盾構隧道近距離斜側穿建筑物群樁基礎施工參數影響研究*

王國富，劉逸輝，李 偉，榮文強，孫捷城

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101； 2.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101； 3.中鐵十局集團有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

盾構法因其具有安全性高、效率高、危害小、經濟性高等優勢，常作為地鐵隧道施工的首選方法[1]。當盾構隧道近距離穿越建筑物基礎時，受盾構掘進地層損失、盾構注漿不均勻等因素的影響[2]，易造成建筑物周圍地層擾動增大、鄰近樁基應力集中、群樁基礎沉降超標等安全風險。

目前，關于盾構隧道下穿建筑物穩定性分析及施工控制等方面的研究成果較豐富。Morton等[3]通過試驗，研究了盾構施工對樁基承載力與沉降的影響；Lee等[4]利用兩階段分析法分析了隧道幾何條件、樁徑、樁長等因素在隧道近接施工時對樁基的影響；Mroueh等[5]、Lee等[6]利用有限元法對隧道下穿樁基影響規律進行分析。成煒康等[7]通過MIDAS GTS NX進行數值模擬，分析盾構隧道下穿建筑物的不同階段對樁體位移、內力的影響；蘇培森[8]通過采用有限元軟件對盾構隧道下穿既有樁筏復合地基進行平面應變分析，探究了盾構隧道開挖對樁筏結構內力和地基應力影響的變化規律；黃昌富等[9]采用數值模擬和現場監測相結合的方法，對新建隧道側穿鄰近不同形式基礎的建筑物產生沉降進行研究，分析不同施工階段的沉降變化規律；徐前衛等[10]以北京地鐵8號線盾構側穿橋梁為工程依托，通過對盾構側穿橋梁基礎施工過程進行動態模擬分析，得出盾構穿越施工將導致地層和橋梁結構變形過大，并且提出適用的加固方案和盾構掘進參數的控制措施。

綜上所述，可見目前國內外研究成果主要集中于盾構隧道下穿施工對建筑物樁基穩定性等方面的影響，而對盾構隧道近距離穿越建筑物群樁基礎的施工參數影響規律及參數評價相對匱乏。然而隨著我國城市軌道交通的發展，地鐵隧道近距離穿越樁基的情況越來越多，穿越形式也越來越多樣化。因此，揭示盾構隧道近距離斜側穿建筑物群樁基礎的施工參數影響規律至關重要。

本文以濟南軌道交通1號線濟南西站—大楊莊站區間盾構隧道近距離斜側穿濟南西站東廣場建筑物管樁基礎為工程依托，通過數值模擬分析了不同施工參數下樁體位移和內力的變化規律，提出有效的穿越施工防控措施，以期為類似盾構隧道近距離穿越工程提供技術指導。

1 工程概況

濟南軌道交通1號線濟南西站—大楊莊站區間為盾構法施工區間，采用較大直徑的土壓平衡盾構機，刀盤外徑6.68m，管片外徑6.4m，內徑5.8m，區間隧道埋深16.6m。受周邊環境及線路走向限制，在鄰近濟南西站時，盾構隧道近距離斜側穿濟南西站東廣場群樁基礎，距離群樁基礎最近處僅2.7m。建筑物基礎類型為樁筏基礎，筏板厚0.5m，樁類型為混凝土PC管樁，管樁外徑0.5m、壁厚0.1m，樁長15m，如圖1所示。

圖1 側穿濟南西站東廣場位置示意

2 數值模擬

2.1 數值模型建立

數值分析模型沿x，y，z的計算尺寸分別為70，120，50m，其中x軸為橫斷面方向、y軸為掘進方向、z軸為豎向。為消除邊界條件的影響，模型側面約束水平位移，底面約束水平位移和豎向位移。土體采用Mohr-Coulomb本構模型。管片采用實體單元模擬，管片厚0.3m、寬1.2m，考慮到管片拼裝方式對結構剛度的影響，故將管片的材料參數折減35%[11-12]；在模擬盾構掘進時，為了提高計算效率，以每2環管片進行一次計算；注漿體采用等代層模擬，為了更加真實地反映實際工程施工情況，通過改變屬性來模擬注漿體的初凝階段和穩定階段的材料屬性；盾殼采用板單元模擬，厚度取0.1m。

地下建筑物(濟南西站東廣場主體)采用實體單元模擬，建筑物位于地表以下4.5m，模擬過程中對原有建筑物進行一定簡化。建筑物計算尺寸為30m×90m×9m，沿y軸距離邊界15m。建筑物筏板采用板單元模擬，建筑物管樁采用梁單元模擬。建筑物的內部荷載通過實體單元的重度來反映，建筑物的彈性模量采用C30混凝土構件的彈性模量。三維模型及樁隧空間位置如圖2所示。

