既有桩基影响下隧道开挖地层变形规律研究

卢智强,伍 建,肖龙鸽,黄 成,文茂林

( 1.中建隧道建设有限公司，重庆 401320； 2．重庆大学 土木工程学院，重庆 400045)

随着我国经济的迅猛增长，城镇化进程日益加快，城市可用土地紧张，轨道交通以其占用地面资源小、运能大、运行时间稳定等独有的优势，在解决城市人流车流与日俱增造成地面交通拥堵制约城市经济建设发展的问题上，提供了一个良好的解决方案；然而地铁线路的规划和设置一般位于城市化高度发展地区、城市主干道沿线、地面建筑密集区域，因此越来越多的地铁线路需要近距离穿越(下穿、侧穿)各种建筑物及其地下结构，在地铁隧道沿线存在既有桩基的情况相对普遍，其中主要包括桥梁桩基、立交桩基、楼宇及其他建筑物桩基。地铁隧道施工将不可避免地造成隧道周围地层扰动，土体损失，地层原始地应力重新分布，地层应力及隧道周围土体变形将传递到邻近既有桩基，引起桩周土体变化；同时桩基的存在也将影响隧道周围地层在隧道施工下的运动和应力改变。研究城市隧道沿线邻近既有桩基的情况下，隧道开挖导致地层变形规律对降低地铁及其他隧道工程施工对既有建筑(结构)的潜在影响有着巨大的意义。

Loganathan[1]等人进行了三次离心试验，以研究不排水条件下粘土中隧道开挖对不同相对竖向位置桩基(单桩、群桩)的影响，包括隧道施工引起的地层变形，桩基的侧向位移及附加弯矩等；Ong[2]等人在新加坡国立大学进行了一系列离心模型试验，以研究粘土中隧道施工对邻近单桩基础的影响情况，以及引起的地表不同时期的变形，认为Peck公式短期内适用于地表沉降，而长期地面变形则不符合。隧道施工将引起邻近桩基较大的负摩阻力，需要评估桩基承载力；Arshall[3-4]等人也通过离心模型试验研究了隧道施工期间桩周和隧道周围土体的位移情况，隧道-土体-桩基相互作用影响着隧道周土体的变形规律和桩身的变形、弯矩，试验结果也证实圆柱形空腔收缩理论在研究隧道施工引起端承桩破坏方面的适用性；孙庆[5]等人通过离心模型试验研究粘土中隧道施工与邻近不同距离桩基的影响，分析土体的瞬时沉降和长期沉降以及桩基桩身轴力、弯矩及侧向变形的瞬时、长期影响；Morton[6]等人通过室内模型试验研究了软弱土地层中隧道开挖对邻近桩基沉降和承载力的影响，得出有关土壤膨胀破坏和潜在桩基破坏区(取决于隧道体积损失情况)的结论；Lee[7]等人利用近距离照相量测技术开展室内模型试验与数值模拟结合的方法研究桩基-土体-隧道相互作用，提出隧道施工影响区域的影响因素有桩端位置、地层损失率、地层土体强度、桩顶荷载、桩身尺寸和隧道直径等；吴翔天[8-9]设计了室内模型试验用以模拟隧道开挖对竖向受荷桩(单桩、群桩)的相互作用，通过理论分析求解了土体位移、桩基竖向位移解析解，通过数值模拟研究隧道开挖施工引起的土体位移场分布；苏洁[10]在提出隧道-土体-桩基-上部结构四者相互作用关系的基础上，给出了桩基承载力损失理论。

上述专家学者就既有桩基条件下隧道施工引起的地层变形做了大量研究工作，取得了相应的研究成果。以往的模型试验大多是采用预埋监测仪器的方法来对隧道开挖过程中地层的变形沉降进行监测，这在试验过程中不可避免地对实验结果造成一定的干扰。本文通过室内缩尺模型试验模拟既有桩基条件，研究城市暗挖隧道分步施工条件下地层变形特性，将PIV技术、激光散斑技术、图像互相关处理技术相结合实现模型试验的全场无接触式测量。研究隧道开挖过程中，隧道与邻近既有桩基周围土体内部的移动规律。

1 试验原理和设备

隧道与邻近既有桩基的相互作用是通过隧道及桩间土的传递进行的，为了研究具体作用方式及规律，需要观测隧道与桩间土的内部变形，透明土试验是目前研究内部变形比较成熟的常用试验方案。为了方便获取内部不同位置的变形，本试验装置的各个部分尽量采用高透明度的PPMA(亚克力)制品。整个物理模型试验系统主要由以下3部分组成，分别是模拟隧道开挖装置、模型箱和变形(位移)测量系统。

