疊線盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有建筑物樁基的位移分析

彭俊，黃戡

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的城市開始興建地鐵。地鐵可以提供高效、快速、安全的城市交通方式，提高出行效率與城市交通的現(xiàn)代化水平。由于早期城市規(guī)劃并未預(yù)先考慮地鐵線路，且對(duì)既有鄰近高層建筑物樁基進(jìn)行改造的難度較大，所以，地鐵線路的設(shè)計(jì)與施工均存在種種困難。疊線隧道不僅能減小地下空間的橫向占用面積，可以在有限的地面上提高地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行效率，且其施工主要是在地下進(jìn)行的，對(duì)城市規(guī)劃和景觀設(shè)計(jì)的影響也較小［1-3］。因此，疊線隧道工程在許多城市的地鐵建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，如：北京地鐵2號(hào)線、4號(hào)線在宣武門站附近的區(qū)間段，深圳地鐵蛇口線隧道在羅寶線隧道正下方的穿越地段及上海地鐵11 號(hào)線、4 號(hào)線徐家匯站和體育場(chǎng)站之間的四軌交疊段［4］。

地鐵疊線隧道施工大多采用盾構(gòu)施工法。在疊線隧道的掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)施工可能會(huì)引起地表沉降和地層損失，還必然會(huì)對(duì)既有鄰近建筑物樁基的穩(wěn)定性造成影響，導(dǎo)致其發(fā)生變形和破壞，甚至可能威脅到既有鄰近建筑物的結(jié)構(gòu)安全，引發(fā)次生危害［5-7］。

早在20 世紀(jì)70 年代，已經(jīng)有眾多學(xué)者對(duì)隧道盾構(gòu)施工對(duì)樁基的影響進(jìn)行了較深入的研究。在實(shí)驗(yàn)研究方面，JACOBSZ 等［8］在干砂中進(jìn)行了隧道開挖施工對(duì)相鄰單樁影響的離心模型試驗(yàn)，分析了由隧道開挖引起的地層損失對(duì)地表沉降剖面及離隧道不同距離處模型樁基沉降的影響。ONG等［9］采用離心機(jī)試驗(yàn)，分析和研究了在黏土中進(jìn)行盾構(gòu)隧道開挖對(duì)相鄰樁基的影響，發(fā)現(xiàn)樁基在黏土中的行為具有時(shí)間依賴性，主動(dòng)剪切破壞楔中張拉裂縫的發(fā)展阻止了土壓力在樁基上的充分傳遞，減小了遭到破壞后的誘導(dǎo)樁的彎矩和撓度。在理論分析方面，CHEN 等［10］使用兩階段分析法，深入探討了隧道掘進(jìn)對(duì)鄰近樁基位移的影響，其首次提出的兩階段法也是目前研究隧道對(duì)鄰近樁基影響的基本方法。MU 等［11］提出了一種基于非對(duì)稱荷載的求解樁基與層狀土位移的兩階段方法，該法未考慮樁土系統(tǒng)之間垂直相互作用力的影響，能快速地簡(jiǎn)要計(jì)算樁基承臺(tái)在層狀土中受到隧道開挖影響而產(chǎn)生的水平位移，并能分析樁-土-承臺(tái)三者之間的相互作用機(jī)理。KITIYODOM 等［12-13］基于Winkler 彈性地基梁和Mindlin 解，分析了隧道開挖對(duì)相鄰群樁的影響，并總結(jié)出單樁、群樁和承臺(tái)基礎(chǔ)的變形和荷載分布規(guī)律?？晌暮５龋?4-16］基于Loganathan 公式和Winkler地基梁模型，研究了盾構(gòu)開挖引起的鄰近群樁的豎向位移，發(fā)現(xiàn)群樁的豎向位移與隧道埋深、地層損失比、樁基直徑、土體彈性模量、樁基間距等均有密切聯(lián)系。袁海平等［17-18］采用有限差分法和樁-結(jié)構(gòu)耦合彈簧的力學(xué)分析法，分析了盾構(gòu)開挖對(duì)既有鄰近建筑物樁基的受力及變形的影響，發(fā)現(xiàn)雙盾構(gòu)連續(xù)開挖對(duì)鄰近樁基的受力性能影響具有疊加效應(yīng)。在數(shù)值模擬方面，LEE 等［19］用數(shù)值分析法，建立三維彈塑性模型，并利用該模型研究了在弱風(fēng)化巖體中隧道開挖對(duì)既有鄰近建筑物單樁和群樁的影響，該研究發(fā)現(xiàn)：隧道的開挖降低了單樁與群樁的承載力，且群樁承載力的下降幅度特別大。朱逢斌等［20］在研究盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近既有建筑物樁基的影響時(shí)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性。夏元友等［21-27］分析了盾構(gòu)隧道下穿一般路基時(shí)的群樁位移，發(fā)現(xiàn)土的加載與卸載是同時(shí)進(jìn)行的，且其對(duì)位移的影響都是成對(duì)出現(xiàn)的。雖然國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道施工的研究都已取得了較為豐碩的成果，但大部分研究仍是以單條盾構(gòu)隧道為研究對(duì)象，較少考慮疊線盾構(gòu)隧道開挖，且由于疊線隧道是在同一挖掘面上進(jìn)行施工的，需要更精確的工程設(shè)計(jì)和施工。因此，研究疊線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)既有鄰近建筑物樁基的位移影響是非常有必要的。

