南通富水砂層盾構隧道開挖對鄰近樁基影響分析*

鄭選榮，祁嘉輝，成煒康，楊 康，陳箐芮，薛瑞蕾

(西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054 )

0 引言

隨著我國城市的快速發展，地鐵成為緩解城市地面交通壓力的有效途徑。盾構法以其施工進度快、安全性能高、地面影響小等優點，成為城市地鐵的主要修建方法，但在地鐵修建過程中，不可避免的會遇到地鐵隧道近距側穿橋梁樁基礎的情況[1]。

地鐵近距離穿越樁基礎時，其受力和變形情況是目前地鐵隧道施工中的熱門研究方向。Loganathan等[2]提出計算盾構施工引起的地層位移場的解析解，并分析位移場作用下鄰近樁基的內力和位移；可文海等[3]將2階段法與疊加法相結合，得到盾構隧道開挖引起的鄰近群樁豎向位移；朱逢斌等[4]通過數值模擬方法分析盾構隧道開挖引起附近群樁不同位置的樁基變形及內力變化影響；文獻[5-6]基于橋樁結構，耦合彈簧力學與有限差分法，分析盾構推進過程中不同工況下橋樁結構受力、水平變形、地層沉降的變化規律；賴金星等[7]通過三維數值模擬研究盾構穿越群樁基礎過程中群樁基礎水平位移和地表變形的變化規律；魏亞輝等[8]采用土的修正劍橋本構模型模擬盾構隧道施工過程，分析隧道開挖中鄰近樁基變形和地表沉降規律；成煒康等[9]采用數值模擬方法分析鄭州粉細砂層地區盾構隧道下穿建筑物不同階段對樁體位移、內力的影響；文獻[10-13]通過理論與數值模擬法分析盾構穿越樁基時的力學變形規律和樁-土力學效應。

隨著城市地鐵修建數目逐漸增多，盾構隧道穿越地層越來越復雜，地鐵鄰近地下結構和樁基礎也逐漸增加。為保證盾構隧道開挖過程中樁基礎的變形和承載力，以及隧道的安全和質量，本文以南通富水砂層盾構隧道近距離側穿橋梁樁基為工程背景，研究富水砂層盾構隧道掘進對近距樁基受力和變形的影響，研究結果可為該地區相似工程施工提供指導。

1 工程概況

南通市城市軌道交通1號線中央商務區站-海霞路站區間隧道右線長597.3 m，左線長599.73 m，區間左右線間距15.00～53.22 m，地面高程3.93～4.11 m，隧道拱頂覆土厚約10.19～11.52 m(下穿河道處最淺覆土為5.67 m)，從上到下主要穿越土層為雜填土、砂質粉土、粉砂夾砂質粉土、粉砂、粉細砂。地下水位在-1 m處，區間隧道處于粉砂夾砂質粉土層中，隧道穿越地層含水量豐富、滲透性強，周邊環境和施工條件復雜。

區間隧道采用土壓平衡式盾構機，為避開樁基，隧道左右線拉開設置，盾構左線側穿距樁基最小水平間距為1.25 m，右線最小水平間距為3.5 m，與隧道鄰近關系屬十分接近。盾構與橋樁基礎位置關系如圖1～2所示。左線與樁基非常鄰近，盾構施工對橋樁基的影響風險較大。

圖1 隧道側穿園林河橋平面示意Fig.1 Plane schematic diagram of tunnel side-crossing Yuanlin River bridge

2 數值計算模型

2.1 建立幾何模型

采用三維有限差分軟件FLAC3D建立計算模型。將該區間曲線隧道視為直線隧道，模型長寬高為70 m ×100 m×40 m。隧道直徑6.4 m，管片外徑6.2 m，厚度0.35 m，注漿等待層厚0.10 m，隧道埋深12 m，左右線豎向軸線間距46.45 m。園林河橋樁基直徑1 m，樁長21 m，樁凈間距1.3 m，沿隧道掘進方向布置4排樁，樁頂為混凝土現澆板，上部施加荷載75 kPa。數值計算模型如圖3所示，地層從上到下為雜填土、砂質粉土、粉砂夾砂質粉土、粉砂、粉細砂。

