盾构地铁隧道施工对近接桩基的影响

建筑物的桩基设计不当时，近接于该建筑物的地铁施工极易造成其桩基变形、应力集中，给建筑物的结构正常使用带来极大风险。文章依托金结余地铁7号线螺蛳湾北站—羊甫南站区间的中豪置业螺蛳湾A2地块消防站项目（以下简称“A2地块”），应用数值模拟方法，研究既有结构桩基类型对抵抗近接地铁区间扰动的影响，为设计施工提供理论指导。研究结果发现A2地块训练塔原设计为两段预制管桩，由于连接处与地铁区间接近同一水平线，地铁区间施工将对桩基造成较大扰动，出现较大的水平变形与应力集中，当优化为整体灌注桩后，该扰动明显减弱，满足结构安全需求。

地下工程; 桩基; 近接工程; 施工扰动

U452.2+6   A

[定稿日期]2021-06-17

[作者简介]陈尤斌（1984～），男，本科，高级工程师，从事地铁工程管理工作。

随着城市地下空间的发展，越来越多的地铁施工近接于各种构建筑物，研究新建地铁区间对周边基坑、桩基等构建筑物的影响时亟需解决的工程实际问题[1]。

浅埋地铁施工一般在区间中心对应的地表位置造成的沉降最大，由正上方中线向周边逐渐减小[2]，习惯称该沉降曲线为“沉降槽”。Loganathan等人[3]以工程实例为依托研究了隧道施工造成地层沉降的规律以及对周边建（构）筑物的影响。仇文革[4]在總结了国内外相关研究成果的基础上将隧道近接施工分区按照影响由弱至强的顺序，将施工影响区域划分为“无影响区”“弱影响区”和“强影响区”。

同时，隧道施工过程中难以避免会造成周围土体位移，当土体的位移值过大就会影响到周围土层中既有的桩基础，进而对上部的建筑或构筑物产生影响[5]。盾构掘进会使周围土体产生竖向位移和水平位移;当土体的竖直方向的位移表现形式为沉降时，土体的变形会在桩身上产生负摩阻力，引起桩轴力的变化以及桩体沉降;当土体竖向位移表现为向上隆起时，土体作用到桩侧和桩端的向上作用力使桩轴力增加并且产生上升的趋势，最终会导致桩基上部结构受到不均匀反作用力和产生变形;土体的水平位移会引起隧道周围的桩体产生向隧道中心变形的趋势，导致桩身附加弯矩的产生和增加，使桩承载力受影响[6-7]。王占生在基于盾构隧道施工对土体的影响规律进一步通过理论分析的方法分析了隧道在邻近桩基施工时对桩基的影响，并指出了如何减小桩基变形和控制桩内力的有效途径[8]。

本文依托昆明地铁7号线螺蛳湾北站—羊甫南站区间，该盾构区间近接于螺狮湾A2地块训练塔，最近水平距离9.279 m，通过数值模拟的手段研究地铁开挖卸荷对既有地下结构的影响，并根据计算结果对桩基进行优化设计。

1 工程概况

云南中豪置业螺蛳湾A2地块消防站项目（以下简称“A2地块”）位于昆明市官渡区新螺蛳湾国际商贸城片区，广福路南侧空地内，平面形状为一类似矩形的五边形。螺蛳湾北站为地铁4、7号线换乘车站，其中4号线螺蛳湾北站（运营站位为广卫站）已建好并投入运营，7号线螺蛳湾北站处于规划阶段。A2地块位于7号线螺蛳湾北站大里程端头，螺蛳湾北站—羊甫南站区间从A2地块正下方穿越。地理位置区域图如图1所示。

地铁7号线功能定位为昆明市城市快速轨道交通重要的填充线，线路全长42.2 km，采用全地下线敷设。A2地块位于7号线螺蛳湾北站—羊甫南站区间，施工工法为盾构法。

场地处于昆明盆地东部边缘地带，属昆明断陷盆地地貌单元。现状为空地，地形较为平缓，地势较为开阔。在勘察深度（约50 m）范围内，揭露的场区地层为上覆第四系人工填土层（Q4ml，①大层），第四系冲洪积黏性土层（Q4al+pl，②大层），下部为第四系湖积黏性土、粉土、有机质黏土交替沉积层（Ql，③～④大层）。

2 近接关系

2.1 平面关系

区间隧道正穿A2地块的绿化带和篮球训练场，侧穿A2地块的训练塔。训练塔为地上5层结构，基础采用500 mm预应力混凝土管桩，有效桩长20 m，桩基外边缘与区间隧道外边缘平面距离范围为9.279～9.554 m，平面关系如图2所示。

2.2 剖面关系

区间隧道正穿A2地块的绿化带和篮球训练场，正穿区间隧道顶埋深约为7.7～8.2 m。训练塔为地上5层结构，基础采用500 mm预应力混凝土管桩，有效桩长20 m，分两段压入，区间隧道竖向上位于训练塔桩基腰部，训练塔桩基底位于区间隧道底以下约7.5 m。训练塔桩基分节接头部位与隧道水平中心线，基本位于同一竖向标高，剖面关系如图3所示。

