既有盾构隧道在桩基沉降场中的变形分析

席旭刚，李凯，张伟

（1.中铁上海工程局集团第三工程有限公司，安徽 合肥 230000；2.合肥城市轨道交通有限公司，安徽 合肥 230001；3.成都基准方中建筑设计有限公司合肥分公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

由于公共交通快速增长的需求同地面空间不足的矛盾，导致在立体城市的建设中不断涌现各类建筑物近接地铁隧道的问题，其中又以桩基础近接盾构隧道施工最为普遍。由于地应力的变化，可能会对邻近既有隧道产生不利影响，准确预测桩基础对盾构隧道的影响是土木工程设计和施工中的一项重大挑战。

针对此类问题，目前的研究尚不多见且适应性的对策仍需完善。分析方法大致可以分为四类：现场实测、数值模拟、离心模型试验和理论分析[1-4]。

本文提出一种简单有效的分析方法，用于计算桩基础在竖向荷载作用下邻近既有盾构隧道的沉降曲线。该方法分为两个步骤：①邻近桩基础作用竖向荷载时，隧道纵轴线方向上附加应力的计算；②该附加应力条件下隧道与土体的共同变形。通过数值模拟与所提出方法的计算结果进行比较，可以认为本方法能较为准确的预测受到桩基荷载效应的隧道纵向沉降响应。

2 分析方法

分析问题如图1所示，在既有盾构隧道附近存在桩基础施工的情况下，随着桩基础上竖向荷载的不断增加，桩周土体将在横向和纵向方向上运动。这些运动将在隧道上产生额外的沉降，这可能导致隧道渗水漏泥、局部管片结构破坏等现象。这里给出的分析方法可以分为两个阶段：首先假设隧道不存在时，计算桩基在荷载作用影响下隧道位置处土体的附加应力；其次计算隧道对于桩基础引起的隧道上附加应力的响应。

图1 桩基础近接隧道典型问题分析

2.1 单桩分析

从桩基础沉降计算的研究现状来看，桩基础本身的沉降计算方法已经发展比较成熟，但对于桩基础周围的沉降场，尤其是桩基础对邻近建构物影响的研究尚有不足之处。传统的桩基础理论计算方法主要有三种:荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法。这三种方法最适合考虑桩周土体变形的方法是剪切位移法。Cooke[5]提出了摩擦桩的荷载传递物理模型，假定桩与桩侧土之间不发生相对位移，桩侧土之间也没有相互作用的前提下。桩沉降时周围土体也发生剪切变形，剪应力τ从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中。在均匀、连续、各向同性的土体中，受荷桩身周围土的变形即可理想地视为同心圆柱体，见图2。这一假定分别为桩的试验结果和有限元分析证实。而后Randolph[6]对这一方法的推广应用作了重要工作。

2.2 群桩分析

图2 桩身变形模式图

桩基在承受竖向荷载时与既有盾构隧道之间存在着复杂的动态相互关系，随着荷载的施加迫使土体运动造成隧道变形的同时，桩体由于自身较强的刚度也在抵抗土体运动。这样对群桩而言，由于桩基的抵抗作用而表现为桩基在承受荷载时引起的土体位移在隧道处减小，这一现象称为遮拦效应。遮拦效应通常随着桩间距的增大而减小，当群桩效应的影响可以忽略不计时，将该桩间距称为群桩效应临界桩距。根据《桩基工程手册》[7]，对于端承群桩或桩中心间距大于6倍桩径的摩擦群桩基础，群桩效应可以忽略不计。

3 隧道在桩基沉降场中的变形

如图3由于圆形隧道纵向长度远大于其横截面直径，而且目前众多隧道纵向解析分析时将隧道视为纵向上的梁，因此盾构隧道在纵向方向上可视为一无限长矩形梁（横向宽为其直径D，高度h按横截面面积等效为 0.785D），徐凌[8]对双参数的弹性地基无限长梁模型进行了研究，当隧道在纵向上受到局部荷载作用，土体位移在纵向不一致，横向上梁下与梁侧位移、应力分布接近，则此时仅考虑梁下地基的剪切作用而忽略梁侧地基的剪切作用，得出双参数的弹性地基无限长梁的平衡方程。

根据求得的隧道位移函数，可得隧道的纵向弯矩为：

图3 隧道土体相互作用模型

4 验证分析

4.1 单桩验证

图4为采用本文计算方法、数值模拟与W inkler地基梁模型得到的计算结果对比。可以看出，3种计算方法得到的隧道纵向沉降曲线分布规律基本相似，但数值存在一定差异，本文计算方法结果与数值模拟计算结果均小于W inkler弹性地基梁理论所得到的结果，本文计算方法得到结果更加接近数值模拟结果。

4.2 群桩验证

图5为采用本文计算方法、数值模拟与W inkler地基梁模型得到的计算结果对比。可以看出，对于群桩与单桩结果相似，本文计算方法得到结果更加接近数值模拟结果，这说明该方法具有一定的合理性。

5 结论

针对桩基础在竖向荷载作用下邻近既有盾构隧道沉降曲线的理论求解，本文提出一种简单有效的分析方法。得到如下结论：

图4 单桩情况下3种计算结果对比

图5 群桩情况下3种计算结果对比

①本文方法能较好的考虑桩与桩之间、桩土之间以及桩间土体之间的相互作用，适用于考虑成层土体以及群桩效应的计算，采用双参数的弹性地基梁模型作为分析土-隧结构模型，不仅评价了地基对隧道的压缩作用也评价了剪切作用，地基参数相对较少，是比较合适的分析模型；

②计算实例表明，本文理论计算方法与数值模拟结果吻合较好。说明利用该方法进行理论计算具有一定的合理性与可行性。