盾構隧道近距側穿施工對建筑物樁基的影響研究

劉先亮，王臨波

(浙江工業大學 建筑工程學院 杭州市 310023)

在城市地下隧道建設中，新建地下工程不可避免地與原有地下結構相互影響，這必然會影響周圍建(構)筑物的安全使用。其中隧道側穿鄰近樁基的工程案例也越來越多。因此，研究隧道開挖對樁基影響具有十分重要的工程意義。

國內外學者在這方面也做了不少的研究與探討[1-7]。如楊曉杰[1]采用三維拉格朗日有限差分法數值模擬方法，分析得到了位于隧道正上方近距樁受隧道上半部分開挖的影響十分明顯。N. Loganathan等[2]通過離心機模型試驗得出了隧道開挖引起的擾動對臨近樁基的影響。Chen L T等[3]也通過數值模擬研究過盾構施工對樁的影響。

1 工程概況

以寧波市軌道交通4號線某盾構區間側穿寧波某金屬制品有限公司樁基工程為背景。如圖1和圖2所示，區間內樁基采用振動沉管灌注樁，樁長31.2m，樁底標高-33.1m；隧道側穿樁基，與樁基水平距離為1.60～11.60m，最小距離僅1.60m，風險等級為Ⅱ級。隧道近接施工將引起既有樁基產生較大的位移和反力，產生偏向隧道水平方向“拉伸”變形情況，嚴重影響樁基礎的安全使用。

區間隧道外徑6.2m，內徑5.5m，左右線間距為12m，距樁基頂10.51～11.80m，如圖2所示。由上至下地層情況依次為：①雜填土②黏土③淤泥質黏土④黏土⑤淤泥質粉質黏土⑥粉質黏土⑦淤泥質黏土⑧黏土。

圖1 隧道與樁基平面位置關系

圖2 隧道與樁基平面位置關系(單位：m)

2 計算模型概況

根據巖土勘察報告提供的地層參數，采用巖土有限元軟件Midas GTS NX，對某盾構區間側穿寧波某金屬制品有限公司樁基工程施工進行仿真模擬。

根據隧道與樁基、承臺的相對位置關系，建立100m×60m×40m(L×W×H)的數值模型，共有59361個單元，11323個節點，見圖3。計算采用摩爾庫倫準則，3D計算模型土體分為8層，層厚、彈性模量、泊松比等具體土體參數見表1。盾構和注漿采用2D板單元，厚0.06m，樁基位1D梁單元，樁徑為0.426m，長31.2m。隧道與樁基位移關系及研究樁基編號見圖4。為了簡化模型，將上部廠房轉換成均布荷載施加在承臺上，為23.47kN/m2。同時，為了探究注漿支護對樁基的影響，數值模型計算了兩種工況：未注漿工況和注漿支護工況。在模型中，隧洞一次盾構開挖，每步開挖2m，盾構設置和開挖同步進行，用改變單元屬性的方法反映盾構的依次推進并同時安裝襯砌管片。

圖3 三維計算模型

土層名稱層厚/m彈性模量/MPa泊松比μ密度ρ/(kg/m3)粘聚力c/kPa摩擦角φ/°①雜填土0.72.000.3119.0525②黏土1.613.860.3119.128.113.2③淤泥質黏土1.98.070.3917.612.78.9④黏土0.99.480.3118.214.59.6⑤淤泥質粉質黏土9.38.520.3517.813.99.4⑥粉質黏土7.811.440.3218.614.310.4⑦淤泥質黏土5.88.220.3517.218.710.7⑧黏土12.08.730.3317.522.611.9

圖4 樁與隧道位置關系

3 數值計算結果分析

3.1 隧道開挖對樁基影響

圖5 樁基位移云圖

根據模擬設計方案，對盾構近距側穿寧波某金屬制品有限公司樁基工程施工力學行為進行了模擬計算。圖5顯示了隧道開挖完成后的樁基位移變化情況，由圖5可知位移最大處發生在距離隧道最近的樁基處，距樁頂10.8m，最大位移為16.25mm；最小位移發生在距隧道遠處的樁基的樁端位置，為7.46mm。在模型中，隧道中心距樁頂垂直距離為14.1m，而樁基位移集中處(即紅色區域)距樁頂約9～15m，即圖5表明樁基位移多發生在隧道拱頂附近的區域，并且離隧道越近，位移越大，這是因為在隧道開挖時，地層土體向隧道徑向方向變形收斂，發生擾動，使樁基產生變形，并且由于上部建筑物荷載作用，加劇了樁基位移。而最大位移值及最小位移值的位置表明樁基越靠近隧道，開挖擾動對樁基變形影響越大。

