盾构掘进对邻近桩基影响的数值分析研究

汪 胜

(杭州地铁运营有限公司，浙江 杭州 310019)

地铁在城市地下空间开发和缓解交通压力方面具有其他交通方式不可比拟的优势。我国地铁多是在城市发展到相当规模才进行规划修建，且多敷设于城市主干道下方，不可避免的会穿越既有公路桥梁桩基，进而影响既有桥梁的受力状态，对桥梁安全运营构成威胁[1-8]。国内外学者在盾构穿越既有建筑基础方面不断的探索研究，张云等[9]在分析盾构施工引起地表沉降原因的基础上，探讨了地表变形对等代层参数的敏感性；刘招伟等[10]以广州地铁为背景，根据现场监测结果，总结分析了盾构施工引起的地表沉降规律；袁海平等[11]基于桥桩结构耦合弹簧力学计算原理与有限差分方法，研究了盾构近距离侧穿桩基引起的桩基承载特性变化；N. Loganathan等[12]通过离心试验发现桩与隧道之间的距离以及桩长与隧道埋深的相对关系直接影响桩基的轴力和弯矩的大小；韩进宝等[13]通过三维有限元数值分析和离心模型试验分析了在不同桩长和盾构隧道埋深情况下引起的桩基受力和变形规律；冯国辉等[14]基于Winkler和Pasternak地基模型，采用差分法发现隔离桩对盾构隧道穿越铁路桩基引起的桩基响应有明显的改善作用；王丽等[15]通过三维数值模拟探讨了盾构掘进过程中桩基承载特性的变化趋势；沈建文等[16]结合现场实测结果采用有限元模拟分析了盾构施工引起的桩基竖向沉降、水平侧移和内力变化；宫全美等[17]提出了一种盾构施工引起的桩基承载力损失计算方法并结合数值模拟探讨了该方法的适用性；寇晓强等[18]基于实测结果和数值模拟，探讨了旋喷加固法在盾构隧道穿越建筑物桩基时对桩基的加固效果。

综合分析盾构穿越工程方面的研究成果，多集中于特定工况下盾构施工引起的响应分析，较少对邻近桩基受盾构隧道开挖引起的桩基响应规律进行系统性的研究，鲜有不同桩间距下桩基承载规律的变化分析。笔者依托兰州地铁穿越公路桥梁桩基工程，采用MIDAS GTS进行数值模拟[19]，系统性的分析了盾构隧道侧穿不同位置单桩和不同桩间距的双桩时引起的桩基响应规律，研究成果可为类似工程的设计建造提供理论支撑和借鉴。

1 模型设计

建立有限元模型，见图1,图2，模型尺寸长100 m、宽72 m、高50 m，侧面和底面施加位移边界，地面为自由边界，采用修正摩尔-库仑屈服准则。隧道外侧距单桩桩体中心距离L=0.25D，0.5D，1D，1.5D，2D(D为隧道直径)，双桩桩间距S/d=2，3，4，6(S为桩间距，d为桩体直径)，邻近隧道桩体(以下简称邻近桩)与隧道距离为常量0.25D，通过改变相邻桩位置改变桩间距。单桩桩顶荷载2 533.4 kN，双桩承台荷载5 066.8 kN。模型中各项参数见表1，表2。

表1 土体物理力学参数

表2 结构参数

2 单桩响应分析

2.1 变形分析

不同间距L下盾构隧道掘进引起的单桩竖向和水平变形分别见图3，图4。

由数值模拟分析结果可知，隧道掘进引起应力释放，导致土体体积损失，土体位移变化引起桩基响应，不同间距L的基桩产生了不同程度的变形。如图3所示，当L=0.25D时，单桩沉降为27.26 mm，相比隧道开挖前的17.98 mm 增大了9.28 mm；随间距L增大，桩体受隧道开挖影响逐渐变弱，沉降逐渐减小，当L=0.5D，1D，1.5D时桩体沉降分别为26.84 mm，24.83 mm，23.59 mm；当L增大到2D时，桩体沉降为22.45 mm，相比初始沉降增量为4.47 mm，随间距L增大，桩体沉降减小了4.81 mm。

