地鐵旁穿橋梁樁基礎數值模擬

苗 峰，唐德金

（大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622）

0 引言

樁基礎具有承載力高，穩定性好，沉降變形小的優點，被廣泛的應用在高層建筑、大型橋梁的基礎中[1]。隨著城市交通建設的發展，地鐵以其特有的交通優點受到大量城市的青睞，大量的城市處在建設地鐵的高峰期。其中盾構法為目前修建地鐵隧道的主要施工方法，對周圍環境影響小且施工安全快速[2,3]。地鐵的建設在地層中遇到的環境越來越復雜，不可避免地會近接或穿越已有的樁基礎。地鐵盾構施工造成地下土體損失，隧道附近應力場發生變化，地面和樁基發生沉降變形，樁基承載力降低，樁的力學性能發生變化，存在一定的風險。因此在施工前應就隧道開挖對樁基礎的影響進行安全評估，采取相應措施，保證隧道能順利通過既有樁基礎[4-6]。

大連地鐵促春區間隧道穿越高架橋樁基礎，由于大連地區工程地質和水文地質條件及施工環境比較復雜，工程誘發產生的風險極大并且沒有可以利用的資料，通過有限元軟件建模分析，對大連地鐵隧道穿越橋基的施工提供了理論依據、工程指導，同時也為大連地區同類型工程提供了指導借鑒作用。

1 工程背景

1.1 工程地質條件

大連地鐵香沙區間地鐵隧道地層條件比較復雜。地表覆蓋素填土雜填土等，并且存在強風化和中風化巖層。根據《巖土工程勘察報告》，土體的物理力學參數如表1 所示。

表1 土體的物理力學參數

1.2 工程概況

大連地鐵202 標盾構區間段始于促進路站終于春光街站，區間設計范圍為線長997.726 m。隧道拱頂覆土最大20 m，最小11.2 m，本階段地鐵隧道埋深為16 m 左右。隧道開挖的直徑為6.2 m，采取盾構施工法。隧道地層條件為石質，地表覆蓋細角礫土，下部為頁巖和石英砂巖。設計按Ⅳ級圍巖防護。

地鐵盾構開挖旁穿附近的立交橋樁基礎，基礎為鉆孔灌注摩擦樁，樁徑2 m，樁長25 m。隧道埋深15.8 m，樁中心距隧道外徑為3.2 m。樁基混凝土強度等級為C30，單樁設計豎向承載力3000 kN；右線隧道距離橋梁樁基平面距離較近.，平面距離為1.1 m。

2 有限元模型

建模時選取模型尺寸為60×80×40 m (X×Y×Z)，整體模型包括 4 個地層，其中素、雜回填土、強風化、中風化板巖采用M-C 模型，樁體單元屬性為梁，模型類型為彈性，樁土間摩擦效應采用面—面接觸模擬，本構關系采用摩爾—庫倫線彈塑性模型。襯砌管片為噴射混凝土，樁體、隧道襯砌、盾構殼體均采用8 節點線彈性板單元模擬，樁-土、盾殼-土體和襯砌-土之間均設置接觸面單元。共有計算單元11280 個，計算節點135060 個。模型頂為自由面，底面加雙向約束，左右邊面的邊界條件為水平約束，前后面的邊界條件為水平約束，樁體頂面的約束為自由。

3 結果分析

隧道盾構開挖使得周圍土層發生位移，并且影響到周圍樁基礎的應變，樁體的變形包括豎向沉降變形和水平方向變形。

3.1 樁體豎向位移結果分析

由圖1 可知，在step-22 以后，樁體的沉降逐漸增大，在step-27 時，樁頂的豎向位移為8 mm，樁端的豎向位移為7 mm，比樁頂小1 mm。在step-37 前后，樁體沉降變化較大，此時盾構機已經穿越樁基。隨著開挖面逐漸接近樁基，樁基的豎向沉降逐漸變大，施工完成時，樁基的豎向沉降達到最大值，最大的沉降發生在樁頂位置。樁端的豎向沉降因為樁端持力層的承載力大和樁側摩阻力的阻礙作用，從而導致樁端的沉降值比樁頂的沉降小。

