地鐵隧道盾構(gòu)施工對(duì)樁箱建筑物影響研究

李方明,陳國(guó)興

(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080； 2.南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所,南京 210009)

在城市地鐵建設(shè)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)地鐵隧道下穿建筑物的情況，當(dāng)隧道盾構(gòu)法施工下穿建筑物時(shí)，不可避免地會(huì)擾動(dòng)周邊的土體，周邊土體的擾動(dòng)會(huì)引起基樁及上部結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力變形，從而影響結(jié)構(gòu)的正常使用。隧道開挖對(duì)既有鄰近基樁及其上部結(jié)構(gòu)沉降位移、應(yīng)力狀態(tài)的影響，是設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)考慮的主要控制因素，也是當(dāng)前城市地下空間開發(fā)中的熱點(diǎn)問題。

目前地鐵隧道盾構(gòu)施工對(duì)建筑物的影響研究主要集中在對(duì)基樁和淺基礎(chǔ)的影響研究，而對(duì)于樁箱基礎(chǔ)建筑物的影響研究則較少。箱形基礎(chǔ)作為補(bǔ)償性基礎(chǔ)，基樁、箱形基礎(chǔ)和土三者共同作用調(diào)節(jié)變形，受力較為復(fù)雜，隧道、地基和建筑物是相互作用、相互制約的。進(jìn)行隧道、地基和建筑物的共同作用分析，所要考慮的影響因素很多，且三者的材料特性不同，將眾多的因素合成一個(gè)整體進(jìn)行研究，難以建立統(tǒng)一的受力和變形計(jì)算方程，很難從理論上建立此問題的計(jì)算公式，一般采取模型試驗(yàn)[1-4]和數(shù)值模擬方法[5-12]進(jìn)行此類問題的研究。解析法很難考慮眾多因素的影響，其計(jì)算結(jié)果只能作為參考。Motorn[1]采用模型試驗(yàn)研究了盾構(gòu)開挖對(duì)樁基礎(chǔ)變形的影響；Loganathan[2]利用離心模型試驗(yàn)研究了隧道開挖引起的土體變形對(duì)樁基的影響；Jacobsz[3]利用離心模型試驗(yàn)方法研究了隧道在密實(shí)干砂中施工對(duì)鄰近單樁的影響；Ong等[4]利用離心模型試驗(yàn)研究了隧道施工時(shí)隧道結(jié)構(gòu)和樁基的相互作用影響；Mroueh[5]采用數(shù)值方法模擬了隧道開挖對(duì)上部建筑結(jié)構(gòu)的影響；Lee[6]采用三維有限元模擬研究了隧道施工中隧道結(jié)構(gòu)與樁基相互作用影響；朱逢斌[7-8]通過數(shù)值模擬對(duì)Ong的離心模型試驗(yàn)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證；Gordon[9]采用數(shù)值方法研究了敞開式隧道開挖面掘進(jìn)速度對(duì)周邊樁基的影響；方勇[10]采用數(shù)值模擬研究了隧道動(dòng)態(tài)掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)變化對(duì)鄰近樁基變形的影響；羅文林[11]針對(duì)數(shù)值模型中計(jì)算參數(shù)的研究，分析了隧道施工對(duì)鄰近樁基變形和內(nèi)力的影響；王炳軍[12]采用數(shù)值模擬研究了隧道與樁基不同距離對(duì)樁身受力和變形的影響；木林隆[13]采用兩階段法對(duì)層狀地基中樁筏基礎(chǔ)承載特性進(jìn)行了分析，討論了樁基變形對(duì)遮攔效應(yīng)的削減作用；吳勇華[14]利用ABAQUS建立剪力墻與樁筏基礎(chǔ)和地基共同作用的三維有限元數(shù)值模型，研究了跨越地鐵隧道的樁筏基礎(chǔ)受力和變形性狀；謝新宇[15]利用ABAQUS建立三維有限元數(shù)值模型，研究地鐵隧道穿越建筑物基礎(chǔ)時(shí)對(duì)樁筏基礎(chǔ)變形和內(nèi)力的影響；吳翔天[16]采用模型試驗(yàn)，根據(jù)隧道埋深的不同，選取不同的加載模塊以模擬隧道開挖引起的土體水平和豎向位移模式。