本研究依托于廣東省佛山市的地鐵3號(hào)線的中南海廣場(chǎng)—疊滘區(qū)間段工程，采用Midas GTS NX 有限元軟件，建立不同樁長(zhǎng)與隧道半徑比值情況下的三維有限元模型，模擬與分析疊線盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有鄰近建筑物樁基的位移影響，并將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與該模型計(jì)算得到的樁基位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與合理性。本研究著重分析在不同樁長(zhǎng)h與隧道半徑r比值情況下樁基位移的變化規(guī)律，其可為類似疊線隧道下穿、側(cè)穿既有鄰近建筑物的工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程背景

廣東省佛山市地鐵3號(hào)線南海廣場(chǎng)—疊滘區(qū)間線從佛山市南海廣場(chǎng)站出發(fā)，沿道路向北敷設(shè)，下穿人行天橋，再往西北方向下穿某建筑綜合樓等多個(gè)建筑后，兩隧道的位置由最開始的水平平行過渡為豎向平行，轉(zhuǎn)變?yōu)榀B線隧道，最終到達(dá)疊滘站。該區(qū)間線路為雙線隧道，采用盾構(gòu)施工方式。其中，左線盾構(gòu)區(qū)間起始里程為 ZDK54+018.305，終點(diǎn)里程為ZDK55+718.263，其中，短鏈里程長(zhǎng)為16.409 m，左線總線長(zhǎng)為1 683.549 m，右線盾構(gòu)區(qū)間起始里程為YDK54+018.305，終點(diǎn)里程為YDK55+718.263，右線總線長(zhǎng)為1 699.958 m。盾構(gòu)隧道在較長(zhǎng)范圍內(nèi)呈上、下交疊方式，左線隧道在下側(cè)，右線隧道在上側(cè)。區(qū)間隧道平面走向如圖1所示。

該區(qū)間盾構(gòu)段采用了兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)依次在施工左、右線進(jìn)行施工。具體的施工順序是：

1） 先在區(qū)間段的左線隧道進(jìn)行施工，從南海廣場(chǎng)站出發(fā)后，盾構(gòu)沿東南向繼續(xù)掘進(jìn)，直至疊滘站；

2） 在工程進(jìn)展至230 環(huán)后，再對(duì)區(qū)間段的右線隧道展開施工。該區(qū)間盾構(gòu)段的混凝土等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P12，管片外徑為8 m，內(nèi)徑為7.6 m。

2 數(shù)值分析法

2.1 三維模型參數(shù)

本研究采用Midas GTS NX 有限元軟件，模擬廣東省佛山市地鐵3號(hào)線的南海廣場(chǎng)—疊滘區(qū)間疊線隧道的施工過程。由于該隧道的左、右線隧道從水平平行鋪設(shè)逐漸過渡至上、下疊交的鋪設(shè)方式，為簡(jiǎn)化實(shí)際工程施工情況，本次模擬采用最不利的工況［17］，即左、右線隧道豎直平行的空間關(guān)系來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究。該有限元數(shù)值模型是建立在三維地層-隧道-樁基的實(shí)體模型之上的，在此基礎(chǔ)上，采用修正的Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型模擬素填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化沉積碎屑巖，采用彈性模型模擬強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本研究假定各土層分布均衡，主要地層物理參數(shù)見表1。