实验中隧道开挖装置采用两个不同直径的圆形套筒相互套接来模拟隧道开挖过程中隧道的径向收缩，其中外管PVC外径40 mm，内径36 mm，内管外径35 mm，内径31 mm，PVC管可阻隔激光的穿透，而亚克力管材透明度极好。两管连接部位直径平缓过渡，防止刮破密封用塑料薄膜，在实验过程中通过抽取外侧套筒来模拟隧道的开挖，由隧道开挖引起的径向收缩为5 mm。

模型尺寸与原型尺寸的几何相似比为1∶150。模型箱内部尺寸为：长×宽×高=280 mm×160 mm×220 mm，5块面板均采用透明度极高的亚克力(PPMA)板，亚克力板厚度为7 mm，并在前后面板预留直径为40 mm的圆形孔洞用以模拟隧道开挖，预留孔洞用低密度聚乙烯(LDPE)筒料密封。采用尺寸为外径15 mm，长度200 mm，桩端为平面状的黑色不透明的亚克力棒用于模拟桩基。

变形测量系统主要分为硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括位置控制系统、片光源激光器、高帧率CCD相机、图像采集设备和计算机等；软件部分主要为图像分析处理软件。

选用江苏省新沂市万和矿业有限公司生产的粒径范围为0.5～1.0 mm的熔融石英砂作为试验中透明土配置材料，将正十二烷与15#白油按体积比约为1∶8混合，并用玻璃棒不断搅拌，直到溶液充分混合均匀后，用阿贝折射仪测定混合液折射率，根据混合液折射率高低微调两种液体比例，直至折射率达到1.458 5，即与熔融石英砂颗粒的折射率相等。将熔融石英砂缓慢撒入混合液中，注意控制速率和撒入高度使气泡尽可能少，少许气泡可用玻璃棒慢慢挑出，保持液体水平面略高于透明土颗粒表面；可根据气泡多少及实际情况将混合透明土材料放置于真空箱中，抽真空，以去除透明土中的气泡，直到透明土试样透明为止。封上保鲜膜使土颗粒充分固结以待后续试验使用。

2 试验图像处理及结果分析

根据研究目的，设计了如表1所示的实验方案。

表1 试验设计方案

当试验数字图像采集完毕后，采用德国DLR(德国航空航天中心)开发的PIV后处理软件PIVview2C Demo分析透明土模型目标观测面的变形位移场。它是目前处理速度最快、精度最高的PIV后处理软件之一，包含了PIV(粒子图像测速技术)和PTV(粒子图像跟踪技术)两种图像处理技术。

2.1 隧道开挖引起周围地层三维变形分析

大量的理论研究与实践证明，不论采用哪种工法的隧道施工都将不可避免地对隧道周边地层产生扰动，研究隧道施工对周边既有桩基的相互作用关系有重要意义。当隧道在邻近既有桩基条件下开挖施工时，隧道、周边土体、既有桩基以及既有桩基的上部结构等四部分将处于一个共同作用体系中，四者之间相互作用，相互影响，直至形成最终的稳定平衡状态。本文暂时忽略桩基上部结构的作用，仅对隧道-土体-桩基三者之间的相互作用关系进行研究。

下面以试验方案中基准A3组为例分析隧道开挖引起的隧道周围地层变形，即在隧道埋深为60 mm(C/D=1.5，埋深与隧道直径比值为1.5)，桩基插入深度为80 mm(2D，两倍隧道直径)，桩基与隧道中心距为60 mm(1.5D，1.5倍隧道直径)的开挖工况下，研究隧道周围地层的变形。

在分析之前本文先对坐标系及方向做出如下规定：以隧道中心为原点，隧道中心与桩基中心连线所在竖向平面为XOZ平面，隧道中心所在水平面为XOY平面；方向X轴向右(指向桩基侧)为正，Y轴以隧道掘进方向为证，Z轴向上为正。后期图像的坐标和方向均遵从以上规定，不再单独说明。

1)地层土体竖向三维变形。如图2中所示为基准组A3组沿桩基与隧道中心线竖直方向切剖后的竖向位移云图，从图2中，我们可以看出，在隧道顶上地层的竖向位移基本呈现出沉降槽式对称分布，主要竖向变形集中在隧道中心线左右各3倍半径范围内，竖向位移等值线略微呈现拱状(预示土拱效应已然形成)。此外，试验中桩基在隧道的右侧，可以看出在有桩基的一侧，发生变形的区域稍大，这应该是隧道与桩基相互作用的结果。而隧道周围土体没有竖向位移数据，是由于隧道开挖(拉拔套管)后，模拟隧道用PVC管材在相机照摄范围内遮挡了部分透明土，导致部分变形数据缺失。而隧道上方位移数据的突变(隧道上方云图蓝色区域以下绿色区域)，乃因图像处理软件等值线自动闭合的原因，隧道拱顶上方土体竖向位移急剧减小至0。从图2中也可以看出越靠近隧道拱顶，竖向位移应该是越大的，这与其他研究者的相关研究成果和结论是吻合的。