如图4所示，隧道开挖引起的桩体水平位移以挠曲为主。隧道开挖前桩体基本不发生水平位移，当L=0.25D时，最大水平位移为4.35 mm，随L增大最大水平位移减小，当L=2D时，为2.01 mm，同比减小了53.7%。最大水平位移均发生在隧道附近，但各点并不重合，随间距L增大，最大位移点稍有提升，当L从0.25D增大到2D时，最大位移点从桩体埋深18 m处提升至15 m处，各桩的挠曲程度也随之减弱，挠曲形态发生改变。

2.2 轴力和弯矩分析

不同间距L下盾构隧道掘进引起的单桩轴力增量和弯矩分别见图5,图6。

由分析结果可知，在不同间距L下，各桩轴力在隧道开挖前后变化差异明显。如图5所示，轴力增量变化趋势均为先增大再减小，由于盾构掘进引起隧道顶部沉降槽内土体沉降明显，导致桩上部侧摩阻力未能充分发挥，并且存在一点在隧道开挖前后侧摩阻力不发生变化，即轴力增量拐点，该点以上侧摩阻力小于开挖前，以下侧摩阻力大于开挖前。随间距L增大，土体沉降对桩侧摩阻力发挥性状影响逐渐减小，不变点上移，桩下部侧摩阻力充分发挥，轴力增量出现负值。当L=0.25D时，轴力增量始终为正值，各点轴力均大于开挖前，极不利于桩基承载。在桩体埋深0 m～14 m范围内，轴力增幅明显，最大增量为387.56 kN，不变点出现在桩长14 m处；当L=0.5D时，轴力最大增量为344.15 kN，桩底出现负值，不变点位于桩长12 m处；随L增大，最大增量逐渐减小，当L=2D时，轴力最大增量为90.71 kN，不变点位于桩长8 m处，而桩端轴力相对于开挖前减小了110.82 kN，说明隧道开挖在引起桩基沉降增大的同时也促进了基桩下部侧摩阻力的发挥。

隧道开挖、桩基空间位置对桩身弯矩影响显著，如图6所示。

隧道开挖前桩身弯矩很小，最大弯矩为4.13 kN·m，当L=0.25D时，最大弯矩为-50.15 kN·m，同比增大了12.1倍；当L=0.5D时，最大弯矩为-26.23 kN·m，同比增大了6.4倍；当L=1D时，最大弯矩为-16.49 kN·m，同比增大了4.0倍；当L=1.5D时，最大弯矩为-10.99 kN·m，同比增大了2.7倍；当L=2D时，最大弯矩为-5.68 kN·m，同比增大了1.4倍；由分析结果可知，隧道开挖导致邻近桩弯矩增幅明显，随间距L不断增大，增幅逐渐减小，当L=2D时，增幅有限，已基本不产生明显影响。

2.3 承载力损失分析

模拟单桩载荷试验，绘制Q-s曲线。如图7所示，以800 kN为一级施加荷载，以沉降值50 mm对应的荷载为单桩极限承载力，测得极限承载力为5 066.8 kN。以承载力特征值2 533.4 kN为初始工作荷载，隧道开挖后继续加载至破坏。当L=0.25D，0.5D，1D，1.5D，2D时，极限承载力分别为4 189.5 kN，4 316.0 kN，4 457.9 kN，4 642.6 kN，4 854.6 kN。

以隧道开挖前的单桩极限承载力为Qb，开挖后的极限承载力为Q1，以开挖前的极限承载力和开挖后的差值与开挖前的极限承载力比值定义承载力损失比e，如式(1)所示。

(1)

计算可知当L=0.25D，0.5D，1D，1.5D，2D时，其承载力损失比分别为17.3%，14.8%，12.0%，8.4%，4.2%。可知盾构隧道开挖导致桩基承载力损失，但开挖后的极限承载力仍大于初始承载力特征值，桩基仍适于承载。

3 双桩响应分析

3.1 变形分析

双桩其承载特性受群桩效应影响与单桩有很大差别。设计双桩桩基，桩间距S/d=2，3，4，6，以桩间距为变量，邻近桩与隧道间距L=0.25D为常量，分析不同桩间距双桩在盾构隧道施工时引起的承载性能变化。

