軟土隧道開(kāi)挖對(duì)群樁影響的三維分析

秦會(huì)來(lái)1，馬敏23，馬少坤*23

(1.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司， 北京100102；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004)

0 引言

地下空間的開(kāi)發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)大城市可持續(xù)化發(fā)展的必由之路，修建地鐵隧道是城區(qū)利用地下空間、解決交通擁堵等城市病的有效途徑之一。隨著大城市地鐵隧道修建數(shù)量和里程的增加，新建隧道不可避免需要在既有樁基等建構(gòu)筑附近穿行。由于隧道開(kāi)挖卸荷將引起原有土體應(yīng)力場(chǎng)的改變，誘發(fā)周圍地層變位，因此，隧道開(kāi)挖也必將會(huì)對(duì)鄰近樁基產(chǎn)生影響。

20世紀(jì)90年代以后，隨著隧道工程的增多，如英國(guó)的英吉利海峽隧道線、新加坡的地鐵環(huán)線以及荷蘭阿姆斯特丹隧道的南北線等，隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近的樁基影響問(wèn)題愈發(fā)突出，從而使該方面的研究迅速增多。目前的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[1-3]、模型試驗(yàn)[4-6]、數(shù)值解析[7-9]、有限元與有限差分法等[10-13]。有限元解法可以從整體上反映隧道、樁以及土體間的相互作用，并可以模擬隧道的施工過(guò)程，是模擬隧道開(kāi)挖對(duì)臨近樁基影響的最佳選擇之一，但是合理的計(jì)算結(jié)果有賴于選擇正確的本構(gòu)模型、合理地確定本構(gòu)模型中的參數(shù)，并對(duì)實(shí)際施工過(guò)程的進(jìn)行合理再現(xiàn)[14]。

國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，土體硬化本構(gòu)模型(HS)能考慮土的硬化特征、能區(qū)分加荷和卸荷的區(qū)別，且其剛度依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑，對(duì)于開(kāi)挖問(wèn)題計(jì)算結(jié)果較為符合實(shí)際情況[15]。文獻(xiàn)[15]中基于試驗(yàn)以及大量基坑工程的反分析確定了的上海軟土HS模型的相關(guān)參數(shù)取值，為HS模型在上海等軟土地區(qū)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?？紤]到上海地區(qū)隧道工程較多，隧道施工對(duì)周邊樁基礎(chǔ)的影響問(wèn)題較為突出，本文將應(yīng)用巖土商業(yè)有限元軟件，采用能較好反映土體非線性、壓硬性、應(yīng)力路徑相關(guān)性等特點(diǎn)的HS本構(gòu)模型模擬軟土行為，針對(duì)上海等軟土地區(qū)隧道開(kāi)挖對(duì)已有樁基影響的短期行為規(guī)律進(jìn)行研究。

1 有限元模型與單元選擇

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

有限元模型如圖1所示，為了消除邊界影響，模型的水平方向取為80 m，豎向取為60 m，隧道縱軸線方向取33 m。土體單元由10節(jié)點(diǎn)四面體單元模擬，隧道襯砌由板單元模擬，隧道襯砌外設(shè)置接觸面，可以起止水作用。樁單元用embeded pile單元模擬，極限端承力設(shè)定為200 kN，承臺(tái)由板單元模擬。隧道為盾構(gòu)施工，隧道施工過(guò)程中地層損失比取為1 %，掌子面泥水平衡壓力取隧道中心處為200 kPa，豎向變化為12 kPa/m。為方便下文分析，將群樁進(jìn)行編號(hào)，分別為pile1、pile2、pile3、pile4、pile5、pile6。樁基礎(chǔ)與隧道平面位置關(guān)系及各樁編號(hào)如圖2所示。對(duì)于圖2中所示的模型俯視圖，隧道的施工過(guò)程為由下到上，即由pile1側(cè)指向pile4側(cè)。

(a) 位置關(guān)系

(b) 群樁編號(hào)

圖2 樁基與隧道位置關(guān)系以及群樁編號(hào)示意圖
Fig.2 Location for the piles and the number for the piles

