地鐵盾構施工對鄰近建（構）筑物樁基的影響

劉健美

廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣東 廣州 510010

隨著我國國民經濟的不斷發展，當下城市化進程也在不斷加快，城市人口密度也隨之不斷增加。為了改善城市化帶來的交通擁堵現象，近年來，各地均加快了城市地下交通的建設。其中，盾構法施工在地鐵修建中扮演著重要角色，盾構機掘進過程中常需側穿、下穿一些既有高層建筑物。此時，在修建地鐵的工程中往往會與現有或擬建建筑物的基礎發生沖突，并對其穩定性造成不利的影響[1]。在這種情況下，盾構隧道施工時會對周圍土體產生擾動，而引起建筑物樁基產生一定附加應力和位移。因此研究盾構隧道施工對鄰近既有建筑物樁基的影響具有重要意義。

近年來，國內外學者對于地鐵隧道下穿建筑物對建筑物基礎的影響進行了大量的研究。王建偉[2]、張大鵬[3]、高福華[4]研究了盾構隧道開挖對鄰近橋梁樁基的位移、剪力和彎矩等的影響規律；黃生根等[5]對保證橋臺樁基礎穩定的加固托換技術進行了探討，并對盾構機設備改造措施的潛在風險進行了分析。梁超強等[6]和周學彬[7]通過數值分析模擬結合現場實測監控數據，分別研究了盾構隧道施工下穿現有淺基礎建筑物對建筑物沉降的影響和盾構隧道施工側穿老舊樁基礎建筑物對地表變形的影響，提出了技術措施保障盾構斜穿建筑物樁基群施工時地面建筑物的安全。Katebi等[8]利用ABAQUS有限元軟件詳細分析了隧道埋深、土體參數、隧道與建筑物間距、建筑物剛度等因素對襯砌應力及變形的影響。

目前，關于隧道盾構由中間穿越樁基群對于兩側樁基變形影響的研究相對較少。在盾構的施工過程中會擠壓土體以及使土體松動，并導致荷載的變化以及孔隙水壓力的變化，從而引起土體性質的改變等，引起樁基礎的變形[9]，進而對樁基側摩阻力與樁端總抗力產生不利的影響。因此，本文針對廣州地鐵18號線地鐵盾構隧道下穿番禺區東環街龍美村辦公樓及商業裙樓的樁基群案例，對隧道盾構掘進點與樁基的距離對于樁基變形的影響進行了現場的實時監測，并且結合三維數值模擬開展了深入的分析。研究結果為今后在隧道盾構掘進過程中，對下穿樁基礎的實時維護提供了實測依據，為盾構隧道與樁基礎共建施工提供一定的指導作用，有助于對周邊建筑物及周邊地層在盾構施工過程中的變形進行預測。

1 工程概況

廣州市地鐵18號線工程大致呈南北走向，起始于南沙萬頃沙樞紐，終止于天河廣州東站，線路全長61.3 km，均為地下線路。地鐵18號線共設站9座，其中換乘站8座。其中，番禺廣場站—南村萬博站區間地鐵盾構隧道下穿番禺區東環街龍美村的辦公樓及商業裙樓，如圖1所示。

圖1 地鐵18號線盾構隧道下穿辦公樓及商業裙樓平面示意

辦公樓及商業裙樓的樁基工程一部分于2019年完成，一部分于2020年完成，如圖2所示。擬建地鐵18號線區間隧道采用盾構法施工，上下線共穿越2019年施工完成的辦公樓及商業裙樓的3排樁（共38根樁基，Z1—Z38）。

圖2 地鐵18號線盾構隧道下穿辦公樓及商業裙樓樁基示意

番禺區東環街龍美村辦公樓及商業裙樓項目擬建辦公樓1棟，建筑高度104.50 m，商業裙樓1棟，建筑高度14.80 m，項目設2層地下室。因此，樁基礎變形和沉降的控制對于樓層的穩定至關重要。現階段，考慮到地鐵盾構隧道在施工時下穿對樁基變形的影響，在盾構機穿過樁基的過程中，對樁的側向位移以及沉降進行實時監測。

2 樁基設計和監測方案

2.1 監測方案

為了研究盾構隧道在掘進過程中，盾構機與樁基的距離對樁基位移的影響，在現場的樁基部位埋設了一定數量的監測點位，對盾構機掘進過程中樁基的位移進行了實時監測。盾構掘進速度右線為70～90 mm/min，左線為50～70 mm/min。在隧道左線盾構的過程中，選取了1號樁與2號樁基進行位移監測。其中，x方向為垂直于隧道的方向，y方向為平行于隧道的方向，如圖3所示。1號樁與2號樁都是嵌巖樁，樁長分別為58、52 m。在豎直方向上，從樁頂到樁底，每間隔1 m設置1個監測點位，所測得的位移結果為相對于隧道左線開挖前的位移。

