盾构隧道施工对邻近斜桩的影响研究

邱红胜 符传邦

(武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063)

0 引 言

斜桩在桥梁、海上钻井平台、大型输变电塔及建筑物等各个工程领域中得到广泛的应用.随着隧道工程的快速发展，隧道近距离侧穿桩基础的现象备受关注.

目前，国内外许多学者对此进行了深入研究并取得了丰硕成果.路平等[1]针对盾构掘进参数对地表沉降影响进行参数化分析，提出风险的定量评估方法及相应的精细化控制措施.王云岗等[2-3]对斜桩的受力性状及承载特性进行了研究.顾明等[4]利用离心机模型试验，对比了直桩群桩和斜桩群桩抵抗水平及偏心荷载的不同特性.周立朵等[5]基于群桩p-y曲线法和剪切位移法，分别计算获得荷载-位移关系曲线、桩身弯矩分布规律曲线等规律.王丽等[6-7]采用有限元法研究隧道盾构对桩基础的影响.吕凡任等[8]通过模型试验研究竖向荷载作用下斜桩的承载特性.

Loganathan等[9]通过离心模型试验分别研究了隧道盾构施工对邻近桩基的影响及单斜桩在水平荷载作用下的承载力.Hanna等[10]采用模型试验对不同倾斜度的斜桩在均质砂土中的侧摩阻力进行了一定研究.武林等[11]利用有限元法研究了隧道掘进对桩的影响.

上述研究针对斜桩工作性状和隧道盾构对桩基的影响，实际工程中也会遇见隧道盾构侧穿斜桩的案例，然而，大多学者主要针对盾构施工对直桩基础的影响，很少涉及盾构施工对斜桩基础影响的研究.本文通过有限元法模拟隧道盾构对斜桩工作性能的影响.

1 有限元模型

1.1 模型参数

以天津地铁2号线为为工程背景，土质主要为杂填土、粉质黏土、粉土、粉砂.采用修正摩尔-库伦模型，该模型能较好体现隧道掘进过程土体的沉降变形.土层类别及物理学参数见表1.

表1 模型参数

模型为三维模型，考虑到模型的边界效应，取长64 m、宽64 m(隧道中心线距两侧土体边界各32 m，约为4倍隧道直径)、高55.5 m.土体顶部不受任何约束，4个侧面限制两个水平方向位移，底部限制竖向及两个水平方向的位移.

隧道埋深18 m，地下水位-1.8 m，管片外径6.6 m，隧道轴线距地面13.9 m.注浆层厚度0.15 m，注浆压力接近实际工程取200 kPa.管片厚度0.3 m，考虑到实际隧道衬砌连接方式会对衬砌刚度产生一定影响，对管片弹性模量折减0.15，采用弹性材料进行模拟，管片弹性模量E=25 900 000 kPa，泊松比υ=0.2.

桩长为30 m、桩径0.8 m，桩身混凝土强度为C30，采用弹性材料进行模拟，桩身弹性模量E=31 500 000 kPa.研究隧道盾构施工对斜桩倾角的影响时，隧道和斜桩的相对位置见图1，斜桩倾角分别为7°、3°、0°(直桩)、-3°、-7°(以桩顶为旋转点，桩身逆时针旋转为正，顺时针为负).

图1 地层横断面图

1.2 盾构施工

盾构机每步掘进的长度对研究本身产生的影响较小，本次隧道盾构盾构分为16个施工步，每步掘进长度为4 m.在掘进的过程中对前方开挖面上的土体施加200 kPa的均布压应力以模拟土仓压力.盾构机每推进4 m相应的在盾尾拼装管片并进行注浆，注浆对管片及土体产生的作用力用200 kPa的压应力进行模拟.

在模拟开挖过程时，运用软件赋予的钝化和激活功能对开挖的土体进行钝化.在每步开挖时将对应盾壳、管片网格组及相应的掘进应力、管片压力及注浆压力激活，同时钝化开挖部分土体.在进行管片拼装及注浆时，可以用改变属性的功能将管片及盾壳网格组属性转化为相应的管片和注浆层属性.

1.3 天津地铁2号线模拟

天津地铁2号线隧道埋深18 m.为简化计算，将工程性质相近的土层并为一层，各参数按层厚进行加权平均.地层、埋深、测点位置等按文献[1]取.ST1-9,SL1-5分别为横向及纵向沉降测点，为便于表述清楚，文中仅对文献[1]中盾尾通过ST5后4 d及刀盘接近SL3测点时进行模拟.

图2为横向沉降槽及纵向沉降槽曲线图.由图2a)可知，除ST3测点外，其余横向沉降测点与本文计算结果较为接近，最大沉降差在1 mm以内，整体较文献[1]及实测结果偏大变，但变化趋势较为一致，符合peck沉降曲线趋势.这是由于本文所采用的有限元软件及土体模型与文献[1]不同.

