地铁盾构施工对邻近建（构）筑物桩基的影响

刘健美

广州地铁设计研究院股份有限公司 广东 广州 510010

随着我国国民经济的不断发展，当下城市化进程也在不断加快，城市人口密度也随之不断增加。为了改善城市化带来的交通拥堵现象，近年来，各地均加快了城市地下交通的建设。其中，盾构法施工在地铁修建中扮演着重要角色，盾构机掘进过程中常需侧穿、下穿一些既有高层建筑物。此时，在修建地铁的工程中往往会与现有或拟建建筑物的基础发生冲突，并对其稳定性造成不利的影响[1]。在这种情况下，盾构隧道施工时会对周围土体产生扰动，而引起建筑物桩基产生一定附加应力和位移。因此研究盾构隧道施工对邻近既有建筑物桩基的影响具有重要意义。

近年来，国内外学者对于地铁隧道下穿建筑物对建筑物基础的影响进行了大量的研究。王建伟[2]、张大鹏[3]、高福华[4]研究了盾构隧道开挖对邻近桥梁桩基的位移、剪力和弯矩等的影响规律；黄生根等[5]对保证桥台桩基础稳定的加固托换技术进行了探讨，并对盾构机设备改造措施的潜在风险进行了分析。梁超强等[6]和周学彬[7]通过数值分析模拟结合现场实测监控数据，分别研究了盾构隧道施工下穿现有浅基础建筑物对建筑物沉降的影响和盾构隧道施工侧穿老旧桩基础建筑物对地表变形的影响，提出了技术措施保障盾构斜穿建筑物桩基群施工时地面建筑物的安全。Katebi等[8]利用ABAQUS有限元软件详细分析了隧道埋深、土体参数、隧道与建筑物间距、建筑物刚度等因素对衬砌应力及变形的影响。

目前，关于隧道盾构由中间穿越桩基群对于两侧桩基变形影响的研究相对较少。在盾构的施工过程中会挤压土体以及使土体松动，并导致荷载的变化以及孔隙水压力的变化，从而引起土体性质的改变等，引起桩基础的变形[9]，进而对桩基侧摩阻力与桩端总抗力产生不利的影响。因此，本文针对广州地铁18号线地铁盾构隧道下穿番禺区东环街龙美村办公楼及商业裙楼的桩基群案例，对隧道盾构掘进点与桩基的距离对于桩基变形的影响进行了现场的实时监测，并且结合三维数值模拟开展了深入的分析。研究结果为今后在隧道盾构掘进过程中，对下穿桩基础的实时维护提供了实测依据，为盾构隧道与桩基础共建施工提供一定的指导作用，有助于对周边建筑物及周边地层在盾构施工过程中的变形进行预测。

1 工程概况

广州市地铁18号线工程大致呈南北走向，起始于南沙万顷沙枢纽，终止于天河广州东站，线路全长61.3 km，均为地下线路。地铁18号线共设站9座，其中换乘站8座。其中，番禺广场站—南村万博站区间地铁盾构隧道下穿番禺区东环街龙美村的办公楼及商业裙楼，如图1所示。

图1 地铁18号线盾构隧道下穿办公楼及商业裙楼平面示意

办公楼及商业裙楼的桩基工程一部分于2019年完成，一部分于2020年完成，如图2所示。拟建地铁18号线区间隧道采用盾构法施工，上下线共穿越2019年施工完成的办公楼及商业裙楼的3排桩（共38根桩基，Z1—Z38）。

图2 地铁18号线盾构隧道下穿办公楼及商业裙楼桩基示意

番禺区东环街龙美村办公楼及商业裙楼项目拟建办公楼1栋，建筑高度104.50 m，商业裙楼1栋，建筑高度14.80 m，项目设2层地下室。因此，桩基础变形和沉降的控制对于楼层的稳定至关重要。现阶段，考虑到地铁盾构隧道在施工时下穿对桩基变形的影响，在盾构机穿过桩基的过程中，对桩的侧向位移以及沉降进行实时监测。

2 桩基设计和监测方案

2.1 监测方案

为了研究盾构隧道在掘进过程中，盾构机与桩基的距离对桩基位移的影响，在现场的桩基部位埋设了一定数量的监测点位，对盾构机掘进过程中桩基的位移进行了实时监测。盾构掘进速度右线为70～90 mm/min，左线为50～70 mm/min。在隧道左线盾构的过程中，选取了1号桩与2号桩基进行位移监测。其中，x方向为垂直于隧道的方向，y方向为平行于隧道的方向，如图3所示。1号桩与2号桩都是嵌岩桩，桩长分别为58、52 m。在竖直方向上，从桩顶到桩底，每间隔1 m设置1个监测点位，所测得的位移结果为相对于隧道左线开挖前的位移。

