桩基施工过程对邻近建成地铁隧道的影响研究

罗晓生，黄全兵，刘振，蒋晓亚，夏聪

（中建二局第一建筑工程有限公司，广东佛山528000）

1 引言

为了缓解城市的交通压力，减轻对生态环境造成的污染，科学合理地应用地下空间是城市化建设发展中的一项必然选择。 国内很多城市近些年均加大了地铁工程的修建力度，地铁运营有效缓解了城市早晚高峰交通压力及环境污染问题。 很多地铁线路要穿过密集分布的建（构）筑物与交通路面网，运营环境十分复杂。 并且城市内很多高层或超高层建筑邻近地铁隧道建设， 其桩基施工给地铁隧道带来的影响备受社会关注。 桩基施工很容易扰动周边土体，进而使邻近隧道形成较大的附加变形与内力，出现局部管片受损、渗漏水等状况，甚至在部分时段造成地铁停运，造成较大的经济损失，产生恶劣的社会影响[1]。本文结合差异化桩基施工工况下既有地铁隧道本体的改变特征，基于有限元分析法探究多因素产生的影响。

2 工程概况

本工程共计有3 宗地块，总用地面积达到18 773.1 m2，已知当前用地性质是居住用地，项目拟开发建设用地面积18642.3m2，规划容积率是6.4。 建设内容包括了住宅、配套商业以及公共配套设施。 项目规划容积建筑面积达到了119 680.5 m2，停车位1 159 个。

基坑支护、土石方工程，基坑开挖深度范围是8.00～14.20 m（负2 层区域）、4.5～6.6 m（负1 层区域），基坑周长757.5 m 左右，基坑面积大概为16 879.5 m2。咬合桩+一道撑作为本工程的支护型式。

工程当前地面标高范围大概是6.00～8.50 m， 基坑底高程-2.000 m，基坑深4.50～14.20 m，周长757.5 m 左右。 场地坐落在深圳市罗湖区，基坑西侧是边检大楼，用地红线和边检大楼最近处大概为30.0 cm。 北侧是罗湖村，项目红线距与周边建筑存在着多处冲突。 场地内标高与罗湖村地面标高差值大概为2.0 m。 该位置房屋建筑年限相对较长，结构安全性整体较差。 现场钻探发现，场地广泛覆盖着素填土，其下是第四系冲洪积层、残积层粉质黏土，下伏基岩为侏罗系砂岩。

3 建立有限元模型

3.1 模型尺寸及参数选择

运用Plaxis 3D 有限元软件， 模型方向取值分别是60 m、120 m、60 m，地下水位线处于-4 m 位置。 该模型上表面是自由面，下表面与侧面设定成固定约束。 桩基半径、桩长分别是0.6 m、30 m；地铁隧道内径、外径、埋深、衬砌厚度分别是5.5 m、6.2 m、19.0 m、0.35 m。

选择小应变土体硬化（HSS）模型作为土体本构模型，进而更客观地分析隧道变形情况。 高强度混凝土是静压桩基施工的常用建材，以上建立的模型选用强度等级达到C60 混凝土，桩基混凝土重度γ=25 kN/m3，弹性模量E=3.5×104MPa，泊松比v=0.20。 隧道衬砌的横向弹性模量， 纵向弹性模量和泊松比、 剪 切 模 量G 对 应 值 分 别20 kN/m3、6.48 GPa、34.6 GPa、0.10、2.82 GPa。

3.2 创建有限元模型

为了能更好地模拟桩基挤土效应导致周边土体的位置偏移情况，本文结合试验情况调整部分参数，设定正向、侧向压力分别是3.5 MPa、1.0 GPa， 图1 是有限元模型网格划分情况[2]。 建模及运算过程可以做出如下阐述。

图1 有限元模型网格划分

首先，运算出初始应力场，将该应力场施加到土体上，模拟其原始应力及平衡状态。

其次，挖掘局部土体，逐一激活负向界面、面收缩及衬砌管片，生成已建成的地铁隧道。

再者，设定重置位移是0 mm，将桩基建材属性调整成混凝土，逐一激活面荷载、侧向荷载与负向界面能顺利获得桩基静压荷载工况下的原始地应力数值（本次研究中不计隧道挖掘引起的变形情况）。

