樁基荷載對既有大直徑盾構隧道的影響分析

裴孟德

（上海建科檢驗有限公司，上海市 201108）

0 引言

近十幾年來，城市大直徑盾構隧道的建設數量和規模呈井噴式發展。以上海為例，已建通車的直徑11 m級盾構隧道10條，直徑14 m級盾構隧道4條，直徑15 m級盾構隧道2條。目前，在建的諸光路、周家嘴路、沿江通道、北橫通道、江浦路、龍水南路等隧道工程均采用直徑11～15 m級盾構實施。盾構隧道結構以數塊管片拼裝而成，其整體性不及現澆結構。當存在外部超載干擾時，大直徑盾構隧道存在結構變形和滲漏水的風險。在城市建設中，不可避免地存在樁基臨近隧道施工的情況。分析樁基荷載對既有隧道的影響，針對性做好風險預測關乎隧道結構穩定和運營安全，至關重要。

目前，國內較多學者研究了樁基對地鐵隧道的影響。閆靜雅[1]等分析了上海太平洋2期廣場工程對臨近地鐵1號線的影響，結果表明隧道變形以沉降為主，水平位移較小，隧道結構向樁基礎方向產生一定扭曲。路平[2]等借助某立交橋工程，運用數值手段分析橋墩基礎施工及運營期對天津地鐵2號線盾構隧道的影響。樁基正常施工對隧道結構產生的影響可以忽略不計。隧道內力和變形主要集中在樁基加載階段。呂寶偉[3]通過數值結果和實測數據對比分析，鋼護筒的使用和地基加固能有效減少樁基施工對既有地鐵隧道的影響。翁效林[4]等運用離心模型試驗，分析西安東環廣場樁基對鄰近地鐵隧道結構的影響。樁基承載所引發附加應力會在隧道結構體產生應力集中效應，隧道拱腰部位是附加荷載的主要承受區。

然而，道路隧道相比地鐵隧道直徑大1倍或更多，相比地鐵隧道樁基荷載對大斷面隧道結構的影響存在較多不確定性。目前，國內樁基荷載對大直徑盾構隧道影響的研究報道尚少。本文借助某橋梁工程，通過有限元計算和實測分析，研究橋梁樁基礎對大直徑盾構隧道結構的影響規律，為相似工程所借鑒。

1 平面有限元計算

1.1 工程概況

上海某既有道路隧道采用盾構法施工，結構外徑11.36 m（見圖1）。隧道主體結構采用0.5 m厚預制鋼筋混管片拼裝成型，混凝土等級為C55，抗滲等級為P12。新建人行天橋基礎承臺邊緣與盾構隧道最小間距約8 m（見圖2），該處盾構隧道覆土深度約19.5 m（見圖3）。樁基采用直徑1 m鉆孔灌注樁，設計樁長45 m。承臺尺寸為4.5 m×4.5 m×2 m，承臺下共4根樁，間距3.5 m。

圖1 盾構隧道橫斷面（單位:mm）

圖2 天橋基礎與盾構隧道平面位置關系

圖3 天橋基礎與盾構隧道剖面位置關系

1.2 計算模型

（1）幾何模型

借助平面有限元軟件建立樁基對盾構隧道影響數值模型，網格劃分見圖4。模型寬100 m，高80 m，模型底部僅約束豎向位移，兩側僅約束水平位移。

（2）模型參數

圖4 有限元模型

土體簡化為水平向均質土層，采用15節點平面應變單元模擬，土體力學模型采用Hardening-Soil模型。Hardening-Soil模型是一種較好模擬基坑開挖卸載性狀的彈塑性土體模型。模型的一個基本特點就是土體剛度對應力狀態的依賴性，在排水三軸試驗情況下，軸向應變與偏應力之間為雙曲線關系，其在p平面上的形狀與MC模型相同，且使用MC破壞準則描述極限狀態，可以模擬應力增量隨應變逐漸減小的硬化現象[5]。巖土強度采用三軸試驗剛度（E50）、三軸卸載/再加載剛度（Eur）和固結儀荷載強度（Eoed）描述。各剛度定義的公式分別為：

式中：E為圍壓pref50%強度下割線模量；為圍壓pref下卸載/加載模量；為主固結儀加載中的切線剛度；m為剛度應力水平相關冪指數；c為粘聚力（kPa）；φ為內摩擦角（°）。

在不排水條件下模擬樁基施工，地下水位取為地面以下0.5 m，不考慮地下水的滲流作用。鉆孔灌注樁和承臺樁基根據剛度等效原則進行剛度折減，采用板單元模擬。板單元與土體設置接觸單元模擬結構與土的共同作用。承臺上方荷載等效成均勻荷載，荷載值為315 kPa。隧道結構采用板單元模擬，彈性模量E=34.5 GPa，泊松比υ=0.18，重度ρ=25 kN/m3。地層主要物理力學參數見表1。