在表1 中，E50ref為三軸試驗(yàn)割線剛度。在該模型中，管片寬為2.0 m，厚為0.2 m，采用彈性實(shí)體單元模型進(jìn)行模擬；盾殼、注漿層均采用二維板單元來(lái)模擬，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2；模型中樁基采用實(shí)體單元模擬；樁-土間采用節(jié)點(diǎn)耦合模擬。根據(jù)不同樁長(zhǎng)的樁基結(jié)構(gòu)與兩隧道之間的空間關(guān)系保留部分富余空間，沿掌子面開挖方向，構(gòu)建長(zhǎng)為30 m，寬為20 m，高為60 m 的長(zhǎng)方體土體模型。假定約束地面層為自由面，約束模型土體底面位移，約束模型土體四周側(cè)面的法向位移。左線與右線隧道之間的中心線距離為12 m，左線隧道埋深40 m，右線隧道埋深為28 m。

2.2 工況

為簡(jiǎn)化既有建筑物樁基礎(chǔ)與兩線隧道之間的空間關(guān)系，設(shè)樁基的底面中點(diǎn)與兩隧道中心線的水平間距為5 m。為比較和分析不同樁長(zhǎng)h與隧道半徑r比值情況下，樁基水平位移和豎向位移的變化規(guī)律，設(shè)置5 種工況，分別討論疊線盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有建筑樁的影響研究。5 種工況的樁基樁長(zhǎng)分別為22、28、34、40、46 m，具體參數(shù)見表3。

表3 5種模擬工況Table 3 5 simulation conditions

在表3 中，h為樁基樁長(zhǎng)，r為隧道半徑，h/r即為樁基樁長(zhǎng)與半徑的比值。這5 種模擬工況的橫剖面和建模示意分別如圖2～6 所示。

圖2 工況1的橫剖面示意及建模Fig. 2 Cross-section and modeling of working condition 1

圖3 工況2的橫剖面示意及建模Fig. 3 Cross-section and modeling of working condition 2

圖4 工況3的橫剖面示意及建模Fig. 4 Cross-section and modeling of working condition 3

圖5 工況4的橫剖面示意及建模Fig. 5 Cross-section and modeling of working condition 4

圖6 工況5的橫剖面示意及建模Fig. 6 Cross-section and modeling of working condition 5

該模擬共分為34 步進(jìn)行，為更真實(shí)、有效地模擬盾構(gòu)隧道開挖施工，根據(jù)廣東省佛山市3 號(hào)線實(shí)際施工的情況，盾構(gòu)隧道采用先左線、后右線的施工順序。即先施工左線隧道，這對(duì)應(yīng)著有限元模擬的第1～17 步施工步；待左線隧道盾殼尾端通過模型后，再按類似的步驟對(duì)右線隧道進(jìn)行開挖，這對(duì)應(yīng)著有限元模擬的第18～34 步，直至開挖全部結(jié)束。

具體的施工步驟為：

步驟1：添加初始應(yīng)力場(chǎng)；

步驟2：鈍化第一環(huán)土體單元，朝掌子面法線方向激活掘進(jìn)壓力F1，并激活第一環(huán)盾構(gòu)單元和盾殼的外壓力F4；

步驟3：改變第一環(huán)管片層屬性，激活千斤頂力F3，鈍化第一環(huán)荷載F1、F4及盾殼單元；

步驟4：改變注漿層屬性，激活注漿壓力F2，鈍化第3個(gè)施工階段中千斤頂力F3；

步驟5：重復(fù)上述2～4 步，直至右線隧道第15環(huán)的注漿施工完成，退出模擬。

2.3 盾構(gòu)參數(shù)

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)開挖時(shí)，千斤頂推力F3將保持盾構(gòu)機(jī)的穩(wěn)定，以抵消驅(qū)動(dòng)力和所需的支撐土壓力。掌子面主掘進(jìn)壓力F1由千斤頂推力和刀盤切割力的軸向分力組成。注漿壓力F2在掌子面的軸向和隧道圓周向方向上變化。通常情況下，灌漿壓力將沿著盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離灌漿源的方向減少，其將隨著深度的增加而逐漸提高，且該灌漿壓力也將沿著隧道圓周運(yùn)動(dòng)方向而增加。

構(gòu)成隧道掘進(jìn)機(jī)（tunnel boring machine，TBM）掌子面向力平衡總推力的分量的表達(dá)式為

式中：Fcw為刀盤切割力的軸向分力；

Ff為盾殼的摩擦力；

Fb為土對(duì)壓力艙壁的壓力；

Fg為土對(duì)刀盤軸承的壓力；

Fce為單元切割力的軸向分量；

Fp為切割輪中心的土塞位移；

Fo為盾構(gòu)機(jī)自重。

假定隧道掘進(jìn)第i環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)壓力為F1i，注漿壓力為F2i，千斤頂力為F3i，盾殼外壓為F4i，其表達(dá)式分別為

