軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道切削群樁基礎(chǔ)對(duì)上方建筑物的影響研究

林 東

（中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南昆明 650220）

0 引言

針對(duì)盾構(gòu)隧道如何順利下穿既有地面建（構(gòu)）筑物，減少地鐵修建過(guò)程中的征拆數(shù)量，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。彭立敏等[1]、丁祖德等[2]根據(jù)實(shí)際工況建立了大型三維有限元模型，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中有無(wú)淺基礎(chǔ)建筑物的情況進(jìn)行了對(duì)比分析，研究了盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地面建筑物變形的影響。姜忻良等[3]為研究框架結(jié)構(gòu)受下穿隧道的影響，建立了仿真模型進(jìn)行分析并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出了隧道正穿區(qū)域?qū)ㄖ锏某两涤绊懽畲蟮慕Y(jié)論。葛世平等[4]為研究盾構(gòu)下穿砌體結(jié)構(gòu)時(shí)的施工期沉降及工后沉降對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，進(jìn)行了大量的理論分析。李茂文[5]通過(guò)數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了盾構(gòu)隧道下穿對(duì)既有橋梁樁基礎(chǔ)的受力變形影響。魏綱等[6]分析了盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)地表變形監(jiān)測(cè)的關(guān)系，研究了盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)施工參數(shù)對(duì)地表建筑物沉降的影響規(guī)律。傅德明[7]關(guān)于盾構(gòu)切削混凝土的模擬實(shí)驗(yàn)證明，在對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行改造的情況下，盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土施工是可行的。

本文基于前人的研究成果，以軟土地區(qū)某地鐵區(qū)間下穿某小區(qū)房屋為背景，采用三維數(shù)值方法及與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析方法，對(duì)軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道切削群樁基礎(chǔ)對(duì)上方建筑物的影響進(jìn)行研究，以期為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)施工提供有益的參考。

1 工程概況

某軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿小區(qū)樓房，該建筑為七層居民樓，基礎(chǔ)采用振動(dòng)沉管灌注樁，樁徑為?420??mm，大部分樁長(zhǎng)在?20～21??m?之間，灌注樁共?284?根，灌注樁鋼筋籠主筋長(zhǎng)?8??m，承臺(tái)埋深?1.8??m。下穿范圍內(nèi)主要為素填土、泥炭質(zhì)土、黏土、圓礫土。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)厚350??mm，外徑?6.2??m，下穿段埋深約?15??m，隧道左右線(xiàn)下穿樁基部分共計(jì)?60?余根樁。

根據(jù)地鐵盾構(gòu)切削樁基的成功經(jīng)驗(yàn)，在盾構(gòu)推進(jìn)前先對(duì)具有樁基的建（構(gòu)）筑物進(jìn)行預(yù)加固處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采取袖閥管注漿方案對(duì)小區(qū)房屋局部進(jìn)行預(yù)加固，在盾構(gòu)切削樁基通過(guò)后進(jìn)行洞內(nèi)二次注漿，后期再結(jié)合監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行地面跟蹤糾偏加固（圖?1）。

2 數(shù)值模型分析

2.1 數(shù)值模型

本次分析采用國(guó)際通用的?FLAC3D有限差分軟件。其三維模型網(wǎng)格劃分情況如圖?2?所示，模型中盾構(gòu)隧道與基礎(chǔ)的位置關(guān)系如圖3所示。模擬過(guò)程中，土體均采用實(shí)體單元，本構(gòu)關(guān)系采用?mohr-coulomb?準(zhǔn)則。FLAC3D中樁基礎(chǔ)采用樁單元模擬，樁之間的連系梁采用梁?jiǎn)卧M，隧道結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬，各土層采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。所有模型均為側(cè)面法向位移約束，底面?3?個(gè)方向（X、Y、Z）的位移均約束。