2 隧道開(kāi)挖對(duì)群樁影響分析

2.1 隧道施工過(guò)程群樁樁頂沉降變化

圖3給出了距離隧道開(kāi)挖軸線最近的樁pile1和樁pile4樁頂沉降隨隧道施工過(guò)程的變化情況。圖中的“施工進(jìn)程”是指沿隧道縱軸線由一端向另一端施工的進(jìn)程。由圖3可見(jiàn)，由于位置對(duì)稱，pile1樁和pile4樁在隧道施工過(guò)程中樁頂?shù)某两底兓?guī)律類似。取圖2中上下兩排樁中間面為參照面，該面為豎直面，模型中其與地面交線的右半部分如圖2中紅虛線所示。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)隧道開(kāi)挖面距參照面在約1.5倍隧道范圍內(nèi)時(shí)，群樁沉降發(fā)展最快。根據(jù)圖3所反映的規(guī)律，可僅對(duì)比研究pile1、pile2、pile3或pile4、pile5、pile6的樁頂沉降規(guī)律。

圖4給出了垂直隧道軸線方向的pile1、pile2、pile3三根樁樁頂沉降在隧道施工過(guò)程的變化情況。由圖4可見(jiàn)，三根樁樁頂沉降隨隧道施工進(jìn)程的變化規(guī)律相近，當(dāng)隧道開(kāi)挖面距參照面在1.5倍隧道直徑范圍內(nèi)時(shí)沉降增加最快，由于樁pile1距離隧道軸線最近，其沉降發(fā)展斜率、最終沉降都是最大。pile2的最大沉降量為pile1的40 %，pile3的最大沉降量為pile1的20 %?？梢?jiàn)，樁基距隧道越近，隧道施工對(duì)其影響越大，同時(shí)引起承臺(tái)的傾向于隧道位置的傾斜變形。

圖3 pile1與 pile4樁頂沉降隨施工進(jìn)度的發(fā)展對(duì)比
Fig.3 Subsidence comparison between pile1and pile4 during the tunnel construction

圖4 pile1、pile2、pile3樁頂沉降隨施工進(jìn)度的發(fā)展規(guī)律
Fig.4 Subsidence comparison between pile1,pile2 and pile3 during the tunnel construction

2.2 樁基水平位移隨隧道施工的變化

圖5 隧道施工引起的群樁水平位移Fig.5 Horizontal displacements for piles induced by the tunnel construction

圖5給出了隧道施工完成后，樁pile1、pile2和pile3所發(fā)生的水平位移情況，圖中從左到右依次為樁pile1、pile2和pile3。由圖可見(jiàn)，距隧道不同距離的樁基，樁頂均發(fā)生了傾向于隧道位置方向的水平位移；pile2和pile3下部發(fā)生遠(yuǎn)離隧道位置方向的水平位移。追蹤隧道施工過(guò)程中樁pile1、pile2和pile3樁身水平位移的發(fā)展變化過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)，樁頂傾向于隧道位置方向的水平位移逐漸增大；pile1樁底端先發(fā)生遠(yuǎn)離隧道方向的水平位移，后又發(fā)生反向位移并逐漸增加；pile2和pile3樁下端發(fā)生遠(yuǎn)離隧道位置方向的水平位移并逐漸增加。

不同位置樁體的位移模式反映了隧道開(kāi)挖誘發(fā)的地層位移模式。隧道開(kāi)挖將在隧道上方地層中誘發(fā)沉降漏斗槽，漏斗槽區(qū)域內(nèi)的土體發(fā)生傾向于隧道所在位置的位移，漏斗區(qū)內(nèi)土體的位移擠壓漏斗區(qū)外土體，使其發(fā)生遠(yuǎn)離隧道位置方向的位移。樁pile1底端發(fā)生了傾向隧道方向的位移，這主要是由于隧道開(kāi)挖卸載引起隧道底部周邊土體回彈所致?？梢?jiàn)隧道開(kāi)挖所引起的樁基位移模式與樁基和隧道的相互位置關(guān)系密切相關(guān)。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，pile1、pile2、pile3樁樁頂位移幾乎一致，這主要是受剛度較大的承臺(tái)約束所致。對(duì)比圖5中pile2和pile3樁底端水平位移可以發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離隧道的樁，樁身水平位移更顯著。