前述學(xué)者雖然對(duì)隧道施工引起的樁基變化進(jìn)行了大量深入研究，但都集中在隧道施工對(duì)單樁或?qū)τ谐信_(tái)的多樁的影響研究，沒有考慮隧道、土、樁、箱形基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間的相互作用及復(fù)雜的邊界條件，因此有必要建立考慮多因素共同作用的計(jì)算模型來模擬仿真隧道施工對(duì)建筑物的影響。本文以雙線盾構(gòu)隧道下穿樁箱基礎(chǔ)建筑物為研究對(duì)象，利用ABAQUS有限元軟件，建立隧道盾構(gòu)下穿樁箱建筑物二維數(shù)值計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算分析，探討了隧道盾構(gòu)施工對(duì)臨近基樁及箱形基礎(chǔ)底板附加內(nèi)力變形的影響規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)計(jì)施工參數(shù)提供依據(jù)。

1 工程概況

南京地鐵某區(qū)間隧道下穿待建建筑物，該建筑物先于地鐵隧道建成，該建筑物為區(qū)間隧道預(yù)留了可穿越條件，隧道與建筑物平面位置關(guān)系見圖1。該待建建筑物為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)一層地下室，地下室箱形基礎(chǔ)埋深為6.30 m，樁基采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁徑為0.50 m，設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)27.0 m，為摩擦樁，靠近隧道的3排樁基采用鉆孔灌注樁。待建地鐵隧道為平行雙線盾構(gòu)，外徑為6.20 m，內(nèi)徑為5.50 m，隧道左右兩線的軸線間距為12.08 m。隧道頂距待建建筑物地下室基礎(chǔ)底板底的最小凈距約為9.20 m，隧道與建筑物剖面位置關(guān)系見圖2。隧道采用預(yù)制拼裝式單層圓形管片襯砌，襯砌管片內(nèi)徑為5.50 m，壁厚為0.35 m，寬度為1.20 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P10，分6塊錯(cuò)縫拼裝，采用螺栓連接。盾構(gòu)機(jī)采用具備切割基樁并具可靠穿越能力的加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，先施工左線隧道，再施工右線隧道。

圖1 隧道與建筑物基礎(chǔ)平面關(guān)系

從圖1和圖2可以看出，隧道邊緣距最近的鉆孔灌注樁距離2.20 m，隧道盾構(gòu)施工將對(duì)已建成基樁及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。本文在已知隧道埋深h=9.20 m不變的條件下，通過變化隧道附近的鉆孔灌注樁長(zhǎng)度、樁徑及隧道盾構(gòu)施工土體損失率，探討箱形基礎(chǔ)底板及基樁變形、內(nèi)力變化規(guī)律。

圖2 隧道下穿建筑物剖面(單位：m)

2 有限元模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

采用有限元ABAQUS建立隧道、土、樁、地下室及上部結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，模擬隧道盾構(gòu)開挖對(duì)基樁、箱形基礎(chǔ)地下室底板附加內(nèi)力位移的影響。由于隧道下穿建筑物為進(jìn)深方向，因此可把該問題簡(jiǎn)化為二維平面計(jì)算分析模型。選取計(jì)算區(qū)域?yàn)椋河?jì)算深度70.0 m，頂部取至地表面，底部取至中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，滿足設(shè)計(jì)深度計(jì)算要求；計(jì)算寬度取230.0 m，約為隧道埋深的13倍以上，滿足盾構(gòu)隧道施工影響區(qū)的要求，模型計(jì)算厚度取為1.0 m。模型兩邊邊界為法向約束，豎向自由，底面全約束(法向、切向均約束)。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，盾構(gòu)穿越區(qū)域地層分布如圖2所示，盾構(gòu)隧道埋藏在②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

鉆孔灌注樁、承臺(tái)、底板及上部結(jié)構(gòu)均采用C30混凝土，彈性模量E=30 MPa，泊松比為0.2。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁采用C50混凝土，彈性模量E=50 MPa，泊松比為0.2。管片襯砌采用C50混凝土，考慮到襯砌間連接方式導(dǎo)致襯砌變形不連續(xù)，將襯砌混凝土的彈性模量進(jìn)行折減，取襯砌的彈性模量E=40.0 MPa，泊松比為0.2。