式中：z為受力點(diǎn)到隧道中心線的距離，規(guī)定其在隧道中心線以上為正，在隧道中心線以下為負(fù)；

y為受力點(diǎn)到隧道第一環(huán)掌子面的距離。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 樁的豎向位移

計(jì)算左、右線隧道施工全部完成后樁基的豎向位移，結(jié)果如圖7 所示。當(dāng)h/r＜7（即工況1）時(shí)，樁基的最終豎向位移是-9.02 mm；當(dāng)h/r=7（即工況2）時(shí)，樁基的最終豎向位移是-7.18 mm；當(dāng)7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)，樁基的最終豎向位移是-4.84 mm；當(dāng)h/r=10（即工況4）時(shí)，樁基的最終豎向位移是-5.69 mm；當(dāng)h/r＞10（即工況5）時(shí)，樁基的最終豎向位移是-5.03 mm。

圖7 樁基的豎向位移Fig. 7 Vertical displacement of pile foundation

從圖7 可以看出，無(wú)論h/r為何數(shù)值，樁基的豎向位移均隨著底部隧道的開挖的逐步增長(zhǎng)，之后，樁基豎向位移的增長(zhǎng)隨著盾構(gòu)機(jī)沿掘進(jìn)方向遠(yuǎn)離樁而逐步放緩，大約在第14 個(gè)施工步時(shí)，這些樁基的豎向位移增長(zhǎng)開始停滯，但從第20 個(gè)施工步開始，這些樁基的豎向位移的增長(zhǎng)又開始加速，直至開挖完成，樁基的豎向位移逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)h/r＜7（即工況1）時(shí)，疊線隧道掘進(jìn)對(duì)樁基的影響最大，此時(shí)樁基的豎向位移是所有工況中最大的。這是由于當(dāng)h/r＜7時(shí)，樁基周圍土體的土體彈性模量比其他土體的彈性模量小，樁基承受了更多的土體荷載，隧道開挖造成的土體受擾動(dòng)也更大，且當(dāng)盾構(gòu)開挖完成后，對(duì)土體的注漿硬化及土體固結(jié)沉降等會(huì)促使樁體進(jìn)一步下沉。其樁基豎向位移變化如圖8所示。

圖8 工況1的土體豎向位移變化示意Fig. 8 Vertical displacement of soil in condition 1

當(dāng)7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)，疊線隧道開挖對(duì)樁基豎向位移的影響最小，此時(shí)的樁基的最大豎向位移是所有工況中最小的，其樁基的豎向最大位移僅為-4.84 mm，與h/r＜7（即工況1）時(shí)的樁基的最大豎向位移-9.02 mm 相比，該值減少了46.3%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)盾構(gòu)隧道開挖開始后，隧道中心線上部的土體發(fā)生了沉降，中心線下部的土體則向上隆起，這種土體間此長(zhǎng)彼消的作用抵消了一部分位于兩線隧道之中的樁基豎向位移［18］。

當(dāng)h/r=7（即工況2）時(shí)，樁基的最大豎向位移較h/r＜7（即工況1）時(shí)的樁基的最大豎向位移減少了20.4%；當(dāng)h/r=10（即工況4）時(shí)，樁基的最大豎向位移較h/r＜7（即工況1）時(shí)的樁基的最大豎向位移減少了36.9%；當(dāng)h/r大于10（即工況5）時(shí)，樁基的最大豎向位移較h/r＜7（即工況1）時(shí)的樁基的最大豎向位移減少了44.2%。在這3 種工況下，樁基的最大豎向位移下降非常顯著，這是由于這3 工況均采用了長(zhǎng)樁，而長(zhǎng)樁能充分發(fā)揮其下部樁身的側(cè)摩阻力，減少了樁基的豎向位移。一般來(lái)說，盾構(gòu)隧道開挖引起的長(zhǎng)樁樁基的豎向位移小于短樁樁基的豎向位移［19］。