圖1 基礎(chǔ)預(yù)加固措施布置圖（單位：mm）

圖2 三維模型網(wǎng)格劃分圖

圖3 隧道與樁基礎(chǔ)位置關(guān)系圖

2.2 計(jì)算參數(shù)及步驟

計(jì)算參數(shù)的取值很大程度上決定了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，因此，數(shù)值計(jì)算成敗的關(guān)鍵是確定參數(shù)的取值。本次分析采用地鐵工程的詳細(xì)勘察報(bào)告中土體的物理力學(xué)參數(shù)（表1），表1?中土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角采用直接快剪值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，數(shù)值分析過(guò)程中，土的彈性模量E取土的壓縮模量Es的?3～5?倍。對(duì)于黏性土，采用E=?5Es進(jìn)行計(jì)算，巖石類(lèi)E和強(qiáng)度參數(shù)按鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中圍巖分級(jí)情況選取。

表1 土層物理參數(shù)

為了反映建筑物初始應(yīng)力狀態(tài)及隧道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)建筑群的影響，仿真模擬按以下步驟進(jìn)行。

（1）根據(jù)地層參數(shù)給相應(yīng)的幾何模型賦值，建立建筑物的基礎(chǔ)，施加建筑物折算荷載（建筑物荷載按每層?18??kPa?折算）。

（2）對(duì)三維模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡，并清零模型的位移場(chǎng)和速度場(chǎng)。

（3）先開(kāi)挖隧道左線(xiàn)，施作相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)；計(jì)算收斂后，再開(kāi)挖隧道右線(xiàn)，施作相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。施作隧道結(jié)構(gòu)的同時(shí)切除侵入隧道范圍內(nèi)的素樁，然后計(jì)算至模型收斂。

（4）整理計(jì)算結(jié)果，分析模擬過(guò)程中控制性建筑的受力變形情況。

3 盾構(gòu)隧道施工對(duì)群樁基礎(chǔ)建筑物的影響分析

3.1 群樁基礎(chǔ)變形分析

本文數(shù)值計(jì)算主要針對(duì)區(qū)間隧道施工對(duì)群樁基礎(chǔ)的影響展開(kāi)理論分析。區(qū)間隧道開(kāi)挖前地應(yīng)力分布情況如圖?4?所示，隧道開(kāi)挖后房屋基礎(chǔ)變形情況有所差異，圖?5、圖?6?是隧道開(kāi)挖后該建筑物樁基變形分布云圖（群樁頂?shù)膲|層變形情況）。

由圖?5?可知，左線(xiàn)隧道貫通后，盾構(gòu)施工使得該建筑物的樁基均產(chǎn)生了明顯的沉降，最大沉降為?13.8??mm，最小沉降為?6.0??mm，差異沉降為7.8??mm；當(dāng)隧道雙線(xiàn)貫通后，樁基沉降有所增加，但增加的幅度不大，最大沉降為?14.4??mm，最小沉降為?6.7??mm，差異沉降為?7.7??mm?？梢?jiàn)，區(qū)間隧道貫通后樁基最大沉降值和最大差異沉降均滿(mǎn)足GB50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求。由圖?6?可知，隧道貫通后，樁基的水平方向變形都很小，最大不過(guò)?0.5??mm。

圖4 計(jì)算模型地應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖5 群樁基礎(chǔ)頂部豎向位移（單位：m）

3.2 群樁基礎(chǔ)受力分析

圖7給出了群樁基礎(chǔ)軸力圖，由圖?7?可知，樁基在隧道開(kāi)挖前全部受壓，軸壓力最大為?502.8??kN，隧道開(kāi)挖后樁基受切削作用和地層變形擾動(dòng)的影響，房屋沉降明顯增加，樁基的軸壓力也有所增加，樁基最大軸壓力增至?568.3??kN。總體而言，樁基受切削作用及開(kāi)挖擾動(dòng)影響后，承載能力仍滿(mǎn)足安全和功能要求。