2.3 有限元計(jì)算模型

數(shù)值分析計(jì)算模型采用二維平面有限元分析，土體采用Mohr-Coulomb模型(MC)本構(gòu)關(guān)系，土體單元采用平面四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元CPE4。鉆孔灌注樁、管樁、地下室、上部結(jié)構(gòu)和隧道襯砌采用實(shí)體單元模擬，地下室和隧道襯砌采用平面4節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元CPE4I。土體與基樁接觸面采用面與面接觸的指令contact Pair進(jìn)行分析，接觸面無厚度，小滑移，采用Mohr-Coulumb friction摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.3，應(yīng)用罰函數(shù)運(yùn)算法則。隧道襯砌結(jié)構(gòu)、地下室與土的接觸面采用面與面接觸的指令Tie進(jìn)行分析。

根據(jù)隧道盾構(gòu)實(shí)際施工工況，并基于有限元分析收斂要求，采用8個(gè)分析步模擬整個(gè)開挖過程。首先是初始地應(yīng)力平衡過程，此步中除掉原始土體之外的所有單元以及相應(yīng)接觸；第二步激活基樁、地下室、上部結(jié)構(gòu)單元及其所有接觸關(guān)系，移除地下室土體單元，并對(duì)上部結(jié)構(gòu)施加體力至工作荷載(結(jié)構(gòu)自重25 kN/m3+樓面活荷載2.5 kN/m2)；第三步對(duì)先行開挖的左線隧道內(nèi)的土體進(jìn)行軟化；第四步激活左線隧道管片襯砌及其接觸關(guān)系；第五步移除左線隧道內(nèi)土體；第六步對(duì)后開挖的右線隧道內(nèi)的土體進(jìn)行軟化；第七步激活右線隧道管片襯砌及其接觸關(guān)系；第八步移除右線隧道內(nèi)土體。

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同樁長(zhǎng)的影響

圖3為鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)為37 m時(shí)，隧道開挖結(jié)束后整體模型豎向變形位移云圖，圖4為隧道附近3排鉆孔灌注樁采用不同樁長(zhǎng)時(shí)的基礎(chǔ)底板豎向附加位移曲線，圖5為不同樁長(zhǎng)時(shí)基礎(chǔ)底板附加彎矩圖。從圖4可以看出，當(dāng)隧道埋深、樁徑和土體損失率一定時(shí)，隨鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)增加，底板豎向附加變形逐漸減小，在隧道中心處底板附加變形最大，右線隧道中心處底板附加變形大于左線隧道中心處，樁頂處底板附加位移出現(xiàn)極小值。從圖5可以看出，隧道開挖加大了基礎(chǔ)底板附加彎矩，最大附加彎矩達(dá)646.8 kN·m/m，隨鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)增加，基礎(chǔ)底板附加彎矩略有減小，底板在3號(hào)樁樁頂處出現(xiàn)最大值，在4號(hào)樁和5號(hào)樁樁頂處出現(xiàn)極大值，在其他樁處底板附加彎矩較小。由此可見，增大樁長(zhǎng)是減小基礎(chǔ)底板附加變形的有力措施，同時(shí)還可以減小一部分基礎(chǔ)底板附加彎矩。

圖3 整體模型豎向位移云圖(L=37 m)