3.2 樁基的水平位移

計(jì)算左、右線隧道施工全部完成后樁基的水平位移，結(jié)果如圖9 所示。當(dāng)h/r＜7（即工況1）時(shí)，樁基的最終水平位移為2.46 mm，當(dāng)h/r=10（即工況2）時(shí)，樁基的最終水平位移為3.45 mm，當(dāng)7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)，樁基的最終水平位移為3.87 mm，當(dāng)h/r=10（即工況4）時(shí)），樁基的最終水平位移為3.61 mm，當(dāng)h/r＞10（即工況5）時(shí)，樁基的最終水平位移為3.66 mm。

圖9 樁基水平位移Fig. 9 Horizontal displacement of pile foundation

從圖9 可以看出，樁基的水平位移隨底部隧道的掘進(jìn)的進(jìn)行而不斷增大，直至掘進(jìn)完成，樁基的水平位移達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其中，當(dāng)7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)，疊線隧道對(duì)樁基的水平位移的影響最大。這是因?yàn)槎軜?gòu)隧道開挖會(huì)造成周圍土體向隧道中心產(chǎn)生擠壓，而疊線隧道中兩條隧道中心線的中點(diǎn)位置受隧道疊交效應(yīng)的擾動(dòng)最大［20］。

從圖9 還可以看出，當(dāng)h/r＜7（即工況1）時(shí)，疊線隧道開挖對(duì)樁基水平位移的影響最小，此時(shí)的樁基水平位移比7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)的樁基水平最大位移3.87 mm 減少了36.4%。這是因?yàn)殡x隧道中心線距離越遠(yuǎn)，土體受盾構(gòu)隧道開挖影響越?。?1］。當(dāng)h/r＜7（即工況1）時(shí)，土體不僅離隧道中心線較遠(yuǎn)，且其埋深比h/r＞10（即工況5）時(shí)的埋深更小。當(dāng)h/r=7（即工況2）時(shí)，樁體平行于右側(cè)隧道的中心線，當(dāng)h/r=10 時(shí)（即工況4）時(shí)，樁體平行于左側(cè)線隧道中心線。但是比較這兩種情況下的樁體埋深可知，當(dāng)h/r=7（即工況2）時(shí)的樁基的埋深比當(dāng)h/r=10（即工況4）時(shí)的樁基的埋深更小，所以當(dāng)h/r=7（即工況2）時(shí)的樁基水平位移小于當(dāng)h/r=10（即工況4）時(shí)的樁基水平位移。h/r=7（即工況2）時(shí)的樁體的水平位移比7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)的樁基水平位移減小了10.8%；當(dāng)h/r=10（即工況4）時(shí)的樁基的水平位移7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)的樁基水平位移減小了6.7%；h/r＞10（即工況5）時(shí)的樁基的水平位移7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)的樁基水平位移減小了5.4%

這5個(gè)工況的樁都設(shè)定在隧道的左側(cè)（即y軸負(fù)方向），故樁的水平位移都為正值，如圖10左側(cè)上方深色區(qū)域所示。當(dāng)模擬樁都位于隧道的右側(cè)（即y軸正方向）時(shí)，樁的水平位移都為負(fù)值，如圖10中右側(cè)上方深色區(qū)域所示。

圖10 土體水平位移變化示意Fig. 10 Horizontal displacement of soil

4 工程監(jiān)測(cè)值對(duì)比

由于樁基的豎向和水平位移對(duì)于地面建筑物的安全穩(wěn)定性有著較大的影響，故通過對(duì)地面既有建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并繪制樁基位移變化曲線來(lái)分析和研究疊線盾構(gòu)隧道開挖對(duì)其既有鄰近建筑物樁基的具體影響。在廣東省佛山市地鐵3號(hào)線南海廣場(chǎng)—疊滘區(qū)間線疊線隧道開挖工程中，當(dāng)盾構(gòu)開挖施工穿越建筑物樁群時(shí)，為保證鄰近既有建筑物的安全，已做好了監(jiān)控量測(cè)工作，將監(jiān)測(cè)得到的不同樁長(zhǎng)的5個(gè)工況的鄰近既有建筑物水平及豎向位移數(shù)據(jù)，與本研究的有限元數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果分別如圖11～15所示。

圖11 工況1模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比Fig. 11 Comparision of simulation and monitoring of condition 1

圖12 工況2模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比Fig. 12 Comparision of simulation and monitoring of condition 2

圖13 工況3模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比Fig. 13 Comparision of simulation and monitoring of condition 2

圖14 工況4模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比Fig. 14 Comparision of simulation and monitoring of condition 4

圖15 工況5模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比Fig. 15 Comparision of simulation and monitoring of condition 5