圖6 群樁基礎(chǔ)頂部水平位移（單位：m）

圖7 群樁基礎(chǔ)軸力圖（單位：N）

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果對(duì)比

該區(qū)間隧道下穿小區(qū)房屋時(shí)進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)。圖?8為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中變形值最大的一組數(shù)據(jù)。從圖?8?中可以看出，盾構(gòu)接近樁基時(shí)，樁基已經(jīng)受開(kāi)挖影響有一定的變形，當(dāng)左線(xiàn)隧道穿過(guò)樁基底部時(shí)，樁基沉降明顯增大，而后慢慢趨于平穩(wěn)；當(dāng)右線(xiàn)隧道穿過(guò)樁基底部時(shí)，樁基沉降又有一次明顯的增大，最后沉降量趨于收斂。最終最大的沉降為?13.18??mm，相對(duì)于數(shù)值計(jì)算的?14.4??mm?偏小了?8.5%，數(shù)值分析計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相差較小。

5 結(jié)論與建議

（1）從數(shù)值仿真分析中可知：左線(xiàn)隧道貫通后，樁基產(chǎn)生了明顯的沉降，最大沉降為?13.8??mm，最小沉降為?6.0??mm，差異沉降為?7.8??mm；當(dāng)隧道雙線(xiàn)貫通后，最大沉降為?14.4??mm，最小沉降為?6.7??mm，差異沉降為?7.7??mm；樁基水平方向的變形不超過(guò)?0.5??mm。各項(xiàng)變形指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖8 群樁基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)值

（2）樁基在隧道開(kāi)挖前全部受壓，軸壓力最大為?502.8??kN，隧道開(kāi)挖后樁基受切削作用和地層變形擾動(dòng)的影響，樁基的軸壓力也有所增加，樁基最大軸壓力增至568.3??kN。但總體而言，承載能力仍滿(mǎn)足安全和功能要求。

（3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)樁基最大的沉降為13.18?mm，相對(duì)于數(shù)值計(jì)算的?14.4??mm?偏小了?8.5%?？梢?jiàn)，數(shù)值分析計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相差較小，數(shù)值分析的結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

（4）盾構(gòu)隧道下穿樁基時(shí)，盾構(gòu)直接切削樁基對(duì)基礎(chǔ)的受力變形均有明顯的影響。經(jīng)過(guò)預(yù)加固處理提高樁土摩阻力，彌補(bǔ)了被切削樁基部分的摩阻力，使得樁基受切削及開(kāi)挖擾動(dòng)產(chǎn)生的受力變形是有限且可控的。

（5）本文通過(guò)數(shù)值模擬分析了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道切削群樁基礎(chǔ)對(duì)上方建筑物的影響。但需要指出的是，在下穿切削樁基后務(wù)必采取相應(yīng)的減振措施，以減少后期運(yùn)營(yíng)振動(dòng)對(duì)地面建筑物的影響。

[1]彭立敏，丁祖德，黃娟，等.隧道穿越方式對(duì)地表建筑物變形影響的數(shù)值分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，43（1）.

[2]丁祖德，彭立敏，施成華.地鐵隧道穿越角度對(duì)地表建筑物的影響分析[J].巖土力學(xué)，2011，32（11）.

[3]姜忻良，賈勇，趙保建.地鐵隧道施工對(duì)鄰近建筑物影響的研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（11）.

[4]葛世平，廖少明，陳立生.地鐵隧道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)對(duì)地面房屋的沉降影響與對(duì)策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（3）.

[5]李茂文.下穿復(fù)雜建筑物盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)研究[D].四川成都：西南交通大學(xué)，2011.

[6]魏綱，葉琦，虞興福.杭州地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)建筑物影響的實(shí)測(cè)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（3）.

[7]傅德明.盾構(gòu)切削混凝土模擬試驗(yàn)和切削樁基施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2014，34（5）.