圖2 三維模型及樁隧位置關系

2.2 模型參數確定

根據現場地質勘察資料報告，地下潛水(二)賦存于⑦2細砂層、⑦3粉土層、⑨2中砂層等，屬于第四系松散層孔隙水，接受降水補給和黃河徑流補給，以側向徑流、人工開采方式排泄，地下水水位取-4.5m。區間盾構穿越范圍地層依次為雜填土、粉土、粉質黏土、中砂、粉質黏土、卵石。各地層物理力學參數如表1所示。

表1 地層物理力學參數

2.3 分析工況

隧道開挖時，為模擬土壓平衡狀態，沿隧道掘進方向施加面力，其大小為169kPa。為了分析注漿量和注漿壓力對建筑物樁基的位移和內力影響，分別選取不同注漿量和注漿壓力進行數值模擬；考慮實際工程概況和濟南西站東廣場人流量情況，在模型地表地面上施加3.5kPa的均布荷載。具體計算工況如表2所示。

表2 計算工況

3 注漿量分析

3.1 注漿量對建筑物樁體位移的影響

施工沿掘進方向15m的襯砌管片時，在注漿壓力為300kPa下，不同注漿量下的樁體埋深與樁體位移關系曲線如圖3所示(選取的樁為距離盾構隧道最近處的建筑物管樁)，而注漿壓力為200，400kPa時不同注漿量提高量下的樁體位移如表3所示。由圖3可看出：①樁體橫向位移表現為向鄰近隧道彎曲，而縱向位移則沿隧道掘進方向變形。這主要是由于在橫向，盾構隧道施工會引起周圍土體應力釋放，導致靠近隧道一側應力減小，樁體兩側出現應力差，使樁體朝向隧道變形；而在縱向，由于掌子面壓力、盾構推力等作用，使得掘進方向前方土體產生壓應力，致使樁體沿掘進方向變形。②樁體橫向和縱向位移均表現為樁頂處較小，樁體位于隧道軸線深度處的變形最大。③不同注漿量下，樁體橫向和縱向位移的變化趨勢相似，隨著樁體埋深的增大，樁體位移先增大后減小，整體位移趨勢呈現“鼓凸”狀。④當注漿量提高量分別為30%，50%，70%時，樁體最大橫向位移分別為4.87，4.09，3.48mm，最大縱向位移分別為1.67，1.81，1.98mm，對比分析，當注漿量提高量由30%提高至50%時，樁體最大橫向位移降低16.0%，最大縱向位移增大8.48%；當注漿量提高量由原來的50%提高至70%時，樁體最大橫向位移降低14.9%，最大縱向位移增大9.40%。由此可見，當盾構隧道斜穿建筑物樁體時，樁體橫向位移會隨著注漿量的增大而逐漸減小，而樁體的縱向位移隨注漿量的增大而增大。

圖3 不同注漿量下樁體位移曲線

表3 不同注漿量下樁體位移 mm

3.2 注漿量對建筑物樁體內力的影響

施工沿掘進方向15m的襯砌管片時，在注漿壓力為300kPa下樁體軸力與注漿量提高量的關系曲線如圖4所示，定義樁體受拉時軸力為正，可看出：①不同注漿量下，樁體軸力變化趨勢相似，隨著樁體埋深的增大，軸力逐漸減小；②當注漿量增加時，樁頂軸力和樁底軸力基本不變，而樁身軸力略有增加，但其變化量相對過小，可忽略不計，因此，注漿量的變化對樁體軸力基本無影響。

圖4 不同注漿量下樁體軸力曲線

施工沿掘進方向15m的襯砌管片時，在注漿壓力為300kPa時，不同注漿量下樁體彎矩的變化曲線如圖5所示。定義彎矩值以靠近隧道一側樁體受拉為正。可看出：①雖然注漿量不同，但樁身彎矩的分布規律一致，為-13.5～-15.5m樁身右側受拉，-15.5～-19.5m樁身左側受拉，-19.5～-23.5m 樁身右側受拉，以下3.5m范圍內左側受拉，剩余樁體右側受拉。②樁身彎矩類似呈現“倒S”形，最大正彎矩位于隧道頂部水平線上，分別為11.5，20.7，27.9kN·m；最大負彎矩位于樁頂上，分別為12.5，29.8，48.0kN·m。③當注漿量增加時，樁體彎矩也隨之增大，值得注意的是，隨著注漿量的增大，隧道中心線處所對應的樁身彎矩逐漸由右側受拉狀態變為左側受拉狀態。