圖6 開挖過程中樁基位移歷程曲線

因樁基數量過多，為節省篇幅，研究隧道開挖過程中對樁基位移的影響，選取1#～5#號樁基進行重點研究分析。所選樁基如圖4所示。

圖6為隧道在開挖時，5根樁基的位移隨開挖步增加而變化的位移曲線圖。1#樁在前期階段(1～7步)增長幅度略大，而在中間階段(7～20)位移呈跳躍式上升，位移從3.58mm增至16.92mm，位移變化13.34mm，占1#樁基總位移的75.4%，并在21～30步開挖中平緩上升至最大位移17.70mm，然后緩慢降低并漸漸趨于平穩，最后開挖完成后的位移值為16.25mm。相較于1#樁，2#樁基可以分為三個階段，即緩慢增長階段、快速增長階段、平穩階段。2#樁在前期增長幅度很小，1～11步僅增加1.48mm，而在11～29位移急劇增加，從1.48mm增加到14.93mm，增加13.45mm，占總位移86.4%，其后緩慢增加并平穩波動，至開挖完成后，2#樁基位移為15.57mm。3#～5#樁與2#樁具有相似的位移趨勢。

通過對1#～5#樁的數據分析，可以看出樁基位移急劇增加的開挖步范圍大致相等，約15步，而模型每步開挖2m，并且影響范圍對稱分布，即影響樁基變形的開挖范圍大致為樁基斷面前后15m。1#樁距初始開挖面19.64m，接近位移快速增加的開挖范圍，因此在前幾步范圍內位移就有較大的增長，也是1#樁與2#～5#樁的不同之處。因此，在開挖距樁基位置15m范圍時，要注意盾構掘進對樁基的擾動，及時支護與注漿，加強監測，以減少開挖對土體和樁基的擾動。

3.2 注漿對樁基的影響

圖7 不同工況下的樁基位移歷程曲線

圖7為注漿和未注漿工況的1#樁的位移曲線圖。從圖中可以看出，兩者的位移曲線具有相同的趨勢。兩工況下的位移曲線在初期開挖階段重合，表明在未進入影響范圍時，無論注漿與否，初期開挖對樁基位移的影響相同。但是在位移快速增加階段，未注漿的樁基位移明顯比注漿工況增加的快，至開挖結束，未注漿工況下，樁基位移為18.29mm，注漿工況下，樁基位移為16.25mm，減少2.04mm，占比11.2%。經分析可得，在注漿加固的情況下，加強了樁周土體的強度和剛度，降低樁的變形，表明了注漿加固有利于減小盾構開挖對樁基的擾動，對樁基的整體穩定性有著一定作用。

4 結論

通過數值模擬，對盾構近距離側穿建筑物樁基的變形規律進行了研究，得出如下主要結論：

(1)樁基與隧道的橫向距離直接影響樁基變形大小。數值模擬結果表明，開挖完成后，樁基的位移最大值為16.25mm發生在最靠近隧道的1#樁上，距樁頂10.8m，接近隧道拱頂處。

(2)樁基位移的變化趨勢與盾構和樁基的縱向距離密切相關：隨著盾構逐步開挖，樁基位移不斷增大，且在隧道距樁基前后15m范圍內位移急劇增加，離開開挖影響范圍后，位移逐漸平穩至固定值。因此，當盾構掘進到樁基影響范圍時，要根據周邊監測結果，合理調整盾構的掘進參數，防止樁基過度變形。

(3)盾構開挖注漿比不注漿樁基位移減少11.2%。表明注漿加固能大幅度地控制樁身變形。因此在盾構開挖時，需及時盾尾注漿，適時二次注漿。