图2 A3组中心切面地层竖向位移云图

2)地层土体侧向变形。隧道侧穿既有桩基开挖时，地层水平方向变形是桩基侧向变形(弯曲或者倾斜)的主要因素，因此研究隧道开挖引起的地层土体水平变形规律对研究隧道-桩基相互作用关系有重要意义。

图3 A3组中心切面地层水平位移云图

同样以A3组为例，竖直切面上隧道、桩基及其周围地层的水平位移云图如图3所示。由于水平位移极值与竖向位移极值相差较大，在水平位移云图中颜色分布法重新定义了一下，故云图中颜色需配合图例参考，本文中竖向位移和水平位移云图在各自同类型图中云图分布法相同。从图3中可以看出隧道中心轴线上方水平位移基本为0。以隧道中心轴线为参照面，左右两侧水平位移大致对称分布，均向着隧道中心轴线所在竖向平面，且水平位移比竖向位移要小很多，隧道周围土体的变形主要以竖向位移为主。大约在隧道轴线两侧各半径距离处水平位移值达到最大，大致符合正弦函数分布。靠近桩基侧最大水平位移的值比无桩基侧最大水平位移值稍大。如果没有桩基的存在左右两边是对称分布的；而桩基影响了这种平衡，导致靠近桩基侧土体水平位移偏大；而在桩基附近水平位移较小甚至几乎没有水平位移。本组试验桩基距离隧道较远是其中的一个原因，主要原因可能是桩基的存在限制了地层水平位移的传递和发展。

2.2 隧道开挖过程中地层的动态变形分析

为了分析隧道开挖引起隧道周围地层的动态变形，本文建立了如图4所示的分步开挖典型点位置示意图，在隧道顶部一共取了6行8列一共48个标记点来跟踪其变形的动态过程，在前文所述坐标系情况下，这些点的分布为：X轴坐标分别为-40、-25、-10、0、10、25、40和50，单位均为 mm；Z轴坐标分别为-2、-10、-18、-26、-34和-42，单位也均为 mm。

图4 分步开挖典型点位置示意图

研究这些点的动态变形基本可以推断出隧道周围地层在隧道开挖过程中的动态变形，其余点的相关信息也可以在后文开挖中的云图中看出。在分析隧道开挖过程中隧道周围地层的变形规律前，做如下定义：将隧道掌子面距离隧道-桩基中心轴线切面的距离设为Di，当Di=0时，代表掌子面位置刚好位于隧道-桩基中心轴线切面；当掌子面还未到达隧道-桩基中心轴线切面时，Di<0；当掌子面经过隧道-桩基中心轴线切面后时，Di>0。

隧道整个开挖过程中典型标记点的竖向位移动态变化如图5所示，横坐标为掌子面位置，纵坐标为标记点的竖向位移uz。

图5 典型点竖向位移变化曲线

从图5可见，在隧道掌子面距离桩基-隧道中心轴线-40 mm(一倍隧道直径)前，隧道上方地层几乎没有竖向变形，即影响还未到达该区域；掌子面位置距离桩基-隧道中心轴线-40 mm至0 mm阶段，隧道顶上地层竖向变形增长较缓，位移不大，说明这个阶段隧道的开挖对该区域土体扰动不大；掌子面位置距离桩基-隧道中心轴线=0 mm至60 mm阶段，即隧道掌子面位置经过隧道-桩基中心轴线切面后，隧道顶部的土体竖向位移增加较为剧烈且增长速率(斜率)大致相同，可近似认为是匀速下沉；掌子面位置距离桩基-隧道中心轴线在60 mm以后阶段，隧道顶部土体竖向位移增长趋于平稳甚至不再增长，此时隧道开挖对该区域地层扰动造成的沉降已大致完成，重新达到了稳定平衡状态。受限于试验装置的宽度，掌子面位置距离桩基-隧道中心轴线在80 mm(两倍隧道直径)以后阶段的竖向位移数据欠缺，从曲线的增长趋势和走向可以大致推断出竖向位移增长将会很小，沉降基本已经结束。上述规律较适用于距离隧道中心轴线较近的土体，位于隧道中心线较远处的土体，竖向位移整个阶段都增长缓慢甚至没有竖向位移，进一步验证了隧道开挖引起周围地层变形影响区的存在。