最后，通过运算获得既有隧道的变形与内力等参数值。

4 统计和分析结果

4.1 桩- 隧相对位置给隧道变形产生的影响

在本课题研究中，不同桩-隧相对位置见图2。维持隧道埋深-19 m 固定，通过调整桩长进而获得差异的桩-隧相对位置关系，归纳不同工况之下既有隧道本体的变形程度，摸索其遵循的规律。 运算结果见表1[3]。

表1 不同桩- 隧相对位置对应的工程情况

4.1.1 工况A-0

当桩基处于已建地铁隧道的侧面时， 工况A-0 之下隧道的变形情况及相应的云图见图2。在桩基挤土效应的影响作用下，桩基周围土体出现了侧向土层位移现象，进而使隧道在横向产生了较大的变形量， 并且朝着远离桩基的方向渐进式发展。 与此同时，因为桩基局部沉降所引起的负向摩阻力使土体朝向下方，导致既有地铁隧道在纵向出现了形变位移。 以上现象的成因是沉桩过程中土体孔隙水应力整体上显现出先上升后缓缓消散的发展态势， 桩基土体会出现不同程度的径向再固结状况，桩周的侧壁摩阻力值也随之增加，进而造成桩侧土体承受着方向向下的负摩阻力的作用。 整体分析，A-0 这种工况之下的隧道， 尤其是邻近桩基的一定环区间中出现了较为显著的“斜漏斗式”变形问题[4]。

观察图2 能初步明确桩基挤土效应导致的既有地铁隧道变形在实际工程施工中， 应指派专人加大对该区域的实时监测与安全防控力度。

分析A-0 工况下盾构掘进方向隧道纵向与横向位移发生情况，发现隧道纵向中间位置出现了明显的沉降问题，尾部与头部均略有抬起， 并且依照差异化的结构位置位移图可以推断出隧道截面拱顶向左侧，拱底朝右，左侧拱腰向下，右侧拱腰朝上，整个结构出现了从圆形向斜椭圆形的改变。

以上是由于邻近桩基底部侧向土体承受着较大的压力作用，进而带来了十分显著的变形作用，整个隧道表现出远离桩侧的逆时针旋转变形样态。 拱顶的纵向位移于60 环（实质上就是桩基位）形成了凸起，提示在土体挤压效应的作用下地铁结构出现了和“竖鸭蛋”状相似度很高的改变。

4.1.2 工况A-1

这种工况之下，地铁结构也出现了和工况A-0 内“斜漏斗式”变形很相像的表现，并且隧道中段出现了纵向拉伸变形情况，外部形态和“竖椭圆”结构很类似。 这主要是由于此时隧道处于桩基底侧， 桩底应力聚集进而有较大的挤压力作用在邻近隧道的中段区， 故而此时隧道中段的纵向位移量会高于工况A-0。

综合以上论述的内容可知，工况A-1、A-0 之下隧道变形趋势一致性很高，并且其实际产生的影响范畴大体等同。

4.1.3 工况A-2

这种工况之下， 既有地铁纵向中间位置沉降现象十分显著，头、尾部均略有抬高表现，横截面外显“斜椭圆形”，而已建隧道的纵向与横向的变形量均不大。 出现以上现象的原因主要是由于这种工况下桩基底部构造在隧道顶之上， 隧道坐落在桩基斜下方位置， 其基本上承受的是桩底施加的应力作用与桩侧负摩阻力产生的土体纵向位移， 桩侧的挤土效应产生的影响是十分微弱的甚至无影响，所以，在这种工况中产生影响作用的主要是纵向位移[5]。