圖5 不同注漿量下樁體彎矩曲線

4 注漿壓力分析

4.1 注漿壓力對建筑物樁體位移的影響

施工沿掘進方向15m的襯砌管片時，在注漿量提高量為50%下，不同注漿壓力下的樁體位移曲線如圖6所示，而注漿量提高量為30%，70%時不同注漿壓力下的樁體位移如表4所示。由圖6可看出：①在不同注漿壓力下，樁體橫向和縱向位移變化趨勢相似，隨著樁體埋深的增大，橫向和縱向位移先增大后減少，變形曲線呈現“鼓凸”狀；②樁體最大橫向和縱向位移均出現在隧道中心線附近，樁頂位移較小，其原因是樁頂受筏板剛度的影響而限制其自由變形；③當注漿壓力分別為200，300，400kPa時，樁體最大橫向位移分別為4.99，4.09，3.49mm，樁體最大縱向位移分別為1.61，1.81，2.02mm，對比分析，當注漿壓力由200kPa增加到300kPa時，樁體最大橫向位移降低18.0%、最大縱向位移增大12.4%；當注漿壓力由300kPa增加到400kPa時，樁體最大橫向位移降低14.9%、最大縱向位移增大11.6%。由此可見，當注漿壓力增大時，樁體的橫向位移逐漸降低，而樁體的縱向位移逐漸增大。值得注意的是，蘇寶[13]提到隨著注漿壓力的增大，樁體的橫向位移增大而縱向位移逐漸減小，這與本文呈現趨勢不一致，其主要原因是盾構隧道是斜側穿建筑物樁基，樁體位移方向與隧道掘進方向呈一定夾角(非垂直狀態)，在進行盾構注漿時，注漿壓力對周圍圍巖有正應力和剪應力，此時，由注漿壓力產生的剪應力不可忽略且會造成樁體的縱向位移增加。

圖6 不同注漿壓力下樁體位移曲線

表4 不同注漿壓力下樁體位移 mm

4.2 注漿壓力對建筑物樁體內力的影響

施工沿掘進方向15m的襯砌管片時，在注漿量提高量為50%下，不同注漿壓力下樁體軸力隨注漿壓力的變化曲線如圖7所示，可看出：①不同注漿壓力下，樁體軸力變化趨勢相似，隨著樁體埋深的增大，軸力逐漸減小；②樁頂處軸力最大，樁端處軸力最小，其對應的最大軸力分別為1 272.4，1 295.9，1 318.8kN， 最小軸力分別為375.6，403.3，457.9kN；③當注漿壓力增大時，樁頂軸力無顯著變化，樁底軸力略微增大，其軸力變化主要集中于隧道中心線附近，表現為隨著注漿壓力的增大，樁體軸力逐漸增大。

圖7 不同注漿壓力下樁體軸力曲線

施工沿掘進方向15m的襯砌管片時，在注漿量提高量為50%下，不同注漿壓力下的樁體彎矩變化如圖8所示，可看出：樁身彎矩近似呈“倒S”形，最大負彎矩位于樁頂，最大正彎矩大致位于隧道頂部水平線上。從圖中不難發現，當注漿量一定時，隨著注漿壓力的增大，樁身彎矩隨之增大。

圖8 不同注漿壓力下樁體彎矩曲線

5 施工監測

由于條件限制，現場監測只能測得地表沉降數據，無法獲取樁體位移與內力數據，考慮到土體移動是導致樁體發生位移的直接原因，因此對地表的沉降值驗證與對樁體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。

盾構掘進30m時，地表監測的沉降值與數值模擬沉降值(工況S.5)的對比曲線如圖9所示，可看出，模擬值與監測值變化規律大致吻合，地表最大沉降變化值相差不大，進一步證明數值模擬的合理性。

圖9 地表沉降對比曲線

6 結語

1)在進行盾構注漿時，樁體橫向與縱向位移均呈現“鼓凸”狀，且位移最大值均位于隧道中心水平軸線處；樁身彎矩近似呈“倒S”形。

2)當注漿壓力不變時，隨著注漿量的增大，將導致樁體橫向位移減小、縱向位移增大。

3)當注漿量不變時，注漿壓力的增大會減小樁體的橫向位移，而增大樁體的縱向位移。因此，建議在滿足對注漿量和注漿壓力要求的情況下，當盾構隧道近距離斜側穿建筑物樁體時，其參數值不宜過大。

4)注漿量與注漿壓力的變化對樁體軸力和彎矩的影響規律相似，區別在于注漿量的增大對樁身軸力無顯著影響而會增大樁身彎矩；注漿壓力增大,樁身軸力和彎矩隨之增大。