盾構(gòu)施工對臨近樁基影響的數(shù)值模擬及參數(shù)分析

李明睿 陳國平 范秀江 徐平原 丁士龍 孫志浩 徐長節(jié)

摘 要：采用數(shù)值模擬軟件對盾構(gòu)隧道施工近距離下穿樁基進行三維仿真模擬，研究雙線盾構(gòu)動態(tài)掘進時樁基位移的變化。數(shù)值模擬實現(xiàn)了盾構(gòu)施工時的步步掘進，考慮了土倉壓力、注漿壓力、盾構(gòu)與土體摩擦力等施工參數(shù)的影響;利用PLAXIS 3D的固結(jié)計算，考慮盾構(gòu)機自重對土體的固結(jié)作用引起的地層沉降，并由此考慮開挖速度對樁基位移的影響。計算結(jié)果表明：隧道開挖將導致樁基發(fā)生沉降、側(cè)移以及傾斜，樁基的整體位移以及傾斜都隨盾構(gòu)施工的進行不斷增加。施工參數(shù)敏感性分析表明：增大開挖速度可以有效控制樁基位移，但當開挖速度增大至一定程度時，開挖速度對樁基的影響逐漸減小;雙線隧道同步開挖時對樁基的影響比雙線分別開挖時小。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;隧道施工;開挖速度;樁基位移

中圖分類號：U455.43 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2022）01-0045-08

收稿日期：2020-11-26

基金項目：國家杰出青年科學基金（51725802）;國家自然科學基金（51878276）;浙江省自然科學基金委員會-華東院聯(lián)合基金（LHZ19E080001）

作者簡介：李明睿（1996- ），男，主要從事隧道工程研究，E-mail：21960450@zju.edu.cn。

徐長節(jié)（通信作者），男，教授，博士生導師，E-mail：xucj@zju.edu.cn。

Abstract： To study the change of the pile foundation displacement during the dynamic excavation of the double-route shield tunnel， three-dimensional simulation of shield tunneling under-crossing pile foundation is performed with a finite element package， PLAXIS 3D. Numerical simulation realizes the step-by-step advancing during shield tunnel excavation by taking into account the influence of earth pressure in soil warehouse， grouting pressure， and friction between the shield and the soil. Apart from that， using consolidation calculation of PLAXIS 3D， the paper evaluate the ground settlement caused by consolidation of the shield's own weight on the soil， and further evaluated the impact of the excavation speed on the pile displacement. The calculation results show that the tunnel excavation will cause the settlement， lateral displacement and tilt of the pile foundation， and the overall displacement and tilt of the pile foundation can continue to increase with progress of the shield tunnel excavation. The sensitivity analysis of construction parameters reveals that： increasing the excavation speed can effectively control the displacement of the pile foundation， but when the excavation speed increases to a certain extent， the impact of the excavation speed on the pile foundation is significantly reduced; The effect of simultaneous excavation of the double-route tunnel on the pile foundation is less significant than that of the separated double-route excavation.

Keywords：shield tunnel; tunnel excavation; excavation speed; pile displacement

隨著經(jīng)濟與社會的蓬勃發(fā)展，地鐵越來越廣泛地應(yīng)用于城市建設(shè)中，而由于城市建筑物密集，盾構(gòu)隧道施工將不可避免地近距離穿越臨近地下建筑物，如橋梁樁基等。盾構(gòu)施工穿越橋梁樁基時對周圍土體的擾動將使土體發(fā)生位移，從而造成對樁基受力及變形的影響，嚴重時甚至導致樁基的破壞，或者樁端位移太大影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用。因此，對盾構(gòu)施工近距離穿越樁基的影響研究具有重要的工程意義。