3 桩基类型数值分析

3.1 数值计算模型

本次计算采用大型通用有限元分析软件，通过建立二维模型，分析A2地块施工对地铁7号线区间结构的影响。

结合地铁区间结构的空间尺寸，为避免尺寸效应对计算结果的不利影响，拟定模型X方向（东西方向）取60 m，Z方向（深度方向）按实际地质情况取30 m。土体采用实体单元模拟，区间结构、桩基结构、楼体采用板单元模拟，采用四面体网格，能够得到较好的计算结果。土体采用基于莫尔库伦准则的弹塑性本构模型，混凝土结构采用弹性本构模型，据实开展相关计算工作。模型图如图4所示，数值计算模型结构构件尺寸及物理力学参数如表1所示，围岩物理力学参数如表2所示。

3.2 数值模拟步骤

由于本计算主要分析盾构区间施工对楼体及桩基的影响，因此设定施工步骤如下：初始应力平衡—训练塔桩基施工—训练塔楼体施工—7号线左线隧道开挖（围岩释放率20 %）—7号线左线隧道管片（围岩释放率80 %）—7号线右线隧道开挖（围岩释放率20 %）—7号线右线隧道管片（围岩释放率80 %）。

3.3 影响结果与分析

在获得初始应力状态后，后续的分步计算均建立在上一步计算结果的基础上，得到各施工阶段对应的增量。区间开挖有多个步骤，本章节仅展示地下室开挖终态与初始应力状态的对比。位移如图5所示，弯矩如图6所示。

由图5及图6可以看出，7号线地铁区间的施工对既有A2地块训练塔结构的影响如下：

（1）训练塔结构及桩基有下沉的趋势，结构最大下沉2.18 mm，最大位移位于靠近7号线区间一侧，且由于桩基由两段连接而成，存在一定的变形不均匀。

（2）训练塔结构及桩基将发生水平向变形，具体为向地铁7号线区间一侧变形，最大变形8.52 mm。其中最大变形主要发生在靠近7号线右线区间同一水平位置的混凝土管桩连接处，存在位移突变，具有一定的施工风险。

（3）训练塔结构及桩结构在地铁7号线施工中内力有一定影响，正弯矩最大变化量约为8.01 %，负弯矩最大变化量约为1.23 %，正弯矩变化较大，且出现在管桩连接处。

3.4 桩基优化分析

由上述分析计算可以看出，桩基在靠近地铁区间一侧会发生一定的变形与应力集中，由于预制管桩两段连接处与地鐵区间基本位于同一标高水平线，图5可以清晰的看出，竖向变形上下两段桩基有明显分界，水平变形在连接处有明显地靠近地铁区间一侧变形，对训练塔结构产生不利影响。

将两段预制管桩更改为整体灌注桩，此时桩基将成为一整体，其他边界条件与3.1节相同，现将计算结果置于图7、图8。

通过桩基优化后的计算发现7号线地铁区间的施工对既有A2地块训练塔结构的影响如下：

（1）训练塔结构及桩基有下沉的趋势，结构最大下沉1.65 mm，最大位移位于靠近7号线区间一侧，桩基变形连续，无不均匀变形出现。

（2）训练塔结构及桩基将发生水平向变形，具体为向地铁7号线区间一侧变形，最大变形3.41 mm，较之前减小5.11 mm左右。

（3）训练塔结构及桩结构在地铁7号线施工中内力有一定影响，正弯矩最大变化量约为5.2 %，负弯矩最大变化量约为5.6 %。

4 结论

由于地铁结构与分段式预制管桩连接处在同一标高水平线，地铁7号线的施工对融创春风十里A2地块项目有一定影响，采用预制管桩时后续地铁施工影响较大，建议采用整体的灌注桩进行施工，优化后地铁施工对训练塔影响较小，满足结构安全需求。

参考文献

[1] 程光华， 王睿， 赵牧华， 等.国内城市地下空间开发利用现状与发展趋势[J].地学前缘，2019，26（3）：39-47.

[2] Peck R. B. Deep excavations and tunnelling in soft ground[A]. Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C]. Mexico City： State of the Art Report， 1969： 225-290.

[3] Loganathan N.， Poulos H. G. Analytical prediction for tunnelling-induced ground movements in clays[J]. Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering， 1998， 124（9）： 846-856.

[4] 仇文革. 地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D]. 成都： 西南交通大学，2003.

[5] 彭领根. 不同影响因素下双线盾构隧道施工对桩基础影响分析[D].邯郸：河北工程大学，2019.

[6] 周正宇.地铁施工邻近既有桥梁影响分析及主动防护技术研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[7] 张海彦.盾构隧道施工对邻近桥梁桩基础的影响及风险控制值研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[8] 王占生.盾构近距穿越桩基的硏究[D].北京：北京交通大学，2003.