由图2b)可知，文中计算结果较文献[1]及实测结果偏大，其中与文献[1]实测值最大偏差在2 mm以内，整体上曲线变化趋势一致.综上，可以验证本文通过模型反算所得参数是可靠的，能较好模拟隧道盾构施工过程.

图2 测点沉降曲线

2 盾构施工对邻近斜桩的影响

2.1 隧道掘进对斜桩变形的影响

以桩长30 m、桩径0.8 m、倾角3°的斜桩为例，分析隧道掘进施工对斜桩的变形及内力的影响.

以X坐标轴作为为横向，桩身水平位移以沿X轴方向为正，反方向为负；以隧道轴线作为纵向，掘进方向为正；模型坐标Z轴方向作为竖向，桩身沉降为负.

桩身的横向位移以向洞为正，背洞为负.2D为开挖面通过桩身所在位置2倍隧道直径，-2D为开挖面未经过桩身位置，距桩身2倍隧道直径，其余同理.

隧道向前开挖时，斜桩水平位移变化见图3.由图3a)可知，开挖面距桩身所在位置-2D之前，开挖对桩身水平位移影响很小，此后影响逐渐变大.其中，影响最大范围主要集中在-D～2D，且在隧道轴线处达到最大值，开挖后期桩身整体向洞侧倾斜.这是由于隧道开挖时，拱顶土体产生沉降，拱底则隆起，近洞侧桩体受到洞侧土体的推挤效应而产生较大背洞横向位移，而拱顶土体的沉降则带动桩身上部朝向隧洞移动.在-2D～2D，桩身在隧道轴线处横向位移增长2.888 mm，占总位移的84.10%，可见隧道轴线处桩身横向位移发展较为迅速.

图3b)为不同工况下桩身沉降曲线图，开挖面达到桩身所在处前桩身各处沉降量基本相同，即桩身整体下沉.开挖面通过桩身位置后，桩顶沉降量逐渐大于桩底，最大沉降差为0.573 mm，桩体受到压缩.这是由于拱底土体隆起所引起的.

图3 桩身横向位移与沉降

2.2 斜桩内力变化

桩身弯矩以背洞侧受拉为正.图4为不同开挖面位置桩身弯矩曲线.由图4可知：桩身弯矩沿桩长呈S形分布，桩身在隧道拱顶至拱底段(18～24 m)主要承受正弯距控制，其余部分主要为负弯矩.-D～2D桩身正弯矩发展迅速，在隧道轴线处弯矩达到最大值，其中最大正弯距约130 kN·m，为最大负弯矩的2.95倍.开挖面通过2D处后对桩身弯矩影响很小.整个开挖过程中，桩顶以下8 m范围内弯矩较小且变化不大.

图4 桩身弯矩

图5为桩身摩阻力曲线.由图5可知，摩阻力变化规律：开挖面在-D前桩身受到较小正摩阻力且变化不大.开挖面通过-D后，桩身上半部摩阻力由正转负且负摩阻力逐渐增大，同时桩身下半部正摩阻力增长迅速，开挖到4D处时正摩阻力达到84.347 kN/m，负摩阻力达-31.307 kN/m.

图5 桩身摩阻力

开挖面通过桩身所在位置后，中性点以上负摩阻力沿桩身先增大后减小，中性点以下正摩阻力快速增长，在桩底达到最大值.随着开挖面的前推，中性点向隧道轴线缓慢下移.此外，距桩顶18 m(隧道拱顶埋深)附近，各工况下的摩阻力十分接近，几乎不受开挖影响.

3 倾角变化对斜桩的影响

隧道盾构施工对斜桩的影响与桩身的倾角有关，倾角不同，桩身的内力及变形也不同，本文对不同倾角斜桩进行研究.以直桩倾斜角为0°，桩身绕直桩桩顶逆时针转动为正，顺时针为负，各斜桩倾角分别为7°(倾角为7°时隧道外沿与桩身水平净距约为0.68 m)、3°、直桩(与隧道水平净距为3.7 m)、-3°、-7°.

3.1 不同倾角斜桩的变形

隧道盾构施工对不同倾角斜桩的变形影响见图6，由图6可知，各倾角斜桩桩顶横向位移均随开挖面前推而逐渐增大，在5～11步区间增长速率较快，而后趋于稳定.开挖至-2D前对桩顶横向位移影响不大.此外，正斜桩桩顶横向位移均小于直桩和负斜桩且桩顶横向位移随倾角增大而减小，负斜桩则相反.倾角为-7°时桩顶横向位移最大值为1.604 mm，较7°(0.996 mm)情况下增长61.04%.由此可看出，斜桩倾角的正负性对其桩顶横向位移的影响较大且正负倾角差值越大位移差越大.

图6 横向位移曲线

图7a)为各倾角斜桩桩顶的沉降曲线图，由图可知正斜桩桩顶沉降均小于直桩和负斜桩且倾角越大沉降量越小，负斜桩则反之.倾角3°斜桩桩顶沉降量与直桩十分接近，在不考虑其他因素的前提下，倾角在0°～3°的斜桩桩顶沉降可按直桩计算.