學者們已經(jīng)對這方面進行了廣泛深入的研究。研究方法主要有模型試驗法、理論分析法和數(shù)值模擬法。在試驗研究方面，文獻[1-3]通過離心模型試驗分析了隧道埋深不同以及隧道與樁基水平距離變化對樁基的影響規(guī)律。Lee等[4]利用近距離攝影技術(shù)對樁土隧道模型進行了室內(nèi)試驗測試，研究了隧道開挖對樁基的影響，并提出了隧道開挖影響區(qū)。Meguid等[5]設(shè)計了一個小型試驗裝置，模擬隧道開挖以及襯砌安裝過程，并分析了隧道施工過程對臨近樁基的影響。理論分析方面主要運用兩階段分析法，即先計算隧道開挖引起的土體位移，再將土體位移作用于樁基上。Chen等[6]利用兩階段分析法分析了隧道幾何條件、樁徑、樁長等因素對樁基的影響;李早等[7]在第2階段中考慮群樁的遮攔效應(yīng)，得到了隧道開挖引起的群樁位移;熊巨華等[8]在第2階段中的土體位移作用于樁基時考慮了樁土界面的非線性特征;張治國等[9]采用圓柱形孔收縮模型，在第1階段計算了隧道開挖引起的周圍土體彈塑性位移;馮國輝等[10-11]基于Kerr地基模型應(yīng)用兩階段分析法求解出隧道開挖引起的樁基位移，并與Winkler、Pasternak地基模型的計算結(jié)果進行比較。在數(shù)值模擬方面，由于數(shù)值模擬分析方法可以很好地模擬盾構(gòu)施工的三維動態(tài)變化過程，因此，數(shù)值模擬方法在盾構(gòu)施工對臨近樁基影響的研究上得到了廣泛應(yīng)用。方勇等[12]利用ANSYS軟件模擬盾構(gòu)施工的步步掘進，并分析了盾構(gòu)機頂進力及注漿壓力參數(shù)對樁基的影響規(guī)律;李兵等[13]通過有限元軟件MIDAS/GTS對盾構(gòu)側(cè)穿高架橋樁基進行了模擬分析，主要考慮了掘進壓力、千斤頂推力、注漿壓力、襯砌彈性模量及盾構(gòu)埋深等參數(shù)的影響;楊記芳[14]采用“三階段固結(jié)膠結(jié)等代層”的方法模擬盾構(gòu)前進時盾尾漿體材料參數(shù)隨時間的變化。這些研究在模型中考慮了許多因素，比如地層條件、盾構(gòu)施工參數(shù)的控制、隧道埋深及隧道與樁的位置關(guān)系等。但對于盾構(gòu)掘進速度這一關(guān)鍵因素，卻很少在數(shù)值模擬相關(guān)文獻中提及。

林存剛等[15]研究發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)掘進速度對周圍土體沉降的影響主要由盾構(gòu)壓重在其下臥土層中產(chǎn)生的附加應(yīng)力的固結(jié)效應(yīng)造成，當盾構(gòu)掘進速度越慢，其產(chǎn)生的附加應(yīng)力持續(xù)時間越長，從而導致地面沉降增大?；谏鲜鲅芯?，筆者利用PLAXIS 3D的固結(jié)計算，考慮盾構(gòu)機自重對土體的固結(jié)作用引起的地層沉降，并由此考慮掘進速度對樁基位移的影響。

1 工程概況

以杭州地鐵16號線臨安廣場站—農(nóng)林大學站區(qū)間盾構(gòu)工程為背景，對盾構(gòu)隧道側(cè)穿苕溪廊橋樁基（見圖1）進行數(shù)值模擬。該區(qū)間雙線隧道間距為14.5 m，隧道軸線埋深約為22 m，右線隧道施工滯后左線隧道約半個月。盾構(gòu)選型采用土壓平衡盾構(gòu)機，盾構(gòu)機直徑為6.7 m，盾尾間隙為35 mm，襯砌厚度為0.35 m。苕溪廊橋樁基與隧道結(jié)構(gòu)最短距離約為7.9 m，橋樁為鉆孔灌注樁，直徑為1.2 m，樁長為15 m。

區(qū)間盾構(gòu)隧道上覆土層主要有素填土12、卵石144、全風化粉砂巖22d-1、強風化粉砂巖22d-2，盾構(gòu)洞身主要穿越中風化粉砂巖22d-3。

2 盾構(gòu)施工數(shù)值模擬

2.1 三維模型建立

計算模型采用PLAXIS 3D軟件模擬，為充分考慮隧道開挖對樁基的影響，并依據(jù)有限元的建模理論，計算模型沿隧道縱向（y方向）取70 m、沿隧道橫向（x方向）取70 m、豎直方向（z方向）取36 m，模型如圖2所示。模型底部施加固定約束，側(cè)面施加豎向滑動約束。網(wǎng)格劃分采用空間4節(jié)點單元，共劃分155 366個單元、211 049個節(jié)點。

2.2 材料參數(shù)選取

盾構(gòu)機、襯砌和盾尾漿體均采用三維實體單元模擬，樁基采用PLAXIS的embedded樁單元模擬，該單元可視為由梁單元和嵌入式的界面單元組成，各構(gòu)件物理力學參數(shù)見表1。

