盾構地鐵隧道施工對近接樁基的影響

建筑物的樁基設計不當時，近接于該建筑物的地鐵施工極易造成其樁基變形、應力集中，給建筑物的結構正常使用帶來極大風險。文章依托金結余地鐵7號線螺螄灣北站—羊甫南站區間的中豪置業螺螄灣A2地塊消防站項目（以下簡稱“A2地塊”），應用數值模擬方法，研究既有結構樁基類型對抵抗近接地鐵區間擾動的影響，為設計施工提供理論指導。研究結果發現A2地塊訓練塔原設計為兩段預制管樁，由于連接處與地鐵區間接近同一水平線，地鐵區間施工將對樁基造成較大擾動，出現較大的水平變形與應力集中，當優化為整體灌注樁后，該擾動明顯減弱，滿足結構安全需求。

地下工程; 樁基; 近接工程; 施工擾動

U452.2+6?? A

[定稿日期]2021-06-17

[作者簡介]陳尤斌（1984～），男，本科，高級工程師，從事地鐵工程管理工作。

隨著城市地下空間的發展，越來越多的地鐵施工近接于各種構建筑物，研究新建地鐵區間對周邊基坑、樁基等構建筑物的影響時亟需解決的工程實際問題[1]。

淺埋地鐵施工一般在區間中心對應的地表位置造成的沉降最大，由正上方中線向周邊逐漸減小[2]，習慣稱該沉降曲線為“沉降槽”。Loganathan等人[3]以工程實例為依托研究了隧道施工造成地層沉降的規律以及對周邊建（構）筑物的影響。仇文革[4]在總結了國內外相關研究成果的基礎上將隧道近接施工分區按照影響由弱至強的順序，將施工影響區域劃分為“無影響區”“弱影響區”和“強影響區”。

同時，隧道施工過程中難以避免會造成周圍土體位移，當土體的位移值過大就會影響到周圍土層中既有的樁基礎，進而對上部的建筑或構筑物產生影響[5]。盾構掘進會使周圍土體產生豎向位移和水平位移;當土體的豎直方向的位移表現形式為沉降時，土體的變形會在樁身上產生負摩阻力，引起樁軸力的變化以及樁體沉降;當土體豎向位移表現為向上隆起時，土體作用到樁側和樁端的向上作用力使樁軸力增加并且產生上升的趨勢，最終會導致樁基上部結構受到不均勻反作用力和產生變形;土體的水平位移會引起隧道周圍的樁體產生向隧道中心變形的趨勢，導致樁身附加彎矩的產生和增加，使樁承載力受影響[6-7]。王占生在基于盾構隧道施工對土體的影響規律進一步通過理論分析的方法分析了隧道在鄰近樁基施工時對樁基的影響，并指出了如何減小樁基變形和控制樁內力的有效途徑[8]。

本文依托昆明地鐵7號線螺螄灣北站—羊甫南站區間，該盾構區間近接于螺獅灣A2地塊訓練塔，最近水平距離9.279 m，通過數值模擬的手段研究地鐵開挖卸荷對既有地下結構的影響，并根據計算結果對樁基進行優化設計。

1 工程概況

云南中豪置業螺螄灣A2地塊消防站項目（以下簡稱“A2地塊”）位于昆明市官渡區新螺螄灣國際商貿城片區，廣福路南側空地內，平面形狀為一類似矩形的五邊形。螺螄灣北站為地鐵4、7號線換乘車站，其中4號線螺螄灣北站（運營站位為廣衛站）已建好并投入運營，7號線螺螄灣北站處于規劃階段。A2地塊位于7號線螺螄灣北站大里程端頭，螺螄灣北站—羊甫南站區間從A2地塊正下方穿越。地理位置區域圖如圖1所示。

地鐵7號線功能定位為昆明市城市快速軌道交通重要的填充線，線路全長42.2 km，采用全地下線敷設。A2地塊位于7號線螺螄灣北站—羊甫南站區間，施工工法為盾構法。

場地處于昆明盆地東部邊緣地帶，屬昆明斷陷盆地地貌單元。現狀為空地，地形較為平緩，地勢較為開闊。在勘察深度（約50 m）范圍內，揭露的場區地層為上覆第四系人工填土層（Q4ml，①大層），第四系沖洪積黏性土層（Q4al+pl，②大層），下部為第四系湖積黏性土、粉土、有機質黏土交替沉積層（Ql，③～④大層）。

2 近接關系

2.1 平面關系

區間隧道正穿A2地塊的綠化帶和籃球訓練場，側穿A2地塊的訓練塔。訓練塔為地上5層結構，基礎采用500 mm預應力混凝土管樁，有效樁長20 m，樁基外邊緣與區間隧道外邊緣平面距離范圍為9.279～9.554 m，平面關系如圖2所示。

2.2 剖面關系

區間隧道正穿A2地塊的綠化帶和籃球訓練場，正穿區間隧道頂埋深約為7.7～8.2 m。訓練塔為地上5層結構，基礎采用500 mm預應力混凝土管樁，有效樁長20 m，分兩段壓入，區間隧道豎向上位于訓練塔樁基腰部，訓練塔樁基底位于區間隧道底以下約7.5 m。訓練塔樁基分節接頭部位與隧道水平中心線，基本位于同一豎向標高，剖面關系如圖3所示。