图7b)为不同倾角正斜桩桩底和桩顶沉降曲线，由于篇幅限制，仅对直桩，3°和7°正斜桩进行分析.从图中可看出开挖面距桩身所在位置前12 m(-2D)处，桩顶和桩底沉降量几乎一致，此前桩身整体下沉，此后桩顶沉降逐渐大于桩底且沉降差逐渐增大，倾角越大桩身压缩作用越强，沉降差从0.348 mm(直桩)增大至0.672 mm(7°斜桩).

图7 桩顶、桩底沉降曲线

3.2 倾角不同对内力的影响

图8a)为桩身轴力变化曲线，由图可知负斜桩桩身轴力小于直桩和正斜桩，轴力沿桩长先增大后减小，增长或衰减速率小于后两者，但变化趋势一致.负斜桩轴力最大值出现在距桩顶16 m处，而正斜桩在隧道埋深(18 m)附近达到最大值，其中7°斜桩最大轴力为-685.397 kN为-7°斜桩(-388.294 kN)的1.765倍，直桩(-466.865 kN)的1.468倍.

图8b)中，各桩弯矩曲线呈“S”型分布，负斜桩桩身弯矩正负性与直桩和正斜桩恰好相反且弯矩值均小于后两者，三者弯矩均在隧道轴线处达到最大值.其中，7°斜桩最大194.665 kN·m、-7°和-3°斜桩弯矩较为接近，最大值为-72.204 kN·m.正斜桩倾角变化对弯矩的影响主要体现在距桩顶18～24 m区间桩段(近洞桩段)，该段桩身弯矩受倾角变化影响明显，倾角越大弯矩增长或衰减越快.负斜桩弯矩受倾角变化影响不大.

图8 桩身内力曲线

图9为不同倾角斜桩桩侧摩阻力曲线，从图中可观察到各斜桩摩阻力沿桩身变化趋势较为一致，负斜桩摩阻力随倾角增大略有减小且中性点逐渐上移，正斜桩摩阻力则随倾角增大而增大，其中性点逐渐向隧道埋深(18 m)处移动.这是由于负斜桩桩身较直桩和正斜桩远离隧道，其受隧道影响小于后两者，而正斜桩上部桩身距地表沉降槽中心较近，倾角越大桩身受地表沉降槽影响范围越大，该区段土体沉降较桩体快，因而桩身上半部受负摩阻力控制且随倾角增大负摩阻力分布范围越大，因而中性点产生下移，而下半部则距隧道较近，受洞侧土体推挤效应和拱底土体隆起的影响，桩土接触面产生较大压力且桩体相对桩侧土体下移，由此在桩身下半部产生较大正摩阻力.

图9 桩侧摩阻力

各桩在桩底处摩阻力达到最大值，以7°斜桩96.879 kN/m最大.总体上看，负斜桩桩侧摩阻力小于直桩和正斜桩.

4 结 论

1) 在开挖面距桩身所在位置前后2倍隧道直径范围内,盾构施工对斜桩的影响较大.侧穿施工会引起近隧道侧桩身产生较大背洞位移及较大附加正弯矩，其中最大背洞位移及最大正弯矩分别为-3.434 mm和130 kN·m，应对该区域加强施工监测.

2) 盾构开挖使得桩侧摩阻力发生改变，开挖面距桩身所在位置-D以前桩身受较小正摩阻力控制.随着开挖面不断推进，桩身上半部正摩阻力逐渐发展为负摩阻力，下半部桩身正摩阻力则继续增大.

3) 斜桩倾角的正负性对其桩顶横向位移和沉降的影响较大且正负倾角差值越大位移差越大.其中，负斜桩桩顶横向位移及沉降量均大于直桩和正斜桩.

4) 对于0°～7°斜桩，开挖面距桩身所在位置前12 m(-2D)处，桩顶和桩底沉降量几乎一致，此前桩身整体下沉，此后桩顶沉降逐渐大于桩底且沉降差逐渐增大，倾角越大桩身压缩作用越强，沉降差从0.348 mm(直桩)增大至0.672 mm(7°斜桩).

5) 负斜桩桩身受力较直桩和正斜桩小且随倾角增大有减小趋势，正斜桩则相反，7°斜桩最大轴力可达-685.397 kN为直桩(-466.865 kN)的1.468倍.正负斜桩桩身弯矩的正负性相反，两者在隧道轴线处弯矩值最大，分别为194.665 kN·m(7°斜桩)和-72.204 kN·m(-3°斜桩).倾角在-3°～-7°的负斜桩弯矩对其倾角变化不敏感，与之对应的正斜桩则较敏感.

6) 正负斜桩桩侧摩阻力变化趋势一致，正斜桩桩侧摩阻力较直桩和负斜桩大，最大值为96.879 kN/m，其中性点随倾角增大有下移趋势，负斜桩则相反.-7°～0°斜桩摩阻力变化不明显.