圖3 檢測樁基與盾構隧道關系

2.2 樁基參數

龍美物鼎展覽城樁基礎采用直徑0.8～1.8 m灌注樁，樁基礎與區間隧道最小水平凈距為2.221 m。2019年施工完成的工程樁均采用混凝土旋挖灌注樁，樁徑為1.2～1.8 m，1號、2號樁的物理力學參數如表1所示。隧道結構頂標高為－18.79～－18.41 m，基坑底與隧道結構豎向最小凈距為28.08 m。支護樁嵌固深度8～11 m，支護樁與隧道結構豎向凈距為15.75～20.08 m。

表1 樁基的物理力學參數

3 盾構下穿建筑物監測結果

3.1 盾構距離對樁基水平側向位移的影響

圖4所示為不同盾構位置1號樁水平側向位移。從圖4（a）中可以看出，在左線盾構機未到達樁基時（管片編號792—807），隨著開挖步的進行，樁基在x方向整體的位移趨勢是往靠近隧道側移動，并且樁基會向著隧道的方向發生傾斜，樁頂位移比樁底位移大。而在左線盾構機經過樁基后（管片編號807—822），隨著開挖步的進行，樁基－30 m以下的部分向著遠離隧道側移動，而樁基－30 m以上的部分位移變化不大。分析認為，這是由于隧道開挖到達樁基之前，由于隧道開挖需要卸土，導致樁基在隧道側的土壓力小于另一側的土壓力，1號樁在x方向的位移會先向著隧道側發展，當隧道開挖超過樁基后，由于管片的拼裝，會對管道兩側的土體產生側向的壓力，所以1號樁在隧道開挖超過樁基后，x方向位移會向著遠離隧道側發展。1號樁整體的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。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。從圖4（b）中可以看出，隨著開挖步的進行，樁基y方向側移主要發生在樁頂（－10～0 m）與樁底（－50～－40 m）處。樁基最大的位移發生在盾構管片812處，這說明在y方向，1號樁的位移隨著開挖步的進行而增加，在盾構經過樁基一段距離后，位移會開始逐漸減小。并且1號樁在y方向的位移整體是向盾構掘進的反方向發展。

圖4 不同盾構位置下1號樁水平側向位移

圖5所示為不同盾構位置2號樁水平側向位移。從圖5（a）中可以看出，2號樁x方向的側移主要發生在樁基中部（－40～－20 m），在盾構管片812處達到最大的位移，比1號樁在x方向的側向位移大。2號樁在x方向的位移整體向著遠離隧道側發展。從圖5（b）中可以看出，隨著開挖步的進行，2號樁y方向側移向著隧道盾構的方向發展，并且樁基會向著隧道盾構的方向發生傾斜。相比1號樁，2號樁在y方向的側向位移更大，且2號樁會發生傾斜。這是由于2號樁的直徑小于1號樁，所以隧道管片對兩側土體的側向壓力對2號樁的影響較大，在x方向上，2號樁的位移就會向著遠離隧道側發展。在y方向上，由于隧道掘進時要卸土，未挖掘側的土壓力會大于挖掘側的土壓力，因此，1號、2號樁在y方向上的位移都會向著隧道掘進的反方向發展，并且由于2號樁的直徑較小，其在y方向上的位移明顯大于1號樁。

圖5 不同盾構位置下2號樁水平側向位移

3.2 樁基點位水平側向位移隨盾構距離的變化

圖6（a）所示為1號樁在－45 m處的水平側向位移動態情況。可以發現，隨著開挖步的進行，x方向和y方向上的位移都會發生來回的波動。在x方向上，1號樁在－45 m處的位移首先會向著靠近隧道側發展，當隧道掘進至管片800處，位移開始向著遠離隧道側發展。在y方向上，1號樁在－45 m處的位移主要是向著隧道盾構掘進反方向發展。圖6（b）所示為2號樁在－30 m處，隨著開挖步的進行，樁基水平側向位移的變化。

圖6 1號、2號樁水平側向位移的動態變化

可以發現，隨著開挖步的進行，x和y方向上的位移也會發生來回的波動。在x方向上，2號樁在－30 m處的位移向著遠離隧道側發展。在y方向上，2號樁的位移向著在隧道盾構掘進的反方向發展。相對于1號樁，2號樁在－30 m處的位移有明顯向著某一方向不斷發展的趨勢。