图3 检测桩基与盾构隧道关系

2.2 桩基参数

龙美物鼎展览城桩基础采用直径0.8～1.8 m灌注桩，桩基础与区间隧道最小水平净距为2.221 m。2019年施工完成的工程桩均采用混凝土旋挖灌注桩，桩径为1.2～1.8 m，1号、2号桩的物理力学参数如表1所示。隧道结构顶标高为－18.79～－18.41 m，基坑底与隧道结构竖向最小净距为28.08 m。支护桩嵌固深度8～11 m，支护桩与隧道结构竖向净距为15.75～20.08 m。

表1 桩基的物理力学参数

3 盾构下穿建筑物监测结果

3.1 盾构距离对桩基水平侧向位移的影响

图4所示为不同盾构位置1号桩水平侧向位移。从图4（a）中可以看出，在左线盾构机未到达桩基时（管片编号792—807），随着开挖步的进行，桩基在x方向整体的位移趋势是往靠近隧道侧移动，并且桩基会向着隧道的方向发生倾斜，桩顶位移比桩底位移大。而在左线盾构机经过桩基后（管片编号807—822），随着开挖步的进行，桩基－30 m以下的部分向着远离隧道侧移动，而桩基－30 m以上的部分位移变化不大。分析认为，这是由于隧道开挖到达桩基之前，由于隧道开挖需要卸土，导致桩基在隧道侧的土压力小于另一侧的土压力，1号桩在x方向的位移会先向着隧道侧发展，当隧道开挖超过桩基后，由于管片的拼装，会对管道两侧的土体产生侧向的压力，所以1号桩在隧道开挖超过桩基后，x方向位移会向着远离隧道侧发展。1号桩整体的倾斜方向未发生改变，倾斜程度逐渐增大，在左线隧道开挖完成时倾斜最严重。盾构机前进时带动周围土体发生向前的移动，从而带动桩基向隧道开挖方向移动。从图4（b）中可以看出，随着开挖步的进行，桩基y方向侧移主要发生在桩顶（－10～0 m）与桩底（－50～－40 m）处。桩基最大的位移发生在盾构管片812处，这说明在y方向，1号桩的位移随着开挖步的进行而增加，在盾构经过桩基一段距离后，位移会开始逐渐减小。并且1号桩在y方向的位移整体是向盾构掘进的反方向发展。

图4 不同盾构位置下1号桩水平侧向位移

图5所示为不同盾构位置2号桩水平侧向位移。从图5（a）中可以看出，2号桩x方向的侧移主要发生在桩基中部（－40～－20 m），在盾构管片812处达到最大的位移，比1号桩在x方向的侧向位移大。2号桩在x方向的位移整体向着远离隧道侧发展。从图5（b）中可以看出，随着开挖步的进行，2号桩y方向侧移向着隧道盾构的方向发展，并且桩基会向着隧道盾构的方向发生倾斜。相比1号桩，2号桩在y方向的侧向位移更大，且2号桩会发生倾斜。这是由于2号桩的直径小于1号桩，所以隧道管片对两侧土体的侧向压力对2号桩的影响较大，在x方向上，2号桩的位移就会向着远离隧道侧发展。在y方向上，由于隧道掘进时要卸土，未挖掘侧的土压力会大于挖掘侧的土压力，因此，1号、2号桩在y方向上的位移都会向着隧道掘进的反方向发展，并且由于2号桩的直径较小，其在y方向上的位移明显大于1号桩。

图5 不同盾构位置下2号桩水平侧向位移

3.2 桩基点位水平侧向位移随盾构距离的变化

图6（a）所示为1号桩在－45 m处的水平侧向位移动态情况。可以发现，随着开挖步的进行，x方向和y方向上的位移都会发生来回的波动。在x方向上，1号桩在－45 m处的位移首先会向着靠近隧道侧发展，当隧道掘进至管片800处，位移开始向着远离隧道侧发展。在y方向上，1号桩在－45 m处的位移主要是向着隧道盾构掘进反方向发展。图6（b）所示为2号桩在－30 m处，随着开挖步的进行，桩基水平侧向位移的变化。

图6 1号、2号桩水平侧向位移的动态变化

可以发现，随着开挖步的进行，x和y方向上的位移也会发生来回的波动。在x方向上，2号桩在－30 m处的位移向着远离隧道侧发展。在y方向上，2号桩的位移向着在隧道盾构掘进的反方向发展。相对于1号桩，2号桩在－30 m处的位移有明显向着某一方向不断发展的趋势。

4 数值模型的建立

4.1 三维模型建立

计算模型采用MIDAS GTS/NX软件模拟，为充分考虑隧道开挖对桩基的影响，并依据有限元的建模理论，计算模型沿隧道纵向（x方向）取120 m、沿隧道横向（y方向）取60 m、竖直方向（z方向）取70 m，模型如图7所示。模型底部施加固定约束，侧面施加竖向滑动约束。网格划分采用混合网格。

图7 三维模型效果图

4.2 材料参数选取

盾构机采用三维实体单元模拟，衬砌和盾尾浆体均采用二维板单元模拟，桩基采用MIDAS GTS/NX的桩单元模拟，该单元可视为由梁单元和嵌入式的界面单元组成，各构件物理力学参数见表2。

