盾构切削桩引起的桩基承载特性变化及可行性研究*

李景茂，王 旭,2，王博林，牛亚强

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070)

0 引言

地铁常建于城市主干道下方，故可能会穿越既有桥梁桩基。盾构法是地铁隧道施工的主要方法，但其施工会对隧道周围土体产生扰动，导致土体体积损失，从而造成应力场的改变，对既有桥梁桩基产生不利影响，致使整体结构存在安全隐患[1-2]。

目前，针对盾构法施工穿越既有建构筑物基础可行性方案的研究方法主要包括理论计算、现场实测、模型试验以及数值分析等。Peck[3]提出假定土体不排水、体积不产生压缩的隧道施工引起的地层沉降计算公式，该公式被广泛应用；张治国等[4]采用Pasternak地基模型，从理论上探讨隧道掘进过程与相邻桩基间相互作用的理论表达式；Franza等[5]采用变刚度的铝板模拟桩及上部结构，室内模拟研究在砂土中隧道开挖对桩基建筑物的影响；Meguid等[6]、Lee等[7]基于离心模型试验，探讨盾构隧道开挖过程对桩基承载力以及附加内力的影响；唐仁等[8]依托盾构下穿建筑物工程，研究盾构直接切削桩通过后剩余基桩的沉降和承载力计算问题；朱逢斌等[9]通过对比分析离心试验结果和有限元模拟，研究软土地区盾构施工对邻近桩基的影响规律；田晓艳等[10]基于剪切位移法及Winkler地基模型，研究隧道掘进对邻近桩基在非均质地基中的影响以及隧道埋深对邻近桩基的影响；姜忻良等[11]以天津地铁为背景，基于ABAQUS软件采用动态法对盾构隧道的施工进行模拟，探讨隧道开挖对邻近桩基的影响；王飞等[12]利用现场试验，分析盾构穿越大直径桥桩的切桩效果、机制、掘进参数特征和刀具损伤规律等，并进一步探讨盾构切削桩的可行性和关键技术；成炜康等[13]采用有限元软件Midas GTS NX建立地铁盾构隧道下穿建筑物的三维实体模型,分析盾构隧道下穿建筑物的不同阶段对桩体位移、内力的影响，并提出安全防护措施。

目前国内外的研究成果主要集中在盾构下穿或侧穿桩基，对于因盾构施工直接切削既有桩基而引起的桩基承载特性的变化及可行性研究仍有不足。本文以兰州轨道交通1号线拱星墩—东岗区间盾构施工穿越既有桥梁桩基工程为背景，基于数值计算(Midas GTS)，分析盾构切削桩对既有桩基承载特性的影响及可行性，为该工程后期施工及类似工程提供参考。

1 工程概况

兰州轨道交通1号线西起兰州市西固区，东至兰州市城关区，线路全长34 km，是兰州市从西向东通过城市蜂腰地段的1条主干交通线路。其中拱星墩-东岗区间隧道中心线埋深16.5 m，地下水埋深约16.5 m，该区间的主要地层情况见表1。

表1 主要地层情况

按照该区间设计方案，该线路将与烂泥沟桥、鱼儿沟桥2座桥梁的桩基础相交。2座桥的结构型式相同，上部结构为预应力混凝土空心板梁，下部结构采用桩接盖梁式桥台，桩直径1.2 m，桩长22 m。该项目在前期设计中提出切削桩穿越、切削桩托换、拆除重建等方案。故通过数值计算探讨盾构切削桩引起的既有桩基承载特性变化及可行性，为后期施工方案的选取提供参考。

2 有限元模型

采用Midas GTS软件建立三维有限元模型，如图1所示，桩基与隧道位置关系如图2所示。计算范围：上部至地表、下部至地表以下44 m，长、宽均为31 m。采用修正摩尔-库伦屈服准则进行计算。承台顶面施加357.34 kN/m2的均布荷载，盾构掘进压力为95 kN/m2，桩体采用1D单元模拟，桩土相互作用通过添加的桩界面单元模拟。土体物理力学参数、结构参数见表2～3。