圖1 不同施工階段的樁體豎向沉降位移

3.2 樁體水平位移結果分析

不同施工階段樁體水平位移如圖2 所示；掘進過程中，盾構機千斤頂的頂推力用以平衡前方巖土體的壓力，同時也存在摩擦力，這種摩擦作用對土體的干擾是不可避免的。在這兩種外力的作用下，step-10時，樁頂以下，樁體受盾構的剪力而向前移動，主要表現為正值，并且隨著隧道的掘進而增大，在step-22時，樁端的最大水平位移值為3.50 mm。當盾尾通過后，千斤頂向后的作用力，使周邊的土體向后移動，step-27 以后樁端的位移有所減小，加上地層的損失率的影響，樁頂端的位移背離盾構前進方向，主要表現為負值。

圖2 不同施工階段的樁體水平位移

3.3 樁體的軸力結果分析

如圖3 所示，隨著開挖推進，在樁身距樁頂部0~10 m 的范圍內樁身的軸力基本不變，10 m 以下樁周圍土層產生很小的正摩阻力，樁體軸力有減小的趨勢。在step-22 時，盾構機開始旁穿樁體，盾構開挖使得周圍土體損失，造成樁周土體沉降量增大，由于樁周土體沉降量大于樁體沉降量，而產生負摩阻力，使得樁體的軸力增加。在step-37 時，軸力達到最大值。隨著隧道的掘進，樁身軸力值和樁側摩阻力達到穩定狀態。

圖3 不同施工階段的樁體軸力

3.4 地表沉降結果分析

開挖隧道，引起的地層的損失，地表發生沉降。從圖4 隧道開挖起始面最終位移云圖可以清楚的看到土體的位移變化規律。隧道上面的土體向下沉降，底部土體向上回彈。

從圖5 隧道施工引起的樁基上方的地表沉降曲線可以看出，step5 開始，沉降越來越大，step37 時達到最大值27.5?？拷淼酪粋鹊耐馏w變形大于另一側，最大沉降發生在隧道上方。并且離隧道中心線越遠，其變形值越小。

圖4 盾構開挖起始面最終位移云圖

圖5 不同施工階段的地表沉降曲線

4 結論

（1）隧道開挖對樁基及周圍土體有一定的影響，隧道深度范圍以內，樁體變形相對較大，隧道周圍樁體變形較大，當隧道開挖至樁基斷面附近時，樁基的變形發展相對較快。

（2）隧道開挖各步對樁的內力變化有較大的影響，樁體軸力在樁頂處較大，隨著深度的增加變化很小，在10～15 m 范圍內因土層沉降而使得樁軸力有較大的增加。

（3）樁周土層沉降曲線在樁中心處沉降值最大，兩側離樁軸線越遠，其沉降值越來越小，符合peck所提出求解隧道開挖引起土體位移的正態分布計算方法。

（4）大連地區地質條件復雜，城市地鐵盾構開挖過程中所遇到的環境比較復雜，通過對大連地鐵旁穿橋梁樁基的數值模擬，對施工提供了理論依據、工程指導，同時也為大連地區同類型工程提供了指導借鑒作用。

[1] 劉金礪, 高文生, 邱明兵. 建筑樁基技術規范應用手冊[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2010.

[2] 周文波. 盾構法隧道施工技術及應用[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2004.

[3] Manuel M, Luis M, Jose M R, Prediction and analysis of subsidence induced by shield tunneling in the madrid metro extension[J].Canadina Geotechnical Journal, 2002, 39(6): 1273-1287.

[4] A pastsakon kitiyodomny, Tatsunori Matsurmoto kanji kawaguchi. Simplified analysis method foe pile raft foundation subjected to ground movements indeced by tunneling [J]. International journal for numerical and Analytical in Geomechanics. 2005(29): 1485-1507.

[5] 張志強, 何川. 地鐵盾構隧道近接樁基的施工力學行為研究[J]. 鐵道學報, 2003,25(1): 92-95.

[6] 李進軍, 王衛東, 黃茂松, 等. 地鐵盾構隧道穿越對建筑物樁基礎的影響分析[J]. 巖土工程學報, 2010(S2): 166- 170.