從圖11～15中可以看出，本次模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差基本吻合。其中，當(dāng)7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)，水平位移模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相差較大，兩者差值的絕對(duì)值達(dá)到了1.75 mm，相對(duì)誤差約為25%，但該相對(duì)誤差仍滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2011）與《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）這兩個(gè)規(guī)范中的要求。其余4 個(gè)工況的相對(duì)誤差約為7%～16%。具體情況如下：

1） 當(dāng)h/r＜7（即工況1）時(shí)，模擬的豎向位移比實(shí)際豎向位移大0.72 mm，高出約8.7%，模擬水平位移比實(shí)際水平位移大0.44 mm，高出15.2%；

2） 當(dāng)h/r=7（即工況2）時(shí)，模擬豎向位移比實(shí)際豎向位移大0.57 mm，高出8.6%，模擬水平位移比實(shí)際水平位移大0.18 mm，高出5.5%；

3） 當(dāng)7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)，模擬豎向位移比實(shí)際豎向位移大0.69 mm，高出16.6%，模擬水平位移比實(shí)際水平位移小1.76 mm，降低25.3%；

4） 當(dāng)h/r=10（即工況4）時(shí)，模擬豎向位移比實(shí)際豎向位移小0.61 mm，降低了9.7%，模擬水平位移比實(shí)際水平位移小0.69 mm，降低16.1%；

5） 當(dāng)h/r＞10（即工況5）時(shí)，模擬豎向位移比實(shí)測(cè)豎向位移減少了1.37 mm，高出約21.4%，模擬水平位移比實(shí)際水平位移小1.76 mm，降低了22.0%。

從圖7、圖9 與圖11～15 的對(duì)比中還可發(fā)現(xiàn)，既有建筑物樁基的實(shí)測(cè)水平位移和實(shí)測(cè)豎向位移變化趨勢(shì)比本研究有限元模型得到的結(jié)果略小。隨著盾構(gòu)隧道掌子面的推進(jìn)，鄰近既有建筑物樁基的水平和豎向位移都是逐步增大，且在管片拼裝、灌漿等施工工序結(jié)束后，兩者均趨于穩(wěn)定［28-29］。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)7＜h/r＜10（即工況3）時(shí)，樁基豎向位移最小，水平位移最大；當(dāng)h/r＜7（即工況1）時(shí)，樁基豎向位移最大，水平位移最小，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。這些均表明該有限元模型能準(zhǔn)確、有效地預(yù)測(cè)疊線盾構(gòu)隧道對(duì)既有建筑物樁基礎(chǔ)的水平位移與豎向位移的影響。

5 結(jié)論

本研究以廣東省佛山市地鐵3 號(hào)線的南海廣場(chǎng)—疊滘區(qū)間工程為背景，采用Midas GTS NX 有限元軟件，建立該區(qū)間段疊線隧道開挖過程的三維有限元模型，分析在不同樁長(zhǎng)h與不同隧道半徑r比值情況下，疊線盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有鄰近建筑物樁基的位移影響，得出結(jié)論：

1） 既有鄰近建筑物樁基的豎向位移和水平位移數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際樁基位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差較小，該模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，對(duì)類似疊線隧道工程的安全監(jiān)測(cè)具有指導(dǎo)意義；

2） 樁基的豎向位移隨樁端埋深的增大而減小。盾構(gòu)開挖引起的地層損失使隧道軸線上方土體產(chǎn)生沉降，隧道軸線以下土體在開挖卸荷作用下產(chǎn)生回彈，這兩者共同作用使得位于疊線隧道之間的樁頂豎向位移最小，該最小值為-4.84 mm。

3） 樁基的水平位移隨樁基埋深的增大而增大。在上、下疊線隧道的中心連線的中點(diǎn)位置附近，樁基受隧道開挖的疊交擾動(dòng)效應(yīng)最大，因此樁基位于上、下疊線隧道之間的樁頂水平位移也最大，該最大值為2.46 mm。

綜上所述，在實(shí)際的疊線隧道開挖過程中，上、下疊線隧道在穿越既有鄰近建筑物樁基時(shí)，應(yīng)盡可能將下方隧道軸線設(shè)計(jì)于樁基標(biāo)高線以上，避免隧道在樁底標(biāo)高線以下開挖導(dǎo)致樁端出現(xiàn)承載力損失。當(dāng)發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)模型的樁基位移過大時(shí)，可提前采用袖閥管注漿對(duì)土體進(jìn)行加固，防止樁基產(chǎn)生過大位移，影響既有鄰近建筑物的安全。