结合以上3 个不同工况的分析结果并参照图3 能够发现：和工况A-1、A-2 相比较，工况A-0 引起的隧道结构变形量更大， 隧道内出现了十分显著的横向收敛变形问题。 工况A-2 作用下，隧道变形有反向收敛的表现，主要是由于桩基处于隧道斜上方，不会承受较大的侧向挤土压力作用，而在桩底位置应力逐渐聚集，随后孔隙水压力逐渐消散，以致隧道出现了偏向桩基单侧的二次变形问题。

图3 不同桩- 相对位置隧道横向收敛变形曲线图

4.2 隧道埋深给隧道变形带来的影响

伴随埋深值的增加， 隧道横向与纵向位移量均呈现出渐进式减少的趋势，表明对隧道埋深产生的影响较小，预示着土层不仅是传送变形的媒介， 也是使变形量持续衰减的一个主要路径。 故而，应积极做好浅埋隧道变形情况的研究工作。 另外，隧道变形形态均和工况A-0 内保持一致：工况B-1、B-2与B-3（见表2）作用下，隧道横向均出现了十分明显的侧向移动情况，这主要和侧向挤土效应产生的压缩性之间有关联。 浅埋隧道中段的纵向拉伸变形程度十分显著， 拱顶与拱底的相对位移差约为1.5 mm，由此可见，浅层土体的敏感度处于较高水平，承受扰动以后自身会生成较大的土体侧向变形量[6]。 所以， 对邻近浅埋隧道的桩基施工时一定要格外注意周边土体的位移问题，建议运用微扰动施工方法。

表2 不同隧道埋深对应的工况

4.3 桩- 隧水平净距给隧道变形产生的影响

本文主要针对差异化桩-隧水平净距 （桩长为30.0 m，桩基半径0.6 m），探究其对既有隧道的变形量产生的影响。伴随水平净距数值的增加， 既有隧道的变形量呈现出渐进式减小趋势，并且通过观察后发现当距离相对较近时，通过调整净距大小能较有效地减小桩基现场施工操作带来的影响， 并且在距离偏远时由净距影响作用造成的变形差异偏小，尤其是在2.0D 范畴之外，以上这种表现会更为显著。 这主要是由于土体本体作为桩-隧道相互作用的主要媒介，承担着传送地层变形的“职责”。 伴随桩-隧水平净距值的持续增加，变形于传送过程中持续衰减，桩基现场施工带来的影响会慢慢减小。

为了降低桩基施工给邻近隧道带来的影响， 常规做法是使桩基尽可能地远离隧道， 并且对其现场施工作业方式做出明确限制。 国内有部分一线城市按照距隧道工程的距离分成3.0 m 与30.0 m 两个不同区域分别对待。 但至今国内还没有提出适用于各类土质条件的桩基础邻近既有地铁项目施工额度分区分级规定，以致其用于实体工程内欠缺灵活性。

4.4 桩基半径给隧道变形带来的影响

差异化桩基半径对应的工况见表3。 伴随桩基半径的扩增， 既有隧道结构变形量也随之加大， 并且当隧道埋深较浅时， 以上这种影响更为显著。 这主要是由于桩基半径值偏大时，其和土体形成的接触面积也会逐渐增加，故而会对土体的侧向位移产生较大的影响，生成较明显的挤土效应。 综合以上论述内容，邻近既有隧道的桩基础在设计选型环节中，不仅要着重分析桩基本体的纵向承载能力， 还要科学调控桩基半径与长度， 尽可能地增加以上两项参数值和既有隧道结构的适应度，进而降低桩基施工给既有地铁变形的作用程度。

表3 不同桩基半径对应的工况

5 结语

处于隧道侧面的桩基现场施工时会使隧道出现较大的变形，纵向中间位置沉降现象十分显著，头尾部稍有抬起，整个横截面呈现出斜椭圆形样态。 隧道埋深值越大其变形量就越小，而桩基半径越大时，既有隧道变形量就越大；桩基邻近浅埋隧道施工过程中一定要加强土体位移的控制， 建议运用微扰动施工办法。 参照桩-隧水平净距的差异，桩基邻近既有隧道施工时尽可能地选择4.0D 之外范围，借此方式使整个地铁结构的安稳性得到一定保障。