群樁基礎沉降對鄰近軌道交通盾構隧道影響的數值分析

劉文藝，秦啟強

（天津南站科技商務區發展有限公司，天津 300380）

0 引言

隨著我國經濟飛速發展，城鎮化進程不斷加快，城市軌道交通迎來高速發展期，全國各地都在大力發展城市軌道交通，國內多個城市軌道交通已然形成規模較大的網絡化運營模式，這必然導致軌道交通保護區范圍有大量工程建設出現[1-4]。

樓曉明等[5-6]采用群樁基礎共同作用的分析方法，計算結果表明：樁基礎在隧道軸線方向上引起的最大相對變形曲率發生在基礎邊緣附近；并對高層建筑樁基礎沉降對鄰近隧道可能產生的附加沉降進行計算分析。SCHROEDER F C等[7-9]利用有限元分析樁群荷載對已建成隧道的影響。國內外其他學者也做了大量關于群樁基礎施工對隧道的影響分析工作[10-12]。

1 工程概況

蘇州中心廣場項目位于蘇州工業園區金雞湖西側，毗鄰東方之門，由10幢建筑構成，蘇州中心廣場位于蘇州市域CBD核心位置，軌道交通1號線和6號線貫穿整個項目區域，項目整體占地21.1hm2，凈用地面積13.9hm2，總建筑面積約182萬m2，其中地上建筑面積130萬m2、地下建筑面積52萬m2。在蘇州中心廣場內設有國內單體規模最大的購物中心，總建筑面積達40萬m2；此外，項目整體地下3層，部分地下4層，基坑占地面積達14萬m2，開挖深度17～22m，開挖土方約220萬m3，是目前國內規模最大的城市建筑基坑工程。蘇州中心B-3區基坑距離運營中的軌道交通1號線中心位置為10.5m。

2 工程地質條件

根據勘察資料，該項目共包括11個工程地質層，各土層分布特征如表1所示。

表1 主要地層特征

3 群樁基礎沉降對鄰近隧道影響數值計算模型

蘇州中心B-3區基坑尺寸58.1m×77.9m，0.8m厚地下連續墻作為臨時分隔墻。坑內立柱樁直徑均為0.8m，間距最小8.0m，最大18.1m。整個基坑均位于軌道交通1號線右側，坑內立柱離隧道最近28.0m，最遠69.0m。

3.1 模型建立

有限元模型尺寸根據樁與隧道的尺寸確定，采用樁長均為40m。計算模型的網格劃分如圖1所示，模型水平x方向根據樁位布置情況不同，自樁基邊界及隧道邊界向兩側延伸2.4倍樁長，即總長270m；水平y方向根據樁位布置情況不同，自樁基邊界向外延伸2.8倍樁長，總長190m；高度z方向取樁長的3.75倍即150m。隧道橫截面方向為xz平面，模型網格圖正對的立面即為對稱面，亦即樁基礎中心位置剖面，在后續計算分析中均稱該對稱面為中心面，本模型不考慮地下水作用。考慮到數值模擬的主要目的在于分析樁基礎在建筑物荷載作用下對隧道的影響，此次對于樁基礎的模擬中，土體、隧道及樁均采用8節點四面體實體單元模擬，共284 298個實體單元[13-15]。

圖1 有限元網格劃分

3.2 參數選取

此次的模型參數包括樁與隧道的位置參數及樁與隧道的尺寸參數等，土體參數和結構參數：隧道直徑取6.2m，襯砌厚度0.35m，隧道埋深8.4m，隧道混凝土強度等級C50，結構泊松比0.167，樁徑0.8m，樁長40m，樁身強度C30，樁泊松比取0.169。土體本構模型采用莫爾-庫侖模型，其中c、φ值采用固結不排水抗剪強度；隧道襯砌及樁基礎均采用線彈性模型模擬。B-3區擬建6層裙樓，數值模擬中樁頂均布荷載根據單樁工作荷載1 762kN計算。

3.3 計算工況

模型初始條件為綠色場地，在原始地層條件下計算場地初始地應力。計算工況1為模擬隧道開挖，不考慮時間影響，在工況1中開挖隧道，并獲得隧道開挖后場地應力狀況，將隧道開挖引起的位移置零。計算工況2為模擬樁基礎施工，樁基礎施工不考慮施工過程影響，僅將樁基礎所在位置土體單元置換為樁單元，并將樁基礎材料替換引起的土體位移置零。計算工況3為模擬樁基礎加載，激活樁頂均布荷載，并計算在荷載作用下的土體位移。

4 群樁基礎沉降對鄰近隧道影響結果分析

4.1 群樁基礎沉降場

由荷載作用下地層整體變形云圖、隧道及樁基礎的變形矢量圖可知，地表最大沉降值為18.25mm，發生在樁基礎中心位置處；沉降以樁基礎中心為中心向外以近似圓形衰減，但隧道一側的土層沉降云圖衰減明顯快于無隧道一側，這是受隧道剛度限制造成的。隨著與樁基礎中心距離的加大，樁基礎荷載產生的土體沉降迅速衰減，而位于隧道上方的土體因受到隧道遠大于土體剛度的限制，在沿隧道縱方向上沉降衰減速度較慢。