根據(jù)地質(zhì)條件地層分為5層，對于前4層軟土，考慮到城市地鐵隧道施工時的變形控制要求非常小，而較為先進的Hs-small本構(gòu)模型可以反映小應(yīng)變特征，故前4層軟土采用HS-small本構(gòu)模型模擬;對于最后一層中風化粉砂巖，采用PLAXIS中霍克布朗本構(gòu)模型模擬，該本構(gòu)模型結(jié)合了虎克定律所表述的彈性行為與霍克布朗準則所表述的巖體非線性破壞特征。各巖土層物理力學參數(shù)見表2。參數(shù)主要由工程資料獲得，工程資料未給出的參數(shù)參考相關(guān)資料[16]和相關(guān)文獻[17]進行取值。

2.3 盾構(gòu)施工模擬

數(shù)值模擬根據(jù)實際施工情況，先開挖左線再開挖右線，盾構(gòu)施工模擬方法主要可以分為3個階段。

第1階段——盾構(gòu)機初始位置，見圖3（a），將盾構(gòu)機所在位置處的土體凍結(jié)，并激活盾構(gòu)機單元與土倉壓力，土倉壓力根據(jù)工程資料取值。

第2階段——盾構(gòu)機前進，見圖3（b），本階段實施步驟為：將盾構(gòu)機前方即將開挖的土體凍結(jié)，并激活對應(yīng)的盾構(gòu)單元;將盾構(gòu)機尾部單元凍結(jié)，并激活襯砌與漿體單元;激活注漿壓力以及盾殼與土體間的摩擦力，前者根據(jù)工程資料取值，后者根據(jù)相關(guān)文獻[18]取一均布的摩擦力p，p=μσn，μ為盾殼與土體摩擦系數(shù)，黏土中取0.2～0.3，砂土中取0.3～0.4，σn為盾構(gòu)機受到的法向土壓力，可近似取埋深處的垂直土壓力。

第3階段——此階段計算方式由彈塑性計算變?yōu)楣探Y(jié)計算，計算沒有盾構(gòu)前進的時間增量，以此模擬盾構(gòu)機壓重在土體中產(chǎn)生的附加應(yīng)力的固結(jié)效應(yīng)，此階段激活盾構(gòu)機自重。

3個階段的施工步驟如此循環(huán)，直到隧道開挖完成。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 雙線隧道全挖計算結(jié)果分析

盾構(gòu)隧道的施工對周圍土體的擾動將會引起周圍土體發(fā)生位移，從而帶動樁基發(fā)生位移，上部荷載的作用將會加劇這一位移。樁基發(fā)生的側(cè)移以及沉降對上部結(jié)構(gòu)有著非常大的影響，故對樁基水平側(cè)移以及沉降的變化規(guī)律展開研究。

3.1.1 樁基水平側(cè)移分析

圖4所示為不同開挖步下樁基的x方向側(cè)移曲線（負值表示朝隧道側(cè)移動，正值表示反方向移動）。從圖4可以看出，在左線盾構(gòu)機未到達樁基時（開挖步1～9），樁基整體的位移趨勢是遠離隧道，并且樁基發(fā)生傾斜，樁底位移比樁頂位移大，樁底位移在開挖面到達樁基時（開挖步9）達到最大值0.19 mm，此時樁頂位移為0.06 mm，而在左線盾構(gòu)機經(jīng)過樁基后（開挖步10～17），樁基整體向隧道側(cè)移動，傾斜方向未發(fā)生改變，傾斜程度逐漸增大，在左線隧道開挖完成時傾斜最嚴重，此時樁底位移逐漸減小至0.02 mm，樁頂位移先減小至0再反方向逐漸增長至最大值-0.41 mm。當右線隧道開挖時（開挖步18～34），樁基位移變化規(guī)律與左線隧道開挖時相似。發(fā)生樁端向隧道側(cè)傾斜的主要原因是：樁基x方向側(cè)移主要由兩部分組成，一部分是由于隧道開挖引起的土體損失使得周圍土體向靠近隧道方向移動，從而造成樁基向隧道側(cè)移動，另一部分是襯砌管片在圍巖應(yīng)力作用下發(fā)生擠壓變形，即水平方向上管片向外變形，豎直方向上管片向內(nèi)變形，同時，由于注漿壓力的作用，隧道周圍土體朝遠離隧道側(cè)移動，從而引起樁基向遠離隧道方向移動，該部分位移主要表現(xiàn)在樁基下半側(cè)，當兩部分側(cè)移疊加作用時將使樁頂向隧道側(cè)傾斜。

