盾构隧道近距侧穿施工对建筑物桩基的影响研究

刘先亮，王临波

(浙江工业大学 建筑工程学院 杭州市 310023)

在城市地下隧道建设中，新建地下工程不可避免地与原有地下结构相互影响，这必然会影响周围建(构)筑物的安全使用。其中隧道侧穿邻近桩基的工程案例也越来越多。因此，研究隧道开挖对桩基影响具有十分重要的工程意义。

国内外学者在这方面也做了不少的研究与探讨[1-7]。如杨晓杰[1]采用三维拉格朗日有限差分法数值模拟方法，分析得到了位于隧道正上方近距桩受隧道上半部分开挖的影响十分明显。N. Loganathan等[2]通过离心机模型试验得出了隧道开挖引起的扰动对临近桩基的影响。Chen L T等[3]也通过数值模拟研究过盾构施工对桩的影响。

1 工程概况

以宁波市轨道交通4号线某盾构区间侧穿宁波某金属制品有限公司桩基工程为背景。如图1和图2所示，区间内桩基采用振动沉管灌注桩，桩长31.2m，桩底标高-33.1m；隧道侧穿桩基，与桩基水平距离为1.60～11.60m，最小距离仅1.60m，风险等级为Ⅱ级。隧道近接施工将引起既有桩基产生较大的位移和反力，产生偏向隧道水平方向“拉伸”变形情况，严重影响桩基础的安全使用。

区间隧道外径6.2m，内径5.5m，左右线间距为12m，距桩基顶10.51～11.80m，如图2所示。由上至下地层情况依次为：①杂填土②黏土③淤泥质黏土④黏土⑤淤泥质粉质黏土⑥粉质黏土⑦淤泥质黏土⑧黏土。

图1 隧道与桩基平面位置关系

图2 隧道与桩基平面位置关系(单位：m)

2 计算模型概况

根据岩土勘察报告提供的地层参数，采用岩土有限元软件Midas GTS NX，对某盾构区间侧穿宁波某金属制品有限公司桩基工程施工进行仿真模拟。

根据隧道与桩基、承台的相对位置关系，建立100m×60m×40m(L×W×H)的数值模型，共有59361个单元，11323个节点，见图3。计算采用摩尔库伦准则，3D计算模型土体分为8层，层厚、弹性模量、泊松比等具体土体参数见表1。盾构和注浆采用2D板单元，厚0.06m，桩基位1D梁单元，桩径为0.426m，长31.2m。隧道与桩基位移关系及研究桩基编号见图4。为了简化模型，将上部厂房转换成均布荷载施加在承台上，为23.47kN/m2。同时，为了探究注浆支护对桩基的影响，数值模型计算了两种工况：未注浆工况和注浆支护工况。在模型中，隧洞一次盾构开挖，每步开挖2m，盾构设置和开挖同步进行，用改变单元属性的方法反映盾构的依次推进并同时安装衬砌管片。

图3 三维计算模型

土层名称层厚/m弹性模量/MPa泊松比μ密度ρ/(kg/m3)粘聚力c/kPa摩擦角φ/°①杂填土0.72.000.3119.0525②黏土1.613.860.3119.128.113.2③淤泥质黏土1.98.070.3917.612.78.9④黏土0.99.480.3118.214.59.6⑤淤泥质粉质黏土9.38.520.3517.813.99.4⑥粉质黏土7.811.440.3218.614.310.4⑦淤泥质黏土5.88.220.3517.218.710.7⑧黏土12.08.730.3317.522.611.9

图4 桩与隧道位置关系

3 数值计算结果分析

3.1 隧道开挖对桩基影响

图5 桩基位移云图

根据模拟设计方案，对盾构近距侧穿宁波某金属制品有限公司桩基工程施工力学行为进行了模拟计算。图5显示了隧道开挖完成后的桩基位移变化情况，由图5可知位移最大处发生在距离隧道最近的桩基处，距桩顶10.8m，最大位移为16.25mm；最小位移发生在距隧道远处的桩基的桩端位置，为7.46mm。在模型中，隧道中心距桩顶垂直距离为14.1m，而桩基位移集中处(即红色区域)距桩顶约9～15m，即图5表明桩基位移多发生在隧道拱顶附近的区域，并且离隧道越近，位移越大，这是因为在隧道开挖时，地层土体向隧道径向方向变形收敛，发生扰动，使桩基产生变形，并且由于上部建筑物荷载作用，加剧了桩基位移。而最大位移值及最小位移值的位置表明桩基越靠近隧道，开挖扰动对桩基变形影响越大。