图1 三维有限元模型

图2 桩基与隧道位置关系

表2 土体物理力学参数

表3 结构参数

3 桩基承载特性变化分析

3.1 基桩轴力和侧摩阻力分析

各基桩在隧道开挖前与切削桩后轴力的变化如图3所示。

图3 隧道开挖前与切桩后基桩轴力变化对比

由图3可知，初始工作荷载下，隧道开挖前各桩的桩顶荷载分布比较均匀，其中3号桩桩顶荷载最大，为1 866.40 kN，5号桩桩顶荷载最小，为1 753.84 kN。切桩后各桩桩顶荷载发生重分布，1～5号桩桩顶荷载与开挖前桩顶荷载比较，各基桩变化分别为：+19.3%，-25.5%，-29.2%，+26.7%，-5.3%。即隧道两侧1，4号桩桩顶荷载增大且增大19.3%～26.7%，而切断桩荷载减小且减小25.5%～29.2%。

桩土相对位移是影响桩基侧摩阻力发挥程度的重要因素，各基桩在隧道开挖前与切桩后桩土相对位移变化如图4所示。

图4 隧道开挖前与切桩后桩土相对位移变化对比

由图4可知，隧道开挖前桩土相对位移较小，各桩桩土相对位移变化曲线相近，在基桩延土体埋深1/4位置，增长速度明显下降，这是由于桩周土压缩沉降变形随基桩埋深增加而减小所致。开挖后各基桩桩土相对位移均增大，2，3号桩切桩后在桩体自身沉降、承台削弱、土体压缩和邻桩影响的共同作用下桩土相对位移出现3个反弯点，和开挖前增长趋势完全不同。5号桩桩土相对位移增长最小。

各基桩在隧道开挖前与切桩后侧摩阻力变化如图5所示。

图5 隧道开挖前与切桩后侧摩阻力变化对比

由图5可知，各桩在隧道开挖前侧摩阻力的发挥趋势相近，基桩延土体埋深2 m位置处存在1个中性点，中性点以下侧摩阻力为正值，以上为负值。切桩后各基桩侧摩阻力发生变化，随桩与隧道位置关系不同而呈现完全不同的变化趋势。

切桩后，紧邻盾构隧道两侧基桩(1，4号桩)在中性点以下至7.5 m附近，侧摩阻力相对于切桩前有所增大，但增幅很小，而此段桩土相对位移又明显增大，这是由于桩间土位于隧道开挖沉降槽内，桩土相对位移增大的同时，土体也发生较大位移，对桩的压缩作用下降，以致于侧摩阻力增幅较小。而在7.5 m至隧道顶面范围内侧摩阻力增加明显，是由于此段位于沉降槽以外，土体沉降小，侧向压缩作用强，又由于桩自身在桩基切桩后发生较大沉降，引起桩土相对位移增加，导致侧摩阻力迅速增大。

盾构隧道正上方基桩(2，3号桩)在盾构掘进过程中被切断，中性点较开挖前出现在稍浅的区域，而产生的负摩阻力也较小。在中性点以下由于桩土相对位移增大，摩阻力得以充分的发挥。

切桩后，离开挖影响范围较远基桩(5号桩)在中性点以上负摩阻力增大，在桩深2～6 m之间侧摩阻力小于切桩前，而在6～16 m之间侧摩阻力大于切桩前，但在桩深0～16 m之间总体趋势一致，侧摩阻力的变化量很小。在桩深16 m以下，侧摩阻力明显小于切桩前。

3.2 基桩弯矩分析

各基桩在隧道开挖前与切桩后弯矩变化如图6所示。

图6 隧道开挖前与切桩后基桩弯矩变化对比

由图6可知，各桩弯矩在切桩后均显著增大，1～5号桩桩身最大弯矩相比开挖前分别增长3.9，2.9，3.2，5.2，2.0倍。最大弯矩发生在1号桩桩顶以下4 m处，为151.98 kN·m；在隧道中心线平面也存在不利截面，弯矩增幅明显，1，4号桩弯矩分别达到了-129.38，147.33 kN·m。

4 可行性分析

4.1 桩-土-承台竖向位移分析

文献[14]数值计算结果表明，盾构掘进施工在隧道上部形成沉降槽而在下部存在明显的土体隆起。根据土体竖向位移的大小将隧道横剖面划分为A，B，C，D 4个区域，如图7所示。由于应力释放导致A区地层表现为明显的沉降，而B区隆起明显，C区亦为隆起，但位移远小于B区，D区受施工影响较小，土体基本不产生竖向位移。

图7 土体变形区域划分

隧道中心线两侧地表沉降随开挖进程变化如图8所示，其中，原点为隧道中心线，以x轴正负方向表示地表沉降点距离隧道中心线两侧距离，图注中距离桩正值代表掘进面未到达桩基的距离，负值代表隧道穿越桩基后掘进面与桩基的距离。