圖4 不同樁長(zhǎng)時(shí)基礎(chǔ)底板豎向附加變形

圖5 不同樁長(zhǎng)時(shí)基礎(chǔ)底板附加彎矩

圖6～圖8為鉆孔灌注樁不同樁長(zhǎng)時(shí)3號(hào)樁附加水平位移、附加彎矩和附加軸力圖。從圖6可以看出，不同樁長(zhǎng)時(shí)，樁身附加水平位移曲線形式基本一致，樁身最大附加水平位移隨樁長(zhǎng)略有減小，最大附加水平位移點(diǎn)并不是隧道水平中心高程處，而是位于隧道水平中心線以下2.0 m處，樁頂由于受底板約束作用，其水平向附加位移很小，樁底水平位移隨樁長(zhǎng)增加略有減小。從圖7可以看出，隨樁長(zhǎng)增加，樁身附加彎矩略有減小，樁頂附加彎矩出現(xiàn)最大值，樁深8.45 m處出現(xiàn)極大值，位于隧道上方。從圖8可以看出，隨樁長(zhǎng)增加，樁身附加軸力有減小的趨勢(shì)，在樁深12.7 m處，即隧道中心高程處，樁身附加軸力達(dá)到最大值，這主要是由于隧道開挖土體下沉對(duì)樁身附加負(fù)摩阻力引起的結(jié)果。由此可見，隧道開挖加大了3號(hào)樁的水平位移、彎矩和軸力，增大樁長(zhǎng)是減小樁自身附加水平變形、附加彎矩及附加軸力的一項(xiàng)措施。

圖6 不同樁長(zhǎng)時(shí)3號(hào)樁附加水平位移

圖7 不同樁長(zhǎng)時(shí)3號(hào)樁附加彎矩

圖8 不同樁長(zhǎng)時(shí)3號(hào)樁附加軸力

從不同樁長(zhǎng)時(shí)底板的附加變形和附加彎矩以及基樁本身的附加水平位移、彎矩和軸力的變化量來看，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，以鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)37.0 m為宜。

3.2 不同樁徑的影響

圖9為鉆孔灌注樁樁徑分別為D=0.8、1.0、1.2 m時(shí)，隧道開挖引起的基礎(chǔ)底板豎向附加位移圖，圖10為不同樁徑時(shí)隧道開挖引起的3號(hào)樁附加彎矩圖。從圖9可以看出，當(dāng)隧道埋深、樁長(zhǎng)和土體損失率一定時(shí)，隨樁徑增大，底板豎向附加變形有減小的趨勢(shì)。從圖10可以看出，隨樁徑增大，3號(hào)樁附加彎矩逐漸增大，主要原因是樁徑越大其承擔(dān)的附加荷載越大，因此其附加彎矩也隨之增大。因此為控制建筑物附加變形與內(nèi)力，可適當(dāng)增加隧道附近基樁的直徑，本工程鉆孔灌注樁樁徑設(shè)計(jì)為1.0 m可滿足要求。

圖9 不同樁徑時(shí)基礎(chǔ)底板豎向附加變形

圖10 不同樁徑時(shí)3號(hào)樁附加彎矩

3.3 不同土體損失率的影響

圖11為土壓平衡盾構(gòu)隧道施工開挖不同土體損失率δ=1%、2%、3%時(shí)，箱形地下室基礎(chǔ)底板豎向附加位移圖，圖12為不同土體損失率時(shí)隧道開挖引起的3號(hào)樁附加彎矩圖。從圖11可以看出，當(dāng)隧道埋深、樁長(zhǎng)和樁徑一定時(shí)，隨隧道盾構(gòu)施工土體損失率增大，底板豎向附加變形逐漸變大。從圖12可以看出，隨土體損失率增大，3號(hào)樁附加彎矩逐漸變大。因此為減小建筑物附加變形與內(nèi)力，應(yīng)嚴(yán)格控制土體損失率，本工程土體損失率控制在δ=1%以內(nèi)底板附加變形較小。

圖11 不同土體損失率時(shí)基礎(chǔ)底板豎向附加變形圖

圖12 不同土體損失率時(shí)3號(hào)樁附加彎矩

3.4 不同工況下群樁水平變形規(guī)律

圖13 左線隧道施工結(jié)束各樁體附加水平位移

圖14 雙線隧道施工結(jié)束各樁體附加水平位移

圖13為樁長(zhǎng)均采用L=27 m時(shí)，左線隧道施工完畢后各樁體附加水平位移，圖14為雙線隧道均施工完畢后各樁體附加水平位移。從圖中可以看出，在雙線隧道施工完畢后，除4號(hào)樁外，其余各樁水平變形規(guī)律為靠近隧道的兩排樁累積水平變形量最大，離隧道越遠(yuǎn)樁體水平變形越小，11號(hào)樁與15號(hào)樁位移基本一致。4號(hào)樁位于兩隧道之間，樁體最大水平位移在左線隧道施工完畢后達(dá)到最大值，在右線隧道施工完畢后又逐漸減小，樁體最終附加水平變形傾向于先期開挖的左線隧道。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在隧道埋深已定的情況下，探討了不同樁長(zhǎng)、不同樁徑、不同土體損失率下及不同工況下，各基樁和箱形基礎(chǔ)底板內(nèi)力位移變化規(guī)律，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考，主要結(jié)論如下。