盾構(gòu)機前進時帶動周圍土體發(fā)生向前的移動，從而帶動樁基向隧道開挖方向移動，且此位移主要體現(xiàn)在樁基下半側(cè)。圖5所示為不同開挖步下樁基的y方向側(cè)移曲線，可以看出，隨著開挖步的進行，樁基y方向側(cè)移逐漸增大，樁基發(fā)生樁底向開挖方向的傾斜，且傾斜量逐漸增大，在右線隧道開挖完成時（開挖步34），樁端與樁底位移均達到最大值，此時樁端位移為-2.38 mm，樁底位移為-5.65 mm。

3.1.2 樁基沉降分析

樁端沉降隨隧道開挖過程的動態(tài)變化如圖6所示?？梢钥闯觯陂_挖左線隧道時，開挖面到達樁基前（開挖步1～9），盾構(gòu)掘進會造成樁基隆起，并在開挖面到達樁基（開挖步9）時樁頂隆起達到最大值0.70 mm，這是由于盾構(gòu)機向前推進時對前方土體有擠推作用，從而使得樁基隨土體發(fā)生向上的位移，開挖面經(jīng)過樁基后（開挖步26～34），盾構(gòu)掘進會使樁基發(fā)生沉降，在左線隧道開挖完成時樁端沉降值為-1.19 mm，開挖右線時樁基沉降變化規(guī)律與開挖左線類似，且在開挖右線隧道完成時，樁基沉降達到最大，此時樁端沉降值為-5.87 mm。樁基發(fā)生沉降的主要原因是盾尾空隙以及土體固結(jié)等因素造成的土體沉降帶動樁基下沉。

3.2 參數(shù)影響分析

當注漿壓力、盾尾空隙、土倉壓力、掘進速度、襯砌管片彈性模量等施工參數(shù)改變時，會對樁基位移產(chǎn)生顯著影響，由于注漿壓力、土倉壓力、襯砌管片的彈性模量等參數(shù)已有學者[11-12]研究過，筆者主要對開挖速度和開挖順序?qū)εR近樁基位移的影響進行研究。

3.2.1 不同開挖速度對樁基位移的影響

圖7所示為不同開挖速度下樁端沉降隨盾構(gòu)前進的動態(tài)變化曲線。從圖7中可以看出，開挖左線隧道時，開挖面到達樁基前（開挖步1～9）開挖速度對樁端沉降影響較小，而當開挖面到達樁基后以及開挖右線隧道時，開挖速度對樁端沉降的影響顯著增大;另外，可以看出，開挖速度越快，樁端沉降越小，這是由于開挖速度越快，盾構(gòu)機在土層中停留時間越短，則固結(jié)作用的時間越短，土體以及樁基沉降也隨之減小，但當開挖速度增至8 環(huán)/d后，開挖速度對樁端沉降的影響逐漸減小。

圖8所示為不同開挖速度下樁端x方向側(cè)移隨盾構(gòu)前進的動態(tài)變化曲線。由圖8可以看出，與開挖速度對樁基沉降的影響規(guī)律相似，開挖速度越快，樁基x方向側(cè)移越小，但當開挖速度到達8環(huán)/d后，開挖速度對樁端x方向側(cè)移的影響逐漸減小。

圖9所示為不同開挖速度下樁端y方向側(cè)移隨盾構(gòu)前進的動態(tài)變化曲線，由圖9可以看出，在整個開挖過程，開挖速度對樁端y方向側(cè)移影響都較小，這是由于樁基y方向側(cè)移只與盾構(gòu)機與土體的摩擦力以及土倉壓力有關(guān)，而與開挖速度無關(guān)。

3.2.2 不同開挖順序?qū)痘灰频挠绊?/p>

為研究不同開挖順序?qū)痘灰频挠绊懀⑾乳_挖左線再開挖右線隧道（工況1）、先開挖右線后開挖左線隧道（工況2）、雙線隧道同步開挖（工況3）3種不同開挖順序的數(shù)值模型，并比較3種工況下樁基的沉降與水平側(cè)移。

不同開挖順序下的樁端沉降如表3所示，工況2下的樁端沉降較工況1增大了0.3%，工況3與工況1相比減小了7.2%。雙線隧道同步施工時樁基的沉降明顯小于雙線隧道分步開挖時的情況，原因在于雙線隧道錯開施工時，對周圍土體有一個二次擾動的作用。

不同開挖順序下的樁身x、y方向側(cè)移分別如圖10、圖11所示。從圖10可以看出，與樁基沉降類似，工況3下樁基水平位移明顯小于工況1、工況2下的位移;從圖11可以看出，開挖順序的改變對樁基y方向側(cè)移的影響較小，這是由于樁基y方向位移只與盾構(gòu)機與土體的摩擦力以及土倉壓力有關(guān)，而與開挖順序無關(guān)。