2.3 隧道施工過(guò)程群樁樁端阻力的變化

隧道開(kāi)挖會(huì)誘發(fā)周邊地層以及臨近樁基礎(chǔ)發(fā)生沉降，從而引起受荷樁與周圍土體的發(fā)生新的相互作用，尋求新的應(yīng)力平衡，造成樁身側(cè)阻和端阻的變化。圖6給出群樁基礎(chǔ)中各樁樁端阻力隨隧道施工過(guò)程的變化情況。由圖可見(jiàn)，隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行，各樁端阻增加，距離隧道開(kāi)面最近的pile1端阻增加最為顯著，在隧道開(kāi)挖面接近時(shí)，迅速增加到極限端阻。端阻力與圖4中的沉降相對(duì)應(yīng)，當(dāng)隧道開(kāi)挖面距參照面在1.5倍隧道直徑范圍內(nèi)時(shí)端阻增加最快。

2.4 隧道施工對(duì)樁身彎矩的影響

追蹤隧道施工過(guò)程中pile1的樁身彎矩分布可以發(fā)現(xiàn)，隨著隧道施工面的推進(jìn)，pile1樁身彎矩分布由開(kāi)始的樁上部分左側(cè)(靠近隧道側(cè))受拉，下部分右側(cè)受拉，樁身只有一個(gè)反彎點(diǎn)發(fā)展為樁上端左側(cè)受拉，下端右側(cè)受拉，中間有2個(gè)反彎點(diǎn)的彎矩分布模式，與其水平位移變化模式相一致。圖7中給出了pile1樁身正負(fù)彎矩最大值在隧道施工過(guò)程的變化情況。隨著隧道施工的進(jìn)行，樁上端負(fù)彎矩逐漸減小，樁下端正彎矩逐漸增加。隧道開(kāi)挖完成后，原先由荷載作用產(chǎn)生的樁頂負(fù)彎矩減小40 %，而樁身產(chǎn)生的最大正彎矩增大了4倍。隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行，樁pile2樁頂由承臺(tái)荷載產(chǎn)生負(fù)彎矩逐步轉(zhuǎn)化為正彎矩，樁身下部也產(chǎn)生右側(cè)受拉的正向彎矩，最終樁身均為右側(cè)受拉。樁pile3樁頂由承臺(tái)荷載產(chǎn)生正彎矩(右側(cè)受拉)先增大后減小，樁身左側(cè)的負(fù)彎矩逐漸減小。樁身彎矩變化是在既有承臺(tái)荷載作用以及隧道開(kāi)挖誘發(fā)地層位移作用下，樁、承臺(tái)、土體三者相互作用的結(jié)果。

圖6 樁端阻力隨隧道施工過(guò)程的變化規(guī)律
Fig.6 Pile end resistance changeduring the tunnel construction

圖7 pile1樁樁身正負(fù)彎矩變化曲線
Fig.7 Bending moment changes for pile1during the tunnel construction

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上海軟土地區(qū)土體HS模型的取值經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)三維有限元數(shù)值分析，研究了隧道施工對(duì)周邊樁基礎(chǔ)短期影響行為的一般規(guī)律。通過(guò)研究分析，可以得出以下結(jié)論。

① 隧道開(kāi)挖可能誘發(fā)周邊群樁基礎(chǔ)沉降變形，距離隧道越近沉降越大；隧道開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)隧道開(kāi)挖面距參照面在1.5倍隧道直徑范圍內(nèi)時(shí)樁頂沉降增加最快。

② 與隧道開(kāi)挖誘發(fā)樁頂沉降相一致的是，樁端阻力增加，距隧道越近端阻增加越大，同樣，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)隧道開(kāi)挖面距參照面在1.5倍隧道直徑范圍內(nèi)時(shí)樁端阻力增加最迅速。

③ 隧道施工誘發(fā)周邊群樁基礎(chǔ)的水平位移模式與樁基和隧道的相互位置關(guān)系密切相關(guān)。位移沉降漏斗范圍中的樁基上部發(fā)生傾向隧道位置方向的水平位移，當(dāng)樁下部穿過(guò)沉降漏斗槽時(shí)，樁下端將發(fā)生遠(yuǎn)離隧道開(kāi)挖位置的水平位移；當(dāng)樁受隧道開(kāi)挖回彈影響時(shí)，樁端也可能發(fā)生傾向隧道位置的水平位移。

④ 隧道開(kāi)挖過(guò)程中，樁身彎矩變化是在既有承臺(tái)荷載作用以及隧道開(kāi)挖誘發(fā)地層位移作用下，樁、承臺(tái)、土體三者相互作用的結(jié)果，樁身的最大彎矩可能增大很多。