表2 构件物理力学参数

根据地质条件，地层分为5层，采用MIDAS GTS/NX中的修正摩尔-库仑模型模拟，该本构模型结合了虎克定律所表述的弹性行为与摩尔-库仑准则所表述的岩体非线性破坏特征。各岩土层物理力学参数见表3。

表3 各岩土层物理力学参数

4.3 盾构施工模拟工况

数值模拟根据实际施工情况，先开挖右线再开挖左线，盾构施工模拟方法主要可以分为3个阶段。第1阶段将盾构机所在位置处的土体冻结，并激活盾构机单元与土仓压力，土仓压力根据工程资料取值。第2阶段盾构机前进，本阶段实施步骤为：将盾构机前方即将开挖的土体冻结，并激活对应的盾构单元；将盾构机尾部单元冻结，并激活衬砌与浆体单元；激活注浆压力以及盾壳与土体间的摩擦力，前者根据工程资料取值，后者根据相关文献[10]取一均布的摩擦力p，p＝μσn，其中μ为盾壳与土体摩擦系数，黏土中取0.2～0.3，砂土中取0.3～0.4，σn为盾构机受到的法向土压力，可近似取埋深处的垂直土压力。第3阶段计算方式由弹塑性计算变为固结计算，计算没有盾构前进的时间增量，以此模拟盾构机压重在土体中产生的附加应力的固结效应，此阶段激活盾构机自重。3个阶段的施工步骤如此循环，直到隧道开挖完成。

5 盾构隧道对桩基的影响分析

5.1 数值分析效果验证

图8和图9分别为1号桩和2号桩在盾构隧道管片编号822衬砌施工安装完成后数值模拟计算结果与监测值的对比。由图8、图9中的数据对比可知，数值模拟结果与实际监测结果较为吻合，证明了数值模拟的合理性。计算结果与监测值有所偏差，主要的原因是实际地层复杂，模型无法完全按照实际模拟。

图8 1号桩位移模拟值与监测值比较

图9 2号桩位移模拟值与监测值比较

5.2 不同开挖顺序对桩基位移的影响

为研究不同开挖顺序对桩基位移的影响，建立数值模型，比较先开挖左线再开挖右线隧道（工况1）与先开挖右线再开挖左线隧道（工况2）时桩基的水平侧移。

不同开挖顺序下的桩基位移分别如图10和图11所示。从图10中可见，1号桩工况1的x方向和y方向位移值和工况2类似，x方向上工况1侧移方向与工况2相反，这是由于地铁隧道左右线相对于1号桩呈对称布置导致的；开挖顺序的改变对1号桩x方向侧移影响较大。从图11可以看出，开挖顺序的改变对2号桩侧移的影响较大，x方向与y方向位移极值均大幅减小，这是由于2号桩与右线距离较远，且左线先施工完成对土体变形的传递起到阻隔作用。

图10 不同开挖顺序下1号桩位移

图11 不同开挖顺序下2号桩位移

6 结语

本文针对广州地铁18号线盾构隧道下穿番禺区东环街龙美村的办公楼及商业裙楼这一工程案例，研究了盾构隧道与桩基的距离对桩基位移的影响，并结合数值模拟的分析，得到了如下主要结论：

1）对于1号桩，随着开挖步的进行，桩基在x方向整体的位移首先会往靠近隧道侧方向移动，当隧道开挖超过桩基时，1号桩－30 m以下的部分向着远离隧道侧方向移动，并且桩基会向着隧道的方向发生倾斜，桩顶位移比桩底位移大。1号桩y方向侧移主要发生在桩顶与桩底处。1号桩在y方向的位移整体是向着盾构掘进的反方向发展。对于2号桩，在x方向的侧移主要发生在桩基中部，整体向着远离隧道侧发展。随着开挖步的进行，2号桩y方向侧移向着隧道盾构的方向发展，并且桩基会向着隧道盾构的方向发生倾斜。

2）在x方向上，1号桩在－45 m处的位移首先会向着靠近隧道侧发展，当隧道掘进至管片编号800处，位移开始向着远离隧道侧发展。在y方向上，1号桩在－45 m处的位移主要是向着隧道盾构掘进反方向发展。在x方向上，2号桩在－30 m处的位移是向着远离隧道侧发展。在y方向上，2号桩的位移向着在隧道盾构掘进的反方向发展。相对于1号桩，2号桩在－30 m处的位移有明显向着某一方向不断发展的趋势。

3）由于2号桩的直径小于1号桩，隧道管片对两侧土体的侧向压力对2号桩的影响较大，在x方向上，2号桩的位移就会向着远离隧道侧发展。在y方向上，由于隧道掘进时要卸土，未挖掘侧的土压力会大于挖掘侧的土压力，因此，1号、2号桩在y方向上的位移都会向着隧道掘进的反方向发展，并且由于2号桩的直径较小，其在y方向上的位移明显大于1号桩。

4）1号桩受开挖顺序改变影响较小，开挖顺序改变会使2号桩变形量大幅减小，原因是已建隧道对土体变形的传递起阻隔作用。