（3）計算過程

a.建立樁基和盾構隧道數值模型，計算初始應力，清除初始位移。

b.激活盾構隧道單元，殺死內部土單元，地層損失率根據施工經驗定為1%。

表1 土層物理力學參數

c.激活樁基單元前，清除初始位移。激活樁基礎單元。并施加豎向荷載。

d.計算完成，輸出計算結果。

2 影響分析

2.1 實測數據與模型驗證

樁基施工前，在隧道臨近樁基一側拱腰處和隧道車道板中心處分別布置水平位移和沉降監測點。從實測數據看，樁基施工過程中，隧道水平位移較小，基本處于-2 mm以內（負值代表向樁基方向）。當樁基承受上部荷載后，隧道監測點遠離樁基方向位移明顯加大，最終位移值穩定在1 mm左右（見圖5）。樁基施工導致隧道產生一定量的沉降，沉降數值約2.2 mm（見圖6）。當施加上部荷載以后，沉降明顯加大，最大值約5.4 mm。伴隨時間推移，隧道后期沉降有收斂趨勢，逐漸穩定在5 mm左右。

圖5 隧道拱腰處水平位移(實測值)

圖6 隧道車道板沉降(實測值)

由于無法監測到隧道拱底沉降，將車道板沉降近似等效為拱底沉降。計算結果顯示，拱腰處水平位移值1.5 mm，隧道拱底沉降4 mm（見表2）。將實測數據與計算結果進行對比，計算值與實測數據誤差較小。因此，本數值模型能夠反應出樁基荷載下臨近隧道的變形規律。

表2 實測數據與計算值對比表

2.2 作用機理與影響規律

（1）成樁過程

鉆孔灌注樁施工采用常規的泥漿護壁成孔方式。泥漿配比不足時，孔壁易產生收縮進引起土層損失。成孔過程引發的土層損失，是前期地層變位的主要原因。

成樁階段，隧道向樁基方向發生沉降和側移，相比受荷階段位移值較小。合理提高泥漿配比，甚至在成孔時采用全程鋼護筒，可以有效減少土層損失，降低隧道變形的風險。

（2）樁基受荷過程

上海地區主要為濱海沉積相的軟弱土層，樁基承受上部荷載后，樁基承載力主要來源于樁周側摩阻力。在樁周摩阻力的作用下，樁周形成一定范圍內的剪切帶。剪切效應帶動周邊土體產生地層變位，距離樁基越遠剪切效應影響越弱。圖7為土體沉降計算云圖，剪切效應帶動周邊土體發生沉降，進而波及到隧道結構。土體最大沉降約8.5 mm，隧道結構最大沉降約4 mm。圖8為土體水平位移計算云圖，剪切效應導致隧道臨近樁基側產生附加應力，隧道被向外和向下擠壓，最大水平位移約1 mm。

圖7 土體沉降云圖

樁基受荷后，剪切效應對臨近隧道結構產生內力和變形的影響，同時隧道結構也影響著地層應力的重分布。地層和隧道結構產生的響應都是結構與土共同作用的結果。當樁基和隧道間距加大后，理論上隧道與樁、土之間的共同作用有所減弱。基于數值模型，當隧道與樁基間距由8 m加大至22 m時（約2D，D為隧道結構外徑），隧道沉降和側移非常小，可忽略不計。控制樁基與臨近隧道間距是減少隧道結構變形和滲漏水風險的關鍵措施，建議將樁與隧道間距控制在2倍隧道結構外徑以上。

圖8 土體水平位移云圖

此外，樁基長期荷載作用下地層仍然會產生蠕變位移，對隧道結構依然存在一定的影響，目前國內外尚沒有較成熟的研究結論。鑒于此，隧道管養部門仍然需要重視隧道結構內力和變形的長期發展，對管片加強巡視和監測。

3 結語

借助平面有限元程序，建立樁基對大直徑盾構影響的數值模型，通過實測數據和數值計算結果對比分析，主要得出以下結論：

（1）實測數據顯示，成樁過程中臨近隧道產生相對少量的位移。隧道向下和向樁基方向發生變位。當樁基受荷后，隧道位移量明顯加大，隧道向下和向遠離樁基方向發生變位。

（2）平面有限元模型，能夠模擬樁基受荷的短期行為，與實測數據規律相似，數值相差較少。

（3）樁基成孔過程引發的土層損失，是前期地層變位的主要原因。合理提高泥漿配比，甚至在成孔時采用全程鋼護筒，可以有效減少土層損失，降低隧道變形的風險。

（4）樁基受荷后，樁周形成一定范圍內的剪切帶。剪切效應引發結構與土的共同作用，進而使地層和結構產生應力應變響應。當樁基與隧道間距在2倍隧道結構外徑以上時，隧道沉降和側移可得到有效控制。

（5）此外，樁基長期荷載作用下地層仍然會產生蠕變位移，對隧道結構依然存在一定的影響。建議隧道管養部門重視隧道結構內力和變形的長期發展，加強巡視和監測。

[1]閆靜雅,張子新,黃宏偉,等.樁基礎荷載對鄰近已有隧道影響的有限元分析[J].巖土力學,2008,29（9）:2508-2514.

[2]路平,鄭剛.立交橋樁基礎施工及運營期對既有隧道影響的研究[J].巖土工程學報,2013,35（S2）:923-927.

[3]呂寶偉.超臨界橋樁基施工對既有隧道影響數值與實測分析[J].鐵道標準設計,2017,61（3）:103-107.

[4]翁效林,孫騰,馮瑩.樁基礎承載過程對近距離地鐵隧道影響機制分析[J].哈爾濱工業大學學報,2016,48（3）:138-142.

[5]張 飛,李鏡培,唐 耀.考慮土體硬化的基坑開挖性狀及隆起穩定性分析[J].水文地質工程地質,2012,39（2）:79-84.