盾構施工對臨近樁基影響的數值模擬及參數分析

李明睿，陳國平，范秀江，徐平原，丁士龍，孫志浩，徐長節,3

(1.浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心，杭州310058；2. 浙江省大成建設集團有限公司，杭州 310012；3.華東交通大學 江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室；江西省地下空間技術開發工程研究中心，南昌 330013)

隨著經濟與社會的蓬勃發展，地鐵越來越廣泛地應用于城市建設中，而由于城市建筑物密集，盾構隧道施工將不可避免地近距離穿越臨近地下建筑物，如橋梁樁基等。盾構施工穿越橋梁樁基時對周圍土體的擾動將使土體發生位移，從而造成對樁基受力及變形的影響，嚴重時甚至導致樁基的破壞，或者樁端位移太大影響上部結構的正常使用。因此，對盾構施工近距離穿越樁基的影響研究具有重要的工程意義。

學者們已經對這方面進行了廣泛深入的研究。研究方法主要有模型試驗法、理論分析法和數值模擬法。在試驗研究方面，文獻[1-3]通過離心模型試驗分析了隧道埋深不同以及隧道與樁基水平距離變化對樁基的影響規律。Lee等[4]利用近距離攝影技術對樁-土-隧道模型進行了室內試驗測試，研究了隧道開挖對樁基的影響，并提出了隧道開挖影響區。Meguid等[5]設計了一個小型試驗裝置，模擬隧道開挖以及襯砌安裝過程，并分析了隧道施工過程對臨近樁基的影響。理論分析方面主要運用兩階段分析法，即先計算隧道開挖引起的土體位移，再將土體位移作用于樁基上。Chen等[6]利用兩階段分析法分析了隧道幾何條件、樁徑、樁長等因素對樁基的影響；李早等[7]在第2階段中考慮群樁的遮攔效應，得到了隧道開挖引起的群樁位移；熊巨華等[8]在第2階段中的土體位移作用于樁基時考慮了樁-土界面的非線性特征；張治國等[9]采用圓柱形孔收縮模型，在第1階段計算了隧道開挖引起的周圍土體彈塑性位移；馮國輝等[10-11]基于Kerr地基模型應用兩階段分析法求解出隧道開挖引起的樁基位移，并與Winkler、Pasternak地基模型的計算結果進行比較。在數值模擬方面，由于數值模擬分析方法可以很好地模擬盾構施工的三維動態變化過程，因此，數值模擬方法在盾構施工對臨近樁基影響的研究上得到了廣泛應用。方勇等[12]利用ANSYS軟件模擬盾構施工的步步掘進，并分析了盾構機頂進力及注漿壓力參數對樁基的影響規律；李兵等[13]通過有限元軟件MIDAS/GTS對盾構側穿高架橋樁基進行了模擬分析，主要考慮了掘進壓力、千斤頂推力、注漿壓力、襯砌彈性模量及盾構埋深等參數的影響；楊記芳[14]采用“三階段固結-膠結等代層”的方法模擬盾構前進時盾尾漿體材料參數隨時間的變化。這些研究在模型中考慮了許多因素，比如地層條件、盾構施工參數的控制、隧道埋深及隧道與樁的位置關系等。但對于盾構掘進速度這一關鍵因素，卻很少在數值模擬相關文獻中提及。

林存剛等[15]研究發現，盾構掘進速度對周圍土體沉降的影響主要由盾構壓重在其下臥土層中產生的附加應力的固結效應造成，當盾構掘進速度越慢，其產生的附加應力持續時間越長，從而導致地面沉降增大。基于上述研究，筆者利用PLAXIS 3D的固結計算，考慮盾構機自重對土體的固結作用引起的地層沉降，并由此考慮掘進速度對樁基位移的影響。

1 工程概況

以杭州地鐵16號線臨安廣場站—農林大學站區間盾構工程為背景，對盾構隧道側穿苕溪廊橋樁基(見圖1)進行數值模擬。該區間雙線隧道間距為14.5 m，隧道軸線埋深約為22 m，右線隧道施工滯后左線隧道約半個月。盾構選型采用土壓平衡盾構機，盾構機直徑為6.7 m，盾尾間隙為35 mm，襯砌厚度為0.35 m。苕溪廊橋樁基與隧道結構最短距離約為7.9 m，橋樁為鉆孔灌注樁，直徑為1.2 m，樁長為15 m。

圖1 隧道與樁基位置關系(單位：m)