4 數值模型的建立

4.1 三維模型建立

計算模型采用MIDAS GTS/NX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（x方向）取120 m、沿隧道橫向（y方向）取60 m、豎直方向（z方向）取70 m，模型如圖7所示。模型底部施加固定約束，側面施加豎向滑動約束。網格劃分采用混合網格。

圖7 三維模型效果圖

4.2 材料參數選取

盾構機采用三維實體單元模擬，襯砌和盾尾漿體均采用二維板單元模擬，樁基采用MIDAS GTS/NX的樁單元模擬，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2。

表2 構件物理力學參數

根據地質條件，地層分為5層，采用MIDAS GTS/NX中的修正摩爾-庫侖模型模擬，該本構模型結合了虎克定律所表述的彈性行為與摩爾-庫侖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3。

表3 各巖土層物理力學參數

4.3 盾構施工模擬工況

數值模擬根據實際施工情況，先開挖右線再開挖左線，盾構施工模擬方法主要可以分為3個階段。第1階段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，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[10]取一均布的摩擦力p，p＝μσn，其中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。第3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。

5 盾構隧道對樁基的影響分析

5.1 數值分析效果驗證

圖8和圖9分別為1號樁和2號樁在盾構隧道管片編號822襯砌施工安裝完成后數值模擬計算結果與監測值的對比。由圖8、圖9中的數據對比可知，數值模擬結果與實際監測結果較為吻合，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。

圖8 1號樁位移模擬值與監測值比較

圖9 2號樁位移模擬值與監測值比較

5.2 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，建立數值模型，比較先開挖左線再開挖右線隧道（工況1）與先開挖右線再開挖左線隧道（工況2）時樁基的水平側移。

不同開挖順序下的樁基位移分別如圖10和圖11所示。從圖10中可見，1號樁工況1的x方向和y方向位移值和工況2類似，x方向上工況1側移方向與工況2相反，這是由于地鐵隧道左右線相對于1號樁呈對稱布置導致的；開挖順序的改變對1號樁x方向側移影響較大。從圖11可以看出，開挖順序的改變對2號樁側移的影響較大，x方向與y方向位移極值均大幅減小，這是由于2號樁與右線距離較遠，且左線先施工完成對土體變形的傳遞起到阻隔作用。

圖10 不同開挖順序下1號樁位移

圖11 不同開挖順序下2號樁位移

6 結語

本文針對廣州地鐵18號線盾構隧道下穿番禺區東環街龍美村的辦公樓及商業裙樓這一工程案例，研究了盾構隧道與樁基的距離對樁基位移的影響，并結合數值模擬的分析，得到了如下主要結論：

1）對于1號樁，隨著開挖步的進行，樁基在x方向整體的位移首先會往靠近隧道側方向移動，當隧道開挖超過樁基時，1號樁－30 m以下的部分向著遠離隧道側方向移動，并且樁基會向著隧道的方向發生傾斜，樁頂位移比樁底位移大。1號樁y方向側移主要發生在樁頂與樁底處。1號樁在y方向的位移整體是向著盾構掘進的反方向發展。對于2號樁，在x方向的側移主要發生在樁基中部，整體向著遠離隧道側發展。隨著開挖步的進行，2號樁y方向側移向著隧道盾構的方向發展，并且樁基會向著隧道盾構的方向發生傾斜。

2）在x方向上，1號樁在－45 m處的位移首先會向著靠近隧道側發展，當隧道掘進至管片編號800處，位移開始向著遠離隧道側發展。在y方向上，1號樁在－45 m處的位移主要是向著隧道盾構掘進反方向發展。在x方向上，2號樁在－30 m處的位移是向著遠離隧道側發展。在y方向上，2號樁的位移向著在隧道盾構掘進的反方向發展。相對于1號樁，2號樁在－30 m處的位移有明顯向著某一方向不斷發展的趨勢。

3）由于2號樁的直徑小于1號樁，隧道管片對兩側土體的側向壓力對2號樁的影響較大，在x方向上，2號樁的位移就會向著遠離隧道側發展。在y方向上，由于隧道掘進時要卸土，未挖掘側的土壓力會大于挖掘側的土壓力，因此，1號、2號樁在y方向上的位移都會向著隧道掘進的反方向發展，并且由于2號樁的直徑較小，其在y方向上的位移明顯大于1號樁。

4）1號樁受開挖順序改變影響較小，開挖順序改變會使2號樁變形量大幅減小，原因是已建隧道對土體變形的傳遞起阻隔作用。