樁基礎在荷載作用下造成地層位移以豎向位移為主，水平方向位移相對很小，靠近隧道邊的水平位移3.79mm略大于群樁另一個方向的水平位移3.48mm。由于模型的對稱性，y方向位移也與群樁基礎對稱，也向樁基中心運動。整體上，群樁在y方向的位移較小，最大處發生在群樁邊上4.36mm。

地表沉降自樁基礎中心向3個方向的擴展情況如圖2所示，同樣顯示，沿x方向向左由于隧道的存在，地表沉降收斂快于向其他2個方向的擴展；對于沿y方向擴展的情況，由于隧道與y軸平行，隧道沿y軸的剛度對于沉降的擴展影響較小，故此與沿x軸向右方向的沉降曲線形態相似，沉降位移較大；沿z方向的沉降位移衰減大致呈雙曲線的形態，位移收斂較其他2個方向慢。

圖2 樁基礎中心向3個方向擴展的地表沉降

4.2 隧道變形結果

結合隧道縱向位移圖及隧道中心面截面的整體位移矢量圖可知，隧道最大位移為6.03mm，發生在中心面位置。從整體位移趨勢上，隧道以豎向沉降為主，水平位移僅占沉降的2.0%～26.3%，隧道有微弱沿順時針方向轉動的趨勢。在中心面上，隧道整體位移最大。遠離中心面隧道的位移逐漸降低。水平位移數量上，隧道上半部分向樁基礎方向水平移動，隧道頂部與底部為水平位移最大值點。隧道水平位移最大處發生在模型樁基中心對應位置，而不是中心面處，這主要是因為在該處樁基的水平位移最大，隧道受樁基水平沉降的影響。豎向沉降而言，在中心面處沉降值最大，并沿隧道邊線向遠離樁基礎方向遞減，在橫截面上，隧道豎向位移最大處發生在隧道靠近樁基位置。

圖3給出了隧道4個關鍵點（拱頂、拱底、兩側拱腰）沿縱軸線的沉降曲線，水平坐標0處為中心面位置。隧道沿縱向沉降收斂速率較慢，在130m位置處隧道沉降基本為0，沿著縱向位移繼續增加，隧道位移略有增加。右拱腰沉降為整個隧道沉降最大處，左拱腰位移最小。隧道沉降點沿縱向沉降規律基本相同。

圖3 隧道縱軸線變形

4.3 隧道襯砌結構受力結果

結合隧道結構在樁基礎施加荷載后Mises應力云圖，在中心剖面處受邊界條件的影響，應力較其他部位大，隧道頂部應力最小，應力增長率為8.1%，隧道右下腳的應力最大。這主要是因為該處受群樁中心影響很大，群樁運動帶動隧道位移，使隧道拱腳位置應力集中。

4.4 樁基礎荷載水平的影響

在上述標準模型分析中，選用的單樁工作荷載為1 765kN，為考察樁基礎荷載對隧道變形及受力的影響，分別計算樁頂荷載為1.5倍及2.0倍工作荷載的情況。隧道拱腰兩點和底部位移隨樁基工作荷載的影響如圖4所示。

圖4 隧道特征點變形值隨樁基礎工作荷載的變化

從圖4可見，隧道變形隨荷載幾乎為線性變化，即增長1倍的工作荷載，隧道沉降亦隨之增長1倍。這主要是由于樓層較低，樁工作荷載較小，即使在2倍工作荷載情況下，樁基仍基本處于彈性工作狀態。

5 結語

基于數值建模方法，對蘇州軌道交通1號線保護區范圍內蘇州中心B-3區群樁工程進行計算分析，得出以下主要結論。

1）工作荷載下，群樁沉降造成土體位移以樁基礎中心向外以近乎圓形衰減，樁基中心沉降最大值達18.25mm；土體產生的水平位移最大值為4.36mm。

2）隧道縱向位移圖以及隧道中心面截面的整體位移矢量圖表明隧道最大位移為6.03mm，發生在中心面位置。隧道以豎向沉降為主，水平位移僅占沉降的2.0%～26.3%，隧道有微弱沿順時針方向轉動的趨勢。

3）隧道結構在樁基礎施加荷載后Mises應力云圖表明在中心剖面處受邊界條件的影響，應力較其他部位大，隧道頂部應力最小。應力增長率為8.1%，隧道右下腳的應力最大。

4）保護區范圍群樁基礎施工及后期荷載作用后，對近距離軌道交通隧道結構有較大的影響，隨著樁基荷載水平提高，其影響逐步呈線性增大；隧道結構沉降累計值發生較大位置為靠近基坑一側的隧道拱腰位置，在2倍工作荷載情況下，拱腰沉降達14.0mm。