双桩间距S/d=2，3，4，6时，邻近桩受盾构施工影响引起的竖向沉降和水平变形见图8，图9。由分析结果可知，双桩位移增量在不同桩间距下差异明显。如图8所示，承台的约束作用在桩间距较小时显著，当S/d=2，桩顶沉降增量为8.23 mm，相比单桩沉降增量9.28 mm减小了1.05 mm；当S/d=3，4，6时，沉降增量分别为8.36 mm，8.52 mm，9.20 mm，相比单桩沉降分别减小了0.92 mm，0.72 mm，0.08 mm，可知随桩间距增大，沉降逐渐增大，当S/d=6时，双桩中的邻近桩和单桩沉降增量几乎相同。但单桩与双桩中的邻近桩沿桩体埋深的沉降增量发展趋势不同，单桩相比邻近桩沉降增量递减快，单桩桩顶沉降增量大于1号桩0.08 mm，而桩端小于0.02 mm。这说明单桩受盾构开挖引起的轴力递减快、侧摩阻力更大，而双桩受承台和相邻桩对土体的限制作用，桩土相对位移较单桩小，侧摩阻力发挥缓慢。

盾构隧道施工引起的桩体水平位移随桩间距变化趋势如图9所示，和单桩相同，不同桩间距下最大水平位移仍发生在隧道附近，但相邻桩对土体刚度的增强作用，导致邻近桩桩体水平位移小于单桩水平位移。当桩间距S/d=2，3，4，6时，邻近桩最大水平位移分别为3.88 mm，3.97 mm，4.02 mm，4.12 mm，相比于单桩最大水平位移4.35 mm，分别递减了0.47 mm，0.38 mm，0.33 mm，0.22 mm。可知相邻桩对土体刚度的增强作用随桩间距增大而逐渐减弱，最大水平位移逐渐增大而趋于和单桩相似的水平变形。

3.2 弯矩分析

不同桩间距下邻近桩弯矩的变化如图10所示。

当S/d=2时，最大弯矩为-35.02 kN·m，同比单桩最大弯矩减小了30.2%，当S/d=3，4，6时，邻近桩最大弯矩分别为-37.48 kN·m，-40.12 kN·m，-44.29 kN·m，同比单桩分别减小了25.3%，20.0%，11.7%。可知，受双桩相邻桩的限制作用邻近桩比同位置单桩弯矩小，随桩间距增大，限制作用不断减弱。

4 结论

1)隧道开挖导致土体发生位移引起桩基响应，随单桩与隧道的距离L不断增大，桩体竖向位移减小。当L=0.25D时，单桩沉降为27.26 mm，相比隧道开挖前初始状态的17.98 mm增大了9.28 mm，随间距增大到L=2D，桩体沉降同比L=0.25D时减小了4.81 mm；双桩中的邻近桩随桩间距增大其竖向沉降增量逐渐增大，当S/d=6时，桩顶沉降增量与单桩相近，但单桩随桩身向下沉降增量递减快，侧摩阻力更易发挥。

2)单桩L=0.25D时，最大水平位移为4.35 mm，随L增大最大水平位移减小，当L=2D时，为2.01 mm，同比减小了53.7%，最大水平位移点出现在隧道附近，但随L增大逐渐上移；双桩中相邻桩能有效增强土体刚度，随桩间距增大增强作用减小，当S/d=2时，邻近桩最大水平位移同比单桩减小了0.47 mm。

3)单桩在不同间距L下，轴力增量变化趋势均为先增大再减小，轴力增量拐点即为侧摩阻力不变点，以上侧摩阻力小于开挖前，以下大于开挖前，随间距L增大不变点上移，当L=0.5D时，桩底轴力增量出现负值。

4)单桩弯矩随间距L增大而减小；同比开挖前最大弯矩增大了12.1倍～1.4倍；不同桩间距下双桩中邻近桩弯矩随桩间距增大而减小了30.2%～11.7%。

5)间距L从0.25D增大到2D时，单桩极限承载力损失比从17.3%递减至4.2%，各桩剩余极限承载力大于单桩承载力特征值，仍适于承载。