圖3 數值計算模型示意Fig.3 Schematic diagram of numerical calculation model

2.2 地層和材料參數

土層為實體單元，采用摩爾-庫倫本構關系，物理力學參數見表1[14]。盾構管片和注漿等代層用殼結構單元模擬，樁基礎用樁結構單元模擬，橋板以板單元模擬，管片、注漿層、樁基礎、橋板均為彈性本構關系；隧道開挖單元使用空單元模擬；模型除頂部為自由邊界外，其他邊界均采用法向約束。樁基、橋板和隧道襯砌結構參數見表2。

表1 土層計算參數Table 1 Calculation parameters of soil layer

表2 彈性材料計算參數Table 2 Calculation parameters of elastic materials

2.3 盾構施工過程模擬

盾構開挖及支護過程包括刀盤掘削土體、盾構機向前推進、管片拼裝以及壁后注漿4個步驟[15-16]。本文采取盾構機推力為地層側壓力，取240 kPa，管片施加150 kPa的切向力模擬千斤頂力，注漿層施加120 kPa的法向力模擬同步注漿壓力。保持盾構推力不變情況下，每環開挖，每次開挖1.5 m，每掘進1環激活管片襯砌和注漿層單元，左右線隧道分別為40環，施工順序為先左后右。

2.4 流-固耦合相互作用

對于含水量豐富、滲透性強的高水位砂土地層，當進行盾構開挖對環境影響分析時，必須考慮土層的流-固耦合作用[17]。隧道開挖造成地層和地下水的損失，導致土體位移及水位下降，進而導致土中孔隙水壓力減小和地層變形，并最終影響土體的滲透性和力學性質。利用FLAC3D軟件計算時，首先關閉滲流計算，僅進行力學計算，當力學計算達到平衡狀態或設定計算步時，再打開滲流計算，進行流固耦合計算。

3 數值模擬結果分析

模型中盾構隧道側穿的橋樁基礎數量較多，為更準確表達盾構施工動態過程對各個橋樁基礎的影響和樁基與隧道的相對位置關系，選取隧道穿越的第2排樁基礎，從左向右依次編號為1～16號樁。

3.1 群樁水平位移分析

為分析盾構隧道開挖過程中樁基水平位移變化，選擇距離左隧道最近的1號樁、中間6號樁、中間11號樁以及距離右隧道最近的16號樁作為研究對象，取上述樁位于盾構中心深度(即樁基深度15 m)的結果進行分析，如圖4所示。

圖4 沿隧道開挖進程的樁基水平位移Fig.4 Horizontal displacement of pile foundations along tunnel excavation process

由圖4可知，樁基礎水平位移隨盾構掘進逐漸增大，隨樁基與隧道距離增大而減小。左線開挖進程中，由于盾構開挖面的掘進力、千斤頂力以及注漿壓力，樁基礎開始產生沿X正方向的水平位移且位移值逐漸增大；當開挖至第17環時，盾構刀盤到達橋梁樁基處，每根樁的正向水平位移達到最大值。1號樁水平位移為16.13 mm，6號樁水平位移7.34 mm，11號樁水平位移3.61 mm，16號樁水平位移2.02 mm，隨盾構開挖面遠離橋樁，樁基水平位移逐漸減小。但距離左隧道最近的1號樁水平位移仍呈現增大趨勢，當開挖至第24環時水平位移達到最大值，這是由于隧道的開挖造成地層損失以及富水砂層中孔隙水壓力的減小，導致樁基進一步變形。

盾構右線開挖進程中，對樁基產生沿X負方向的水平位移。右線開挖至第17環，盾構對樁基產生的X負向水平位移最大，1、6、11、16號樁水平位移分別為13.82，2.57，-4.15，-13.17 mm。疊加盾構左右線的影響，1、6號樁水平位移沿X正向逐漸減小；11、16號樁由于距離左線較遠而距離右線較近，產生的X負向水平位移大于左線產生的正向位移，最終水平位移沿X向為負。