區間盾構隧道上覆土層主要有素填土12、卵石144、全風化粉砂巖22d-1、強風化粉砂巖22d-2，盾構洞身主要穿越中風化粉砂巖22d-3。

2 盾構施工數值模擬

2.1 三維模型建立

計算模型采用PLAXIS 3D軟件模擬，為充分考慮隧道開挖對樁基的影響，并依據有限元的建模理論，計算模型沿隧道縱向(y方向)取70 m、沿隧道橫向(x方向)取70 m、豎直方向(z方向)取36 m，模型如圖2所示。模型底部施加固定約束，側面施加豎向滑動約束。網格劃分采用空間4節點單元，共劃分155 366個單元、211 049個節點。

圖2 模型三維圖

2.2 材料參數選取

盾構機、襯砌和盾尾漿體均采用三維實體單元模擬，樁基采用PLAXIS的embedded樁單元模擬，該單元可視為由梁單元和嵌入式的界面單元組成,各構件物理力學參數見表1。

表1 各構件物理力學參數

根據地質條件地層分為5層，對于前4層軟土，考慮到城市地鐵隧道施工時的變形控制要求非常小，而較為先進的Hs-small本構模型可以反映小應變特征，故前4層軟土采用HS-small本構模型模擬；對于最后一層中風化粉砂巖，采用PLAXIS中霍克-布朗本構模型模擬，該本構模型結合了虎克定律所表述的彈性行為與霍克-布朗準則所表述的巖體非線性破壞特征。各巖土層物理力學參數見表2。參數主要由工程資料獲得，工程資料未給出的參數參考相關資料[16]和相關文獻[17]進行取值。

表2 各巖土層物理力學參數

2.3 盾構施工模擬

數值模擬根據實際施工情況，先開挖左線再開挖右線，盾構施工模擬方法主要可以分為3個階段。

第1階段——盾構機初始位置，見圖3(a)，將盾構機所在位置處的土體凍結，并激活盾構機單元與土倉壓力，土倉壓力根據工程資料取值。

第2階段——盾構機前進，見圖3(b)，本階段實施步驟為：將盾構機前方即將開挖的土體凍結，并激活對應的盾構單元；將盾構機尾部單元凍結，并激活襯砌與漿體單元；激活注漿壓力以及盾殼與土體間的摩擦力，前者根據工程資料取值，后者根據相關文獻[18]取一均布的摩擦力p，p=μσn，μ為盾殼與土體摩擦系數，黏土中取0.2～0.3，砂土中取0.3～0.4，σn為盾構機受到的法向土壓力，可近似取埋深處的垂直土壓力。

圖3 盾構施工數值模擬

第3階段——此階段計算方式由彈塑性計算變為固結計算，計算沒有盾構前進的時間增量，以此模擬盾構機壓重在土體中產生的附加應力的固結效應，此階段激活盾構機自重。

3個階段的施工步驟如此循環，直到隧道開挖完成。

3 數值計算結果分析

3.1 雙線隧道全挖計算結果分析

盾構隧道的施工對周圍土體的擾動將會引起周圍土體發生位移，從而帶動樁基發生位移，上部荷載的作用將會加劇這一位移。樁基發生的側移以及沉降對上部結構有著非常大的影響，故對樁基水平側移以及沉降的變化規律展開研究。

3.1.1 樁基水平側移分析 圖4所示為不同開挖步下樁基的x方向側移曲線(負值表示朝隧道側移動，正值表示反方向移動)。從圖4可以看出，在左線盾構機未到達樁基時(開挖步1～9)，樁基整體的位移趨勢是遠離隧道，并且樁基發生傾斜，樁底位移比樁頂位移大，樁底位移在開挖面到達樁基時(開挖步9)達到最大值0.19 mm，此時樁頂位移為0.06 mm，而在左線盾構機經過樁基后(開挖步10～17)，樁基整體向隧道側移動，傾斜方向未發生改變，傾斜程度逐漸增大，在左線隧道開挖完成時傾斜最嚴重，此時樁底位移逐漸減小至0.02 mm，樁頂位移先減小至0再反方向逐漸增長至最大值-0.41 mm。當右線隧道開挖時(開挖步18～34)，樁基位移變化規律與左線隧道開挖時相似。發生樁端向隧道側傾斜的主要原因是：樁基x方向側移主要由兩部分組成，一部分是由于隧道開挖引起的土體損失使得周圍土體向靠近隧道方向移動，從而造成樁基向隧道側移動，另一部分是襯砌管片在圍巖應力作用下發生擠壓變形，即水平方向上管片向外變形，豎直方向上管片向內變形，同時，由于注漿壓力的作用，隧道周圍土體朝遠離隧道側移動，從而引起樁基向遠離隧道方向移動，該部分位移主要表現在樁基下半側，當兩部分側移疊加作用時將使樁頂向隧道側傾斜。

