既有盾構(gòu)隧道在樁基沉降場(chǎng)中的變形分析

席旭剛，李凱，張偉

（1.中鐵上海工程局集團(tuán)第三工程有限公司，安徽 合肥 230000；2.合肥城市軌道交通有限公司，安徽 合肥 230001；3.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司合肥分公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

由于公共交通快速增長(zhǎng)的需求同地面空間不足的矛盾，導(dǎo)致在立體城市的建設(shè)中不斷涌現(xiàn)各類建筑物近接地鐵隧道的問(wèn)題，其中又以樁基礎(chǔ)近接盾構(gòu)隧道施工最為普遍。由于地應(yīng)力的變化，可能會(huì)對(duì)鄰近既有隧道產(chǎn)生不利影響，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)樁基礎(chǔ)對(duì)盾構(gòu)隧道的影響是土木工程設(shè)計(jì)和施工中的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

針對(duì)此類問(wèn)題，目前的研究尚不多見且適應(yīng)性的對(duì)策仍需完善。分析方法大致可以分為四類：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、離心模型試驗(yàn)和理論分析[1-4]。

本文提出一種簡(jiǎn)單有效的分析方法，用于計(jì)算樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下鄰近既有盾構(gòu)隧道的沉降曲線。該方法分為兩個(gè)步驟：①鄰近樁基礎(chǔ)作用豎向荷載時(shí)，隧道縱軸線方向上附加應(yīng)力的計(jì)算；②該附加應(yīng)力條件下隧道與土體的共同變形。通過(guò)數(shù)值模擬與所提出方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可以認(rèn)為本方法能較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)受到樁基荷載效應(yīng)的隧道縱向沉降響應(yīng)。

2 分析方法

分析問(wèn)題如圖1所示，在既有盾構(gòu)隧道附近存在樁基礎(chǔ)施工的情況下，隨著樁基礎(chǔ)上豎向荷載的不斷增加，樁周土體將在橫向和縱向方向上運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)將在隧道上產(chǎn)生額外的沉降，這可能導(dǎo)致隧道滲水漏泥、局部管片結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象。這里給出的分析方法可以分為兩個(gè)階段：首先假設(shè)隧道不存在時(shí)，計(jì)算樁基在荷載作用影響下隧道位置處土體的附加應(yīng)力；其次計(jì)算隧道對(duì)于樁基礎(chǔ)引起的隧道上附加應(yīng)力的響應(yīng)。

圖1 樁基礎(chǔ)近接隧道典型問(wèn)題分析

2.1 單樁分析

從樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算的研究現(xiàn)狀來(lái)看，樁基礎(chǔ)本身的沉降計(jì)算方法已經(jīng)發(fā)展比較成熟，但對(duì)于樁基礎(chǔ)周圍的沉降場(chǎng)，尤其是樁基礎(chǔ)對(duì)鄰近建構(gòu)物影響的研究尚有不足之處。傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)理論計(jì)算方法主要有三種:荷載傳遞法、彈性理論法、剪切位移法。這三種方法最適合考慮樁周土體變形的方法是剪切位移法。Cooke[5]提出了摩擦樁的荷載傳遞物理模型，假定樁與樁側(cè)土之間不發(fā)生相對(duì)位移，樁側(cè)土之間也沒有相互作用的前提下。樁沉降時(shí)周圍土體也發(fā)生剪切變形，剪應(yīng)力τ從樁側(cè)表面沿徑向向四周擴(kuò)散到周圍土體中。在均勻、連續(xù)、各向同性的土體中，受荷樁身周圍土的變形即可理想地視為同心圓柱體，見圖2。這一假定分別為樁的試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析證實(shí)。而后Randolph[6]對(duì)這一方法的推廣應(yīng)用作了重要工作。