盾構引起樁基發生的水平位移最大為16.13 mm，盾構開挖面距樁基軸線在1D(D為隧道直徑)范圍內，樁基發生水平位移5.65 mm，約為最大水平位移的35%；在2D范圍內，樁基發生水平位移9.96 mm，約為最大水平位移的60%；在3D范圍內，樁基發生的水平位移2.44 mm，約為最大水平位移的15%。盾構開挖面距樁基軸線在3D范圍內，對樁基產生影響；盾構開挖面距樁基軸線在2D范圍內，對樁基引起的水平位移超過總水平位移的85%，因此在盾構刀盤到樁基12 m時必須加強監測。

為進一步定量化分析樁基水平位移與樁基距離隧道遠近的關系，選擇盾構左線開挖至第17環時隧道水平中心深度處的水平位移，得到樁基水平位移與左隧道距離關系如圖5所示。

圖5 樁基水平位移與左隧道距離關系Fig.5 Relationship between horizontal displacement of pile foundation and distance of left tunnel

由圖5可知，樁基水平位移隨距離的增大而減小，在0～9 m范圍內，曲線斜率相對最大，水平位移變化相對最明顯，說明盾構在1.5D(9 m)范圍內對樁基礎水平位移的影響相對最大，此時，距離左隧道僅有1.25 m的1號樁水平位移值16.13 mm，距離左隧道8.35 m的樁基水平位移9.78 mm，樁基水平位移與距離基本呈線性變化。隨距左隧道越遠，樁基礎水平位移的減小趨勢變小，曲線斜率逐漸減小，最小水平位移2.07 mm位于距離左隧道36.25 m處的16號樁，一方面由于樁基距盾構較遠，受盾構開挖造成的地層損失變小，另一方面由于群樁的遮攔效應，使樁基水平位移的減小趨勢逐漸減小，最終趨于穩定狀態。

3.2 樁基內力分析

由于左右隧道距遠側樁基在6D范圍外，所以左線開挖對16號樁及右線開挖對1號樁的影響較小，可忽略不計。左右線開挖不同施工步時1號樁、16號樁的軸力、彎矩如圖6～9所示。

圖6 左線不同施工步開挖時1號樁剪力Fig.6 Shearing force of No.1 pile at different construction steps in left line excavation

圖7 左線不同施工步開挖時1號樁彎矩Fig.7 Bending moment of No.1 pile at different construction steps in left line excavation

由圖6～7可知，左線開挖時，剪力和彎矩隨樁體埋深基本呈先增大后減小趨勢。內力在隧道埋深范圍內變化較大，且隨開挖進程不斷接近樁基而逐漸增大。左線隧道開挖時，樁基上部產生正彎矩，開挖至樁身-10 m時，開始產生向左隧道趨近的負彎矩。1號樁在盾構刀盤開挖至2倍洞徑(施工步9)時的最大剪力為352.16 kN，最大彎矩為155.77 kN·m；當盾構刀盤到達樁基附近(施工步17)時，剪力最大值達到311.18 kN，最大彎矩增至181.51 kN·m；當盾尾穿過樁基(施工步25)時，剪力最大值為262.57 kN，彎矩最大值190.11 kN·m。

由圖8～9可知，右線隧道開挖時，樁基在埋深8 m范圍內產生遠離右隧道的負向彎矩，彎矩值先增大后減小。在樁身埋深6 m以下，樁體產生向右隧道趨近的正向彎矩，彎矩值隨樁深先增大后減小，在隧道中心處彎矩為最大值。16號樁在盾構刀盤開挖2倍洞徑(工況55)時的最大剪力為257.12 kN，最大彎矩為119.36 kN·m；當盾構刀盤到達樁基附近(工況63)時，最大剪力增至288.48 kN，最大彎矩為139.62 kN·m；當盾尾穿過樁基(工況71)時，最大剪力為329.26 kN，最大彎矩為146.24 kN·m。因此，盾構開挖對樁基剪力和彎矩會產生較大的影響，且隨施工進行上述影響具有疊加效應。在地下-10～-20 m范圍內，即豎直方向盾構1.5倍洞徑內，樁基和地層受擾動較明顯，引起樁基礎剪力和彎矩變化較大，進而可能影響樁基的正常承載能力。