圖4 不同開挖步下樁基的x方向側移

盾構機前進時帶動周圍土體發生向前的移動，從而帶動樁基向隧道開挖方向移動，且此位移主要體現在樁基下半側。圖5所示為不同開挖步下樁基的y方向側移曲線，可以看出，隨著開挖步的進行，樁基y方向側移逐漸增大，樁基發生樁底向開挖方向的傾斜，且傾斜量逐漸增大，在右線隧道開挖完成時(開挖步34)，樁端與樁底位移均達到最大值，此時樁端位移為-2.38 mm，樁底位移為-5.65 mm。

圖5 不同開挖步下樁基的y方向側移

3.1.2 樁基沉降分析 樁端沉降隨隧道開挖過程的動態變化如圖6所示。可以看出，在開挖左線隧道時，開挖面到達樁基前(開挖步1～9)，盾構掘進會造成樁基隆起，并在開挖面到達樁基(開挖步9)時樁頂隆起達到最大值0.70 mm，這是由于盾構機向前推進時對前方土體有擠推作用，從而使得樁基隨土體發生向上的位移，開挖面經過樁基后(開挖步26～34)，盾構掘進會使樁基發生沉降，在左線隧道開挖完成時樁端沉降值為-1.19 mm，開挖右線時樁基沉降變化規律與開挖左線類似，且在開挖右線隧道完成時，樁基沉降達到最大，此時樁端沉降值為-5.87 mm。樁基發生沉降的主要原因是盾尾空隙以及土體固結等因素造成的土體沉降帶動樁基下沉。

圖6 樁基沉降隨隧道開挖的動態變化

3.2 參數影響分析

當注漿壓力、盾尾空隙、土倉壓力、掘進速度、襯砌管片彈性模量等施工參數改變時，會對樁基位移產生顯著影響，由于注漿壓力、土倉壓力、襯砌管片的彈性模量等參數已有學者[11-12]研究過，筆者主要對開挖速度和開挖順序對臨近樁基位移的影響進行研究。

3.2.1 不同開挖速度對樁基位移的影響 圖7所示為不同開挖速度下樁端沉降隨盾構前進的動態變化曲線。從圖7中可以看出，開挖左線隧道時，開挖面到達樁基前(開挖步1～9)開挖速度對樁端沉降影響較小，而當開挖面到達樁基后以及開挖右線隧道時，開挖速度對樁端沉降的影響顯著增大；另外，可以看出，開挖速度越快，樁端沉降越小，這是由于開挖速度越快，盾構機在土層中停留時間越短，則固結作用的時間越短，土體以及樁基沉降也隨之減小，但當開挖速度增至8 環/d后，開挖速度對樁端沉降的影響逐漸減小。

圖7 開挖速度對樁端沉降的影響

圖8所示為不同開挖速度下樁端x方向側移隨盾構前進的動態變化曲線。由圖8可以看出，與開挖速度對樁基沉降的影響規律相似，開挖速度越快，樁基x方向側移越小，但當開挖速度到達8環/d后，開挖速度對樁端x方向側移的影響逐漸減小。

圖8 開挖速度對樁端x方向側移的影響

圖9所示為不同開挖速度下樁端y方向側移隨盾構前進的動態變化曲線，由圖9可以看出，在整個開挖過程，開挖速度對樁端y方向側移影響都較小，這是由于樁基y方向側移只與盾構機與土體的摩擦力以及土倉壓力有關，而與開挖速度無關。

圖9 開挖速度對樁端y方向側移的影響

3.2.2 不同開挖順序對樁基位移的影響 為研究不同開挖順序對樁基位移的影響，建立先開挖左線再開挖右線隧道(工況1)、先開挖右線后開挖左線隧道(工況2)、雙線隧道同步開挖(工況3)3種不同開挖順序的數值模型，并比較3種工況下樁基的沉降與水平側移。

不同開挖順序下的樁端沉降如表3所示，工況2下的樁端沉降較工況1增大了0.3%，工況3與工況1相比減小了7.2%。雙線隧道同步施工時樁基的沉降明顯小于雙線隧道分步開挖時的情況，原因在于雙線隧道錯開施工時，對周圍土體有一個二次擾動的作用。