3 樁基類型數值分析

3.1 數值計算模型

本次計算采用大型通用有限元分析軟件，通過建立二維模型，分析A2地塊施工對地鐵7號線區間結構的影響。

結合地鐵區間結構的空間尺寸，為避免尺寸效應對計算結果的不利影響，擬定模型X方向（東西方向）取60 m，Z方向（深度方向）按實際地質情況取30 m。土體采用實體單元模擬，區間結構、樁基結構、樓體采用板單元模擬，采用四面體網格，能夠得到較好的計算結果。土體采用基于莫爾庫倫準則的彈塑性本構模型，混凝土結構采用彈性本構模型，據實開展相關計算工作。模型圖如圖4所示，數值計算模型結構構件尺寸及物理力學參數如表1所示，圍巖物理力學參數如表2所示。

3.2 數值模擬步驟

由于本計算主要分析盾構區間施工對樓體及樁基的影響，因此設定施工步驟如下：初始應力平衡—訓練塔樁基施工—訓練塔樓體施工—7號線左線隧道開挖（圍巖釋放率20 %）—7號線左線隧道管片（圍巖釋放率80 %）—7號線右線隧道開挖（圍巖釋放率20 %）—7號線右線隧道管片（圍巖釋放率80 %）。

3.3 影響結果與分析

在獲得初始應力狀態后，后續的分步計算均建立在上一步計算結果的基礎上，得到各施工階段對應的增量。區間開挖有多個步驟，本章節僅展示地下室開挖終態與初始應力狀態的對比。位移如圖5所示，彎矩如圖6所示。

由圖5及圖6可以看出，7號線地鐵區間的施工對既有A2地塊訓練塔結構的影響如下：

（1）訓練塔結構及樁基有下沉的趨勢，結構最大下沉2.18 mm，最大位移位于靠近7號線區間一側，且由于樁基由兩段連接而成，存在一定的變形不均勻。

（2）訓練塔結構及樁基將發生水平向變形，具體為向地鐵7號線區間一側變形，最大變形8.52 mm。其中最大變形主要發生在靠近7號線右線區間同一水平位置的混凝土管樁連接處，存在位移突變，具有一定的施工風險。

（3）訓練塔結構及樁結構在地鐵7號線施工中內力有一定影響，正彎矩最大變化量約為8.01 %，負彎矩最大變化量約為1.23 %，正彎矩變化較大，且出現在管樁連接處。

3.4 樁基優化分析

由上述分析計算可以看出，樁基在靠近地鐵區間一側會發生一定的變形與應力集中，由于預制管樁兩段連接處與地鐵區間基本位于同一標高水平線，圖5可以清晰的看出，豎向變形上下兩段樁基有明顯分界，水平變形在連接處有明顯地靠近地鐵區間一側變形，對訓練塔結構產生不利影響。

將兩段預制管樁更改為整體灌注樁，此時樁基將成為一整體，其他邊界條件與3.1節相同，現將計算結果置于圖7、圖8。

通過樁基優化后的計算發現7號線地鐵區間的施工對既有A2地塊訓練塔結構的影響如下：

（1）訓練塔結構及樁基有下沉的趨勢，結構最大下沉1.65 mm，最大位移位于靠近7號線區間一側，樁基變形連續，無不均勻變形出現。

（2）訓練塔結構及樁基將發生水平向變形，具體為向地鐵7號線區間一側變形，最大變形3.41 mm，較之前減小5.11 mm左右。

（3）訓練塔結構及樁結構在地鐵7號線施工中內力有一定影響，正彎矩最大變化量約為5.2 %，負彎矩最大變化量約為5.6 %。

4 結論

由于地鐵結構與分段式預制管樁連接處在同一標高水平線，地鐵7號線的施工對融創春風十里A2地塊項目有一定影響，采用預制管樁時后續地鐵施工影響較大，建議采用整體的灌注樁進行施工，優化后地鐵施工對訓練塔影響較小，滿足結構安全需求。

參考文獻

[1] 程光華， 王睿， 趙牧華， 等.國內城市地下空間開發利用現狀與發展趨勢[J].地學前緣，2019，26（3）：39-47.

[2] Peck R. B. Deep excavations and tunnelling in soft ground[A]. Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C]. Mexico City： State of the Art Report， 1969： 225-290.

[3] Loganathan N.， Poulos H. G. Analytical prediction for tunnelling-induced ground movements in clays[J]. Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering， 1998， 124（9）： 846-856.

[4] 仇文革. 地下工程近接施工力學原理與對策的研究[D]. 成都： 西南交通大學，2003.

[5] 彭領根. 不同影響因素下雙線盾構隧道施工對樁基礎影響分析[D].邯鄲：河北工程大學，2019.

[6] 周正宇.地鐵施工鄰近既有橋梁影響分析及主動防護技術研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[7] 張海彥.盾構隧道施工對鄰近橋梁樁基礎的影響及風險控制值研究[D].北京：北京交通大學，2016.

[8] 王占生.盾構近距穿越樁基的硏究[D].北京：北京交通大學，2003.