖影响程度为：A桩>B桩>C桩。Ⅲ区的C桩相对土体向上移动，侧阻力减少,出现负摩阻力。

(3)变形监测结果表明，受地层差异和既有结构刚度的影响，双线地表沉降呈偏态的单凹槽状。桩身轴力的监测变化规律与模拟结果大致相同，验证了本文中数值模拟结果的可靠性。