表3 不同開挖速度下的樁端累積沉降值

不同開挖順序下的樁身x、y方向側移分別如圖10、圖11所示。從圖10可以看出，與樁基沉降類似，工況3下樁基水平位移明顯小于工況1、工況2下的位移；從圖11可以看出，開挖順序的改變對樁基y方向側移的影響較小，這是由于樁基y方向位移只與盾構機與土體的摩擦力以及土倉壓力有關，而與開挖順序無關。

圖10 不同開挖次序下的樁身x方向側移

圖11 不同開挖順序下的樁身y方向側移

4 工程效果驗證

由于條件限制，現場監測只能測得地表沉降數據，無法獲取樁基位移數據，考慮到土體移動是導致樁基發生位移的直接原因，因此，對地表的沉降值驗證與對樁基位移的驗證在效果上應一致，故主要分析地表沉降的實測數據。

左右線隧道均從臨安廣場站出發，經過苕溪廊橋樁基，最后從風井出洞，分別沿隧道縱向在隧道軸線位置處選取若干監測點、沿隧道橫向在樁基附近選取若干監測點，進行實測數據分析。各監測點布置如圖12所示。

圖12 地表沉降監測點布置

圖13為盾構機掘進進度曲線，由圖13可以看出，兩線盾構在靠近區間風井時，掘進速度變緩，左線盾構掘進1 181至1 191環耗時5 d，平均每天開挖2環，而掘進1 141至1 181環時平均每天掘進5環；右線盾構掘進1 169至1 179環耗時4 d，平均每天2.5環，而掘進1 129至1 169環時平均每天掘進5環。

圖13 盾構機掘進進度曲線

圖14為地表縱向監測點最終沉降，在掘進速度較慢的1 181至1 191環間的地表沉降明顯大于1 141至1 181環間的地表沉降值，而1 191環位置處地表沉降值變小，原因是盾構出洞時需對周圍土體進行加固，從而導致該處地表沉降減小。以上分析驗證了數值模擬研究的結論：掘進速度變慢時，會導致土體沉降增大，從而導致樁基沉降增大。

圖14 地表最終沉降沿隧道軸線變化曲線

圖15為地表橫向監測點在2019年1月8日18:00至2019年1月9日6:00時間段內的地表沉降，并與相同位置處的數值計算結果進行對比(地表位置的零值代表雙線隧道中間位置)。從圖15中可以看出，計算值與監測值變化規律比較吻合，地表最大沉降變化值相差不大，進一步證明了數值模擬的合理性。計算結果與監測值有所偏差，主要的原因是實際地層復雜，模型無法完全按照實際模擬，比如實際的地層是各向異性的，而模型中土層是豎直方向分層，水平方向均質的。

圖15 地表沉降計算值與監測值比較

5 結論

對杭州地鐵16號線某臨近樁基段盾構工程進行數值模擬，考慮了盾尾注漿、土倉壓力、盾構與土體的摩擦力等因素，并在每步開挖后，增加固結計算步，模擬盾構機自重產生的附加應力因固結效應造成的地層沉降，在此基礎上研究了開挖速度、雙線隧道開挖次序對臨近樁基位移的影響，得到以下結論：

1)在開挖面到達樁基前，樁基處于隆起狀態，隨著開挖繼續進行，樁基逐漸沉降，在隧道開挖完成時，沉降達到最大值。

2)盾構施工會使樁基產生水平側移，在縱斷面上，盾構機推進時帶動周圍土體向前移動，從而使得樁基產生朝開挖方向的水平側移，并呈現樁基下半部分向前的傾斜，樁基的總體側移及傾斜隨開挖步不斷增大，并在開挖完成時達到最大；在橫斷面上，隧道開挖造成的地層損失、圍巖壓力導致的隧道襯砌變形以及注漿壓力將會導致樁基上半部分向隧道側移動，下半部分向反方向移動，即樁基發生了傾斜，該傾斜隨開挖的進行不斷增加，在開挖完成后達到最大。

3)在開挖面經過樁基后，加快開挖速度能有效減小樁基位移，但當開挖速度加快到一定程度時，繼續增大開挖速度對樁基位移的影響將顯著減小。且過快的開挖速度容易引起地表下沉和隆起，因此，盾構穿越臨近樁基時，需嚴格控制開挖速度。

4)雙線隧道同步開挖時，對臨近樁基的影響比雙線隧道分步施工時小，因此，施工條件允許的情況下可以考慮雙線隧道同步施工。