(1)隨鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)增加，基礎(chǔ)底板豎向附加變形和附加彎矩逐漸變小，底板豎向附加彎矩在樁頂出現(xiàn)極大值，在隧道中心處底板附加變形最大；3號(hào)基樁(右線隧道左側(cè))隨樁長(zhǎng)增加，樁身最大水平位移、附加彎矩和附加軸力均逐漸減小。

(2)隨鉆孔灌注樁樁徑增大，基礎(chǔ)底板豎向附加變形逐漸減小，3號(hào)基樁附加彎矩逐漸增大。

(3)隨土體損失率增大，基礎(chǔ)底板豎向附加變形逐漸變大，3號(hào)基樁附加彎矩逐漸變大。

(4)施工完畢后，除4號(hào)樁(兩隧道之間)外，其余各樁水平變形規(guī)律為靠近隧道的兩排樁累積變形最大，離隧道越遠(yuǎn)，樁體變形越小，4號(hào)樁體最終附加水平變形傾向于先期開挖的左線隧道。

(5)從基礎(chǔ)和鉆孔灌注樁附加受力和變形及經(jīng)濟(jì)因素綜合考慮，建議鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)為樁長(zhǎng)L=37 m、樁徑D=1.0 m，施工時(shí)土體損失率控制在δ=1%以內(nèi)。

[1] Morton J D， King K H. Effects of tunneling on the bearing capacity and settlement of piled foundation[C]. Proceedings， Tunneling 79. London: IMM，1979：57-68.

[2] Loganathan N. Centrifuge model testing of tunneling-induced ground and pile foundations[J]. Geotechnique， 2000， 50(3):283-294.

[3] Jacobsz S W， Standing J R， Mair R J. Centrifuge modeling of tunneling near driven piles[C]. Geotechnical aspect of underground constuction in soft ground. Toulouse: [s. n. ]，2002：89-94.

[4] Ong C W， Leung C F， Yong K Y， et al. Centrifuge modeling of pile responses due to tunneling in clay[J]. Underground Singapore， 2005，128(4):327-336.

[5] Mroueh H， Shahrour I. Three dimensional finite element analysis of the interaction between tunneling and pile foundations[J]. International journal for numerical and analytical methods in geomechanics， 2002，26：217-230.

[6] Lee C J， Jacobsz s w. The influence of tunnelling on adjacent piled foundations[J]. Tunnelling and underground space technology， 2006， 21(3):430.

[7] 朱逢斌，楊平，Ong C W.盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近樁基影響數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(2):298-302.

[8] 朱逢斌，楊平，林水仙.盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近承載樁基礎(chǔ)影響研究[J].巖土力學(xué)，2010，31(12):3894-3900.

[9] Gordon T K.. Effects of advancing open face tunnelling on an existing loaded pile[J]. Journal of Geotechnical and Geo-Environmental Engineering， ASCE， 2005，131(2):193-201.

[10] 方勇，何川.地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)近接樁基的影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45(1):42-47.

[11] 羅文林，劉赪煒，韓煊.隧道開挖對(duì)樁基工程影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2007，28(S)：403-407.

[12] 王炳軍，李寧，柳厚祥，等.地鐵隧道盾構(gòu)法施工對(duì)樁基變形與內(nèi)力的影響[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，3(3):35-40.

[13] 木林隆，黃茂松，王衛(wèi)東.分層地基中隧道開挖對(duì)鄰近剛性樁筏基礎(chǔ)豎向影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(7):1082-1090.

[14] 吳勇華，謝新宇，葉軍，等.跨越地鐵高層建筑樁筏基礎(chǔ)數(shù)值模擬研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(3):441-447.

[15] 謝新宇，吳勇華，姜瑋東，等.跨越地鐵隧道超高層建筑樁筏基礎(chǔ)數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，42(10):3182-3188.

[16] 吳翔天，谷拴成.隧道開挖對(duì)樁基影響的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)，2013，29(9):68-73.