圖8 右線不同施工步開挖時16號樁剪力Fig.8 Shearing force of No.16 pile at different construction steps in right line excavation

圖9 右線不同施工步開挖時16號樁彎矩Fig.9 Bending moment of No.16 pile at different construction steps in right line excavation

3.3 地表沉降分析

通過在數值計算模型地表X方向布置沉降監測點，得到盾構雙線掘進完成后地表不同位置處的沉降量分布，并與現場盾構施工地表沉降監測數據進行對比，如圖10所示。

圖10 雙線開挖完成后地表沉降分布Fig.10 Surface settlement distribution after completion of double-line excavation

由圖10可知，盾構雙線開挖完成后地表沉降分布整體呈W型沉降槽，其中2個峰值沉降分別在左右線隧道中心軸線地表處。左右線軸線處地表沉降量分別為5.01，5.12 mm。當距離隧道4倍洞徑時，地表沉降量斜率明顯變緩，表明富水砂層盾構開挖對地表沉降的影響范圍在4倍洞徑左右。隧道開挖造成土體損失和地下水位下降，使土體向隧道方向發生位移，帶動土中水的滲流，孔隙水壓力減小，進而使更大范圍內的土體產生位移，沉降槽范圍大于一般地層。在進行地表沉降監測點布置時，應在隧道兩側4D范圍內均需進行監測點布置。

兩隧道之間的樁基受到盾構開挖擾動造成土體產生沉降和較大的水平位移。此外，由于樁的存在，地表沉降量在樁基附近呈減小趨勢，這是由于樁基之間產生遮攔效應，起到加固土體的作用。

現場監測左右線軸線沉降量分別為5.33，5.36 mm，與數值計算沉降量相差較小，并且變化趨勢基本一致，說明數值計算結果具有一定的準確性。

4 結論

1)在盾構開挖面距樁基軸線2～3D范圍內，樁基發生的水平位移約為最大水平位移的15%；在1～2D范圍內，樁基發生的水平位移約為最大水平位移的60%；在1D范圍內，樁基水平位移約為最大水平位移的35%；在2D范圍內，盾構對樁基產生的影響達總水平位移的85%，對樁基影響顯著。

2)盾構施工橋樁基礎發生較大的水平位移。左線開挖時，距離最近的樁基水平位移為16.13 mm；右線開挖時，造成樁基的最大水平位移13.17 mm。盾構掘進過程，左右線軸線處地表沉降量最大分別為5.01，5.12 mm，富水砂層盾構開挖對地表沉降的影響范圍在4倍洞徑左右。

3)盾構使得園林河橋樁基剪力和彎矩增大，在盾構穿越過程中變化明顯。盾構到達前，樁體在隧道1.5倍洞徑范圍內剪力和彎矩增大；在盾構到達時，樁體剪力彎矩進一步增大。左線開挖到達時，距離隧道最近的樁基最大剪力為352.16 kN，最大彎矩為190.11 kN·m；右線開挖到達時，距離隧道最近的樁基最大剪力329.26 kN，最大彎矩為146.24 kN·m。在盾構穿越后，需對樁基剩余承載力進行驗算。

4)富水砂層盾構施工側穿園林河橋樁，引起橋樁產生較大的位移變形和內力分布，使橋樁基礎承載力下降，從而影響橋梁的安全使用。因此，在盾構到達橋樁前2D時，應加強橋樁變形的監測，并及時采取調整施工參數、地面注漿等加固保護措施，以減小對橋樁的影響。