4 工程效果驗證

由于條件限制，現(xiàn)場監(jiān)測只能測得地表沉降數(shù)據(jù)，無法獲取樁基位移數(shù)據(jù)，考慮到土體移動是導致樁基發(fā)生位移的直接原因，因此，對地表的沉降值驗證與對樁基位移的驗證在效果上應(yīng)一致，故主要分析地表沉降的實測數(shù)據(jù)。

左右線隧道均從臨安廣場站出發(fā)，經(jīng)過苕溪廊橋樁基，最后從風井出洞，分別沿隧道縱向在隧道軸線位置處選取若干監(jiān)測點、沿隧道橫向在樁基附近選取若干監(jiān)測點，進行實測數(shù)據(jù)分析。各監(jiān)測點布置如圖12所示。

圖13為盾構(gòu)機掘進進度曲線，由圖13可以看出，兩線盾構(gòu)在靠近區(qū)間風井時，掘進速度變緩，左線盾構(gòu)掘進1 181至1 191環(huán)耗時5 d，平均每天開挖2環(huán)，而掘進1 141至1 181環(huán)時平均每天掘進5環(huán);右線盾構(gòu)掘進1 169至1 179環(huán)耗時4 d，平均每天2.5環(huán)，而掘進1 129至1 169環(huán)時平均每天掘進5環(huán)。

圖14為地表縱向監(jiān)測點最終沉降，在掘進速度較慢的1 181至1 191環(huán)間的地表沉降明顯大于1 141至1 181環(huán)間的地表沉降值，而1 191環(huán)位置處地表沉降值變小，原因是盾構(gòu)出洞時需對周圍土體進行加固，從而導致該處地表沉降減小。以上分析驗證了數(shù)值模擬研究的結(jié)論：掘進速度變慢時，會導致土體沉降增大，從而導致樁基沉降增大。

圖15為地表橫向監(jiān)測點在2019年1月8日18：00至2019年1月9日6：00時間段內(nèi)的地表沉降，并與相同位置處的數(shù)值計算結(jié)果進行對比（地表位置的零值代表雙線隧道中間位置）。從圖15中可以看出，計算值與監(jiān)測值變化規(guī)律比較吻合，地表最大沉降變化值相差不大，進一步證明了數(shù)值模擬的合理性。計算結(jié)果與監(jiān)測值有所偏差，主要的原因是實際地層復(fù)雜，模型無法完全按照實際模擬，比如實際的地層是各向異性的，而模型中土層是豎直方向分層，水平方向均質(zhì)的。

5 結(jié)論

對杭州地鐵16號線某臨近樁基段盾構(gòu)工程進行數(shù)值模擬，考慮了盾尾注漿、土倉壓力、盾構(gòu)與土體的摩擦力等因素，并在每步開挖后，增加固結(jié)計算步，模擬盾構(gòu)機自重產(chǎn)生的附加應(yīng)力因固結(jié)效應(yīng)造成的地層沉降，在此基礎(chǔ)上研究了開挖速度、雙線隧道開挖次序?qū)εR近樁基位移的影響，得到以下結(jié)論：

1）在開挖面到達樁基前，樁基處于隆起狀態(tài)，隨著開挖繼續(xù)進行，樁基逐漸沉降，在隧道開挖完成時，沉降達到最大值。

2）盾構(gòu)施工會使樁基產(chǎn)生水平側(cè)移，在縱斷面上，盾構(gòu)機推進時帶動周圍土體向前移動，從而使得樁基產(chǎn)生朝開挖方向的水平側(cè)移，并呈現(xiàn)樁基下半部分向前的傾斜，樁基的總體側(cè)移及傾斜隨開挖步不斷增大，并在開挖完成時達到最大;在橫斷面上，隧道開挖造成的地層損失、圍巖壓力導致的隧道襯砌變形以及注漿壓力將會導致樁基上半部分向隧道側(cè)移動，下半部分向反方向移動，即樁基發(fā)生了傾斜，該傾斜隨開挖的進行不斷增加，在開挖完成后達到最大。

3）在開挖面經(jīng)過樁基后，加快開挖速度能有效減小樁基位移，但當開挖速度加快到一定程度時，繼續(xù)增大開挖速度對樁基位移的影響將顯著減小。且過快的開挖速度容易引起地表下沉和隆起，因此，盾構(gòu)穿越臨近樁基時，需嚴格控制開挖速度。

4）雙線隧道同步開挖時，對臨近樁基的影響比雙線隧道分步施工時小，因此，施工條件允許的情況下可以考慮雙線隧道同步施工。參考文獻：

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（編輯 胡玲）