图6 开挖过程中桩基位移历程曲线

因桩基数量过多，为节省篇幅，研究隧道开挖过程中对桩基位移的影响，选取1#～5#号桩基进行重点研究分析。所选桩基如图4所示。

图6为隧道在开挖时，5根桩基的位移随开挖步增加而变化的位移曲线图。1#桩在前期阶段(1～7步)增长幅度略大，而在中间阶段(7～20)位移呈跳跃式上升，位移从3.58mm增至16.92mm，位移变化13.34mm，占1#桩基总位移的75.4%，并在21～30步开挖中平缓上升至最大位移17.70mm，然后缓慢降低并渐渐趋于平稳，最后开挖完成后的位移值为16.25mm。相较于1#桩，2#桩基可以分为三个阶段，即缓慢增长阶段、快速增长阶段、平稳阶段。2#桩在前期增长幅度很小，1～11步仅增加1.48mm，而在11～29位移急剧增加，从1.48mm增加到14.93mm，增加13.45mm，占总位移86.4%，其后缓慢增加并平稳波动，至开挖完成后，2#桩基位移为15.57mm。3#～5#桩与2#桩具有相似的位移趋势。

通过对1#～5#桩的数据分析，可以看出桩基位移急剧增加的开挖步范围大致相等，约15步，而模型每步开挖2m，并且影响范围对称分布，即影响桩基变形的开挖范围大致为桩基断面前后15m。1#桩距初始开挖面19.64m，接近位移快速增加的开挖范围，因此在前几步范围内位移就有较大的增长，也是1#桩与2#～5#桩的不同之处。因此，在开挖距桩基位置15m范围时，要注意盾构掘进对桩基的扰动，及时支护与注浆，加强监测，以减少开挖对土体和桩基的扰动。

3.2 注浆对桩基的影响

图7 不同工况下的桩基位移历程曲线

图7为注浆和未注浆工况的1#桩的位移曲线图。从图中可以看出，两者的位移曲线具有相同的趋势。两工况下的位移曲线在初期开挖阶段重合，表明在未进入影响范围时，无论注浆与否，初期开挖对桩基位移的影响相同。但是在位移快速增加阶段，未注浆的桩基位移明显比注浆工况增加的快，至开挖结束，未注浆工况下，桩基位移为18.29mm，注浆工况下，桩基位移为16.25mm，减少2.04mm，占比11.2%。经分析可得，在注浆加固的情况下，加强了桩周土体的强度和刚度，降低桩的变形，表明了注浆加固有利于减小盾构开挖对桩基的扰动，对桩基的整体稳定性有着一定作用。

4 结论

通过数值模拟，对盾构近距离侧穿建筑物桩基的变形规律进行了研究，得出如下主要结论：

(1)桩基与隧道的横向距离直接影响桩基变形大小。数值模拟结果表明，开挖完成后，桩基的位移最大值为16.25mm发生在最靠近隧道的1#桩上，距桩顶10.8m，接近隧道拱顶处。

(2)桩基位移的变化趋势与盾构和桩基的纵向距离密切相关：随着盾构逐步开挖，桩基位移不断增大，且在隧道距桩基前后15m范围内位移急剧增加，离开开挖影响范围后，位移逐渐平稳至固定值。因此，当盾构掘进到桩基影响范围时，要根据周边监测结果，合理调整盾构的掘进参数，防止桩基过度变形。

(3)盾构开挖注浆比不注浆桩基位移减少11.2%。表明注浆加固能大幅度地控制桩身变形。因此在盾构开挖时，需及时盾尾注浆，适时二次注浆。