2.2 群樁分析

圖2 樁身變形模式圖

樁基在承受豎向荷載時(shí)與既有盾構(gòu)隧道之間存在著復(fù)雜的動(dòng)態(tài)相互關(guān)系，隨著荷載的施加迫使土體運(yùn)動(dòng)造成隧道變形的同時(shí)，樁體由于自身較強(qiáng)的剛度也在抵抗土體運(yùn)動(dòng)。這樣對(duì)群樁而言，由于樁基的抵抗作用而表現(xiàn)為樁基在承受荷載時(shí)引起的土體位移在隧道處減小，這一現(xiàn)象稱為遮攔效應(yīng)。遮攔效應(yīng)通常隨著樁間距的增大而減小，當(dāng)群樁效應(yīng)的影響可以忽略不計(jì)時(shí)，將該樁間距稱為群樁效應(yīng)臨界樁距。根據(jù)《樁基工程手冊(cè)》[7]，對(duì)于端承群樁或樁中心間距大于6倍樁徑的摩擦群樁基礎(chǔ)，群樁效應(yīng)可以忽略不計(jì)。

3 隧道在樁基沉降場(chǎng)中的變形

如圖3由于圓形隧道縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其橫截面直徑，而且目前眾多隧道縱向解析分析時(shí)將隧道視為縱向上的梁，因此盾構(gòu)隧道在縱向方向上可視為一無(wú)限長(zhǎng)矩形梁（橫向?qū)挒槠渲睆紻，高度h按橫截面面積等效為 0.785D），徐凌[8]對(duì)雙參數(shù)的彈性地基無(wú)限長(zhǎng)梁模型進(jìn)行了研究，當(dāng)隧道在縱向上受到局部荷載作用，土體位移在縱向不一致，橫向上梁下與梁側(cè)位移、應(yīng)力分布接近，則此時(shí)僅考慮梁下地基的剪切作用而忽略梁側(cè)地基的剪切作用，得出雙參數(shù)的彈性地基無(wú)限長(zhǎng)梁的平衡方程。

根據(jù)求得的隧道位移函數(shù)，可得隧道的縱向彎矩為：

圖3 隧道土體相互作用模型

4 驗(yàn)證分析

4.1 單樁驗(yàn)證

圖4為采用本文計(jì)算方法、數(shù)值模擬與W inkler地基梁模型得到的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。可以看出，3種計(jì)算方法得到的隧道縱向沉降曲線分布規(guī)律基本相似，但數(shù)值存在一定差異，本文計(jì)算方法結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果均小于W inkler彈性地基梁理論所得到的結(jié)果，本文計(jì)算方法得到結(jié)果更加接近數(shù)值模擬結(jié)果。

4.2 群樁驗(yàn)證

圖5為采用本文計(jì)算方法、數(shù)值模擬與W inkler地基梁模型得到的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。可以看出，對(duì)于群樁與單樁結(jié)果相似，本文計(jì)算方法得到結(jié)果更加接近數(shù)值模擬結(jié)果，這說(shuō)明該方法具有一定的合理性。

5 結(jié)論

針對(duì)樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下鄰近既有盾構(gòu)隧道沉降曲線的理論求解，本文提出一種簡(jiǎn)單有效的分析方法。得到如下結(jié)論：

圖4 單樁情況下3種計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖5 群樁情況下3種計(jì)算結(jié)果對(duì)比

①本文方法能較好的考慮樁與樁之間、樁土之間以及樁間土體之間的相互作用，適用于考慮成層土體以及群樁效應(yīng)的計(jì)算，采用雙參數(shù)的彈性地基梁模型作為分析土-隧結(jié)構(gòu)模型，不僅評(píng)價(jià)了地基對(duì)隧道的壓縮作用也評(píng)價(jià)了剪切作用，地基參數(shù)相對(duì)較少，是比較合適的分析模型；

②計(jì)算實(shí)例表明，本文理論計(jì)算方法與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。說(shuō)明利用該方法進(jìn)行理論計(jì)算具有一定的合理性與可行性。