图8 地表沉降随开挖进程变化分析

由图8可知，盾构掘进初始阶段，施工面距离桩基较远时桩周地表沉降小，且不存在明显的差异沉降。随着掘进靠近桩基，地表沉降开始逐渐增大，当施工面距离桩基2.4 m时，地表沉降开始增大，地表开始出现沉降凹槽，最大沉降量为2.9 mm。切桩后土体位移变化明显，地表最大沉降出现在隧道中心线处，沉降量达到6.1 mm，相比掘进面距离桩2.4 m时突增3.2 mm，但在距离隧道中心线两侧7.9 m处地表沉降变化小，最大增量仅为0.2 mm，说明地表产生明显的差异沉降，并在隧道中心线右侧7.9 m处出现反弯点，此点远处沉降均较小。切桩后盾构继续掘进，地表沉降仍呈现增大趋势，但增幅较小，当施工面距离桩基-8.4 m时，最大沉降量为6.9 mm，相比切桩时沉降增量为0.8 mm，之后隧道施工对桩基影响较小，地表沉降几乎不再变化。

盾构开挖前桩基承受初始工作荷载，相对位移较小，切桩后各桩沉降均增大。各桩桩顶到桩端沉降呈现减小趋势，但递减速度各桩存在差异，切桩后1～5号桩各截面沉降增量如图9所示，其中，纵坐标0刻度为桩顶位置。

图9 切桩后桩基沉降增量

由图9可知，切桩后各桩沉降增量不同，1，4号桩沉降增量从桩顶至桩端呈现递减趋势，而2，3，5号桩则呈现递增趋势。3号桩沉降增量最大，桩顶最大增量为5.87 mm，2号桩次之，桩顶为5.79 mm，5号桩由于距离隧道最远，受施工影响最小，沉降增量也最小，桩顶为2.46 mm。

群桩基础受荷后，承台、桩和土形成1个相互作用、共同工作的体系[15]，开挖前与切桩后承台的沉降变化如图10所示。

图10 开挖前与切桩后承台沉降对比

由图10可知，开挖前承台变形和桩沉降规律一致，以整体沉降为主，最大沉降量为6.29 mm，最小沉降量为5.27 mm，相对沉降为1.02 mm。切桩后承台发生明显的挠曲变形，最大沉降量为12.40 mm，发生在隧道中心线位置，最小沉降量为7.39 mm，最大相对沉降为5.01 mm。

4.2 基桩水平位移分析

盾构隧道开挖引起土体发生水平位移，导致桩发生倾斜和挠曲变形，桩体水平位移变化如图11所示。

图11 开挖前与切桩后桩体水平位移对比

由图11可知，开挖前各桩水平变形量均较小，截桩后受隧道施工和桩顶荷载重分布影响，各桩均发生不同程度的水平变形。1，4号桩距离隧道最近，发生的水平变形也最大，分别为-0.91，0.95 mm，基桩最大水平位移均发生在隧道中线附近。

根据盾构施工引起的变形控制值要求，施工引起的地表最大沉降不大于30 mm，单桩沉降不大于10 mm，承台差异沉降不大于3 mm。综合分析桩、土和承台开挖前和切桩后竖向位移变化，各单桩沉降和地表沉降在切桩后仍在变形控制范围内，但直接切桩将导致承台差异沉降超过限值，桩基将不适于继续承载，此方案不可行，必须在施工前采取有效的加固措施。

5 结论

1)桩基在隧道开挖前后承载特性不同，直接切削桩将导致桩顶荷载重分布，紧邻桩桩顶荷载增大且增长19.3%～26.7%，截断桩桩顶荷载减小且减小25.5%～29.2%。

2)桩土相对位移因盾构掘进而增大，促使基桩侧摩阻力整体呈现增强趋势；各基桩最大弯矩同比增大2.0～5.2倍，桩基最大弯矩发生在1号桩桩顶以下4 m处，为151.98 kN·m，隧道中心线所在平面也存在不利截面。

3)直接切削桩将导致地表、基桩沉降激增，其中位于盾构上方的基桩沉降最大，沉降增量达到5.87 mm，盾构掘进引起各基桩水平位移增大，最大水平位移均发生在隧道中线平面附近。

4)直接切削桩导致桩基承台由初始受力状态时的整体沉降变为挠曲变形为主，最大相对沉降为5.01 mm，超过控制限值，可知，直接切削桩方案不可行，必须采用有效的加固措施。