从图5可以看出，隧道中心轴线上方左右两侧土体的竖向变形大致对称，同一水平面上距离隧道中心轴线越近的地层，竖向位移不管是增长速度还是最大值都大于距离隧道中心轴线较远的地层土体；同时还可以看出在靠近地表和靠近隧道开挖面的土体竖向位移的增长速度和最大竖向位移均小于隧道开挖面与地表中间部分的地层土体。

图6为开挖过程动态竖向位移云图，从图6可以明显看出在隧道掌子面距离桩基-隧道中心轴线0 mm(隧道-桩基中心轴线切面)前，隧道上方地层竖向变形不管是数值还是区域都很小，即隧道开挖的影响还未到达(刚到达)该区域，说明这个阶段隧道的开挖对该区域土体竖直方向扰动不大；掌子面位置距离桩基-隧道中心轴线0 mm至60 mm阶段，即隧道掌子面位置经过隧道-桩基中心轴线切面后，隧道顶部的土体竖向位移数值不断增长，竖向变形区域的大小也在不断增大，这个阶段为隧道开挖引起周围地层变形的主要作用阶段，主要的竖向变形在该阶段完成；当掌子面位置距离桩基-隧道中心轴线在60 mm以后，隧道顶部土体竖向位移的数值基本不再增加，竖向变形区域也基本不再变化，此时隧道开挖对该区域地层扰动造成的竖向变形已大致完成，重新达到了稳定平衡状态，受限于试验装置的宽度，掌子面位置距离桩基-隧道中心轴线在80 mm(两倍隧道直径)以后阶段的竖向位移数据欠缺，但是从云图的变化趋势可以大致推断出此后隧道周围地层的竖向位移云图将基本与图6(d)相同，隧道开挖对该切面的影响基本终止，该切面的地层重新达到了稳定平衡状态。从图6还可以看出隧道顶部土体的竖向位移等值线在稳定过程中逐渐形成拱状。

图6 开挖过程动态竖向位移云图

下面分析隧道开挖引起地层变形的侧向变形规律。图7所示为X=30 mm，即隧道偏向桩基侧0.75 D竖直平面上不同深度的侧向位移变化曲线，可以明显看出在隧道掌子面距离桩基-隧道中心轴线0 mm(隧道-桩基中心轴线切面)前，隧道侧方地层侧向变形数值很小，有的地方甚至没有侧向变形。隧道开挖的影响还未到达(刚到达)该区域，也说明这个阶段隧道的开挖对该区域土体水平方向扰动不大；

图7 X=30 mm处不同深度侧向位移变化曲线

掌子面位置距离桩基-隧道中心轴线0～60 mm阶段，即隧道掌子面位置经过隧道—桩基中心轴线切面后，隧道顶部的土体侧向位移数值不断增长，这个阶段为隧道开挖引起周围地层水平变形的主要作用阶段，直至重新达到稳定平衡状态。隧道开挖对该切面的影响基本已经完成，该切面的地层重新达到了稳定平衡状态。距离隧道轴线不同距离的其余竖直平面的侧向变形规律与此基本相同。将开挖过程动态竖向位移云图(见图6)和开挖过程不同深度侧向位移变化曲线(见图7)的比对后，说明了隧道开挖引起的地层变形是竖直方向与水平方向同步进行的，变化趋势大致相同。

3 结束语

本文通过一个透明土物理模型试验，并采用基

于PIV技术的土体内部断层三维变形量测系统监测变形，研究了城市隧道沿线邻近既有桩基的情况下的隧道开挖导致地层变形规律。得到了在既有桩基影响下，隧道施工过程中的地层规律。研究结果表明：

1)隧道开挖引起的周围土体变形区域主要位于隧道上方及上方左右两侧，变形主要以竖向沉降为主，水平变形为辅，砂土地层呈现出整体较均匀变形模式，竖直与水平方向变形均大致关于隧道轴线对称；

2)砂土地层中，隧道掌子面在桩基-隧道中心轴线前时，隧道周围地层变形较小，即隧道开挖的影响还未到达(或刚到达)该区域；掌子面位置经过桩基-隧道中心轴线切面后，该切面上地层发生持续变形，直至掌子面位置距离该面约2倍直径后重新达到稳定平衡状态，变形基本完成。

本文研究仅为对相同隧道埋深下在不同桩基埋深情况下进行分步开挖沿下的情况，在后续的研究中，将围绕相同桩基埋深下，不同隧道埋深、相同隧道埋深下、在不同的隧道-桩基距离的情况开展更加全面的研究。