新建人行橋樁基對已有地鐵隧道位移影響的數值分析

葉永富，曾 衛

佛山科學技術學院交通與土木建筑學院，廣東 佛山 528000

進入21世紀以來，面對日益增長的交通壓力，越來越多的城市開始規劃和發展地下軌道交通系統。隨著地下軌道交通系統在城市的分布越來越廣，不可避免地會遇到建筑與地下軌道的沖突，尤其是新建建筑物樁基與地下隧道相交或者臨近的問題［1］。根據文獻［2］，樁基施工會對隧道結構的位移造成影響，所以臨近隧道的樁基施工不僅要控制自身周邊的沉降要求，而且還要控制對隧道結構的影響，給設計和施工造成極大的挑戰。亟需研究樁基施工給已有隧道結構變形帶來的影響。

樁基施工會對周邊土體造成擾動，這個過程中可能對已有隧道產生不利的影響，例如拉伸、擠壓以及剪切破壞等。隨著近年來地下軌道交通系統的發展，國內學者開始重視建筑物和隧道施工相互影響的問題：樓曉明等［3］通過現場量測的方法研究了高層建筑樁基對隧道管片沉降、水平位移等問題，指出了樁基礎會對隧道周圍土層產生附加應力的結論；黃耀東［4］通過數值分析研究了緊鄰隧道的群樁施工安全性；文獻［5-8］通過現場實測和數值模擬的方法研究了緊鄰基坑工程對隧道變形的影響；文獻［9-10］研究了鋼管套筒施工對地鐵隧道結構位移和受力影響；文獻［11-13］則通過數值與實測分析了各類樁基施工對已有隧道影響；丁智等［14-15］通過實驗和數值模擬研究了不同埋深與凈距的橋樁與地鐵隧道之間的相互影響作用機理，提出了樁基鄰近既有地鐵隧道的施工影響區的概念。目前國內關于鄰近建筑施工對地鐵隧道影響的相關研究已經取得一定進展，但是這些研究中仍存在一些不足之處：有些研究在數值模擬中有關土體的分層設置較為簡單，土體厚度分布均勻，但是真實天然土體中土層的分布比較復雜，厚度分布不均，隧道有可能不止經過單一土層，采用更加細分和真實的土層設置，數值模擬結果會更加準確。

本文以某市臨地鐵隧道人行橋的樁基工程案例為研究背景，通過數值模擬方法研究樁基承臺位置、樁徑和樁底埋深對已有隧道結構的影響。研究成果可用于指導臨隧道樁基工程的施工與設計。

1 工程概況

1.1 工程介紹

佛山市為改善某路段的交通擁堵情況，減少交通事故的發生，擬建一座人行橋完善沿線的慢行系統。該項目鄰近一環線輕軌隧道，盾構隧道外徑8.5 m，內徑7.7 m，襯砌壁厚0.4 m，隧道頂部距地面33.4 m，目前該地鐵隧道已建成并鋪設無砟道床，即將鋪軌開通運營。該項目人行天橋樁基承臺長4.5 m，寬2 m，高1.5 m，樁體設計采用雙排樁設計，樁徑1 m，樁端埋深22.85 m，天橋樁基距離隧道中線18.2 m（凈距）。兩項工程的位置關系如圖1所示。

圖1 人行天橋與隧道位置簡圖Fig.1 Location of foot bridge and tunnel

1.2 場地情況和材料的力學參數

按施工現場勘探報告，目前該地區已勘明土層11層，頂層為雜填土，底部為微風化粉砂巖，具體地層力學參數見表1。樁體、承臺、隧道襯砌等結構均采用混凝土材料，其中樁體和承臺結構使用C35強度的混凝土，隧道襯砌結構使用C50強度的混凝土，具體材料參數見表2。

表1 巖土層主要物理力學參數Tab.1 Main physical and mechanical parameters of rock and soil layer

表2 隧道結構主要參數表Tab.2 Main parameters of tunnel structure

2 數值模擬方案設計

本文主要研究樁基施工對隧道變形的影響。通過設置樁體尺寸和承臺位置來研究人行天橋樁基施工過程以及投入使用后對已有隧道結構變形的影響。同時分析現有隧道在各工況下的位移情況和位移變化趨勢，進而得出各影響因素對現有隧道結構位移的影響以及影響的程度。

土體模型基本尺寸為：高度方向（z方向，正方向為豎直向上）取為74.4 m，模型長度寬度（x方向，即垂直隧道方向，正方向為水平向右）取為90 m，寬度（y方向，即平行隧道方向）取為68.7 m。模型隧道按實際取值，設內徑為7.7 m，襯砌厚度0.4 m，隧道外徑為8.5 m，隧道頂部距離地表33.4 m，人行天橋樁基承臺寬2 m、長4.5 m、高1.5 m。具體模型如圖2所示。對于計算中土體的邊界條件設置：地表為自由邊界條件，允許發生位移；模型的四周則限制其水平方向的位移；土體模型底部限制3個方向的位移。

圖2 模型尺寸參數：（a）立面圖，（b）頂視圖Fig.2 Model size parameters：（a）elevation，（b）top view

數值計算中，所有單元均采用實體單元進行計算。其中，襯砌、承臺和樁體剛度較大，計算時認為上述部件在樁基開挖和后期投入使用時仍處于彈性狀態，因此在數值模擬計算中使用彈性模型；對于土體，其剛度較小，且在開挖過程中可能發生塑性變形，所以在數值模擬計算中采用彈塑性模型，塑性部分采用摩爾庫倫模型。

樁體按照研究需求設置樁徑（1.0，0.9，0.8 m）、樁端埋深（22.85，24.85，26.85 m）以及樁基承臺邊緣與隧道中心的水平凈距（17.65，20.15，22.65 m），共計27組數值模擬。取分析結果進行對比，各個模型具體尺寸參數差異如表3所示。其中A、B、C組的變量為樁基直徑，1-3、4-6、7-9組的變量為承臺與隧道中心距離，1、2、3組的變量為樁端深度。

表3 數值模型尺寸對照表Tab.3 Comparison of numerical model size

根據工程施工的實際情況，采用多工況連續施工來模擬整個開挖過程和后續投入使用的過程，根據實際的已有隧道和樁基承臺的施工方案，將數值模型計算分為7個工況，具體的步驟為：

工況1：建模后土的初始地應力平衡，模擬在真實狀態下土體未開挖前的應力應變狀態；

工況2：隧道開挖區域單元模量降低，模擬開挖過程中隧道開挖區域應力釋放現象；

工況3：隧道襯砌施工和隧道開挖，隧道開挖區域單元移除，襯砌單元激活，襯砌和土體的接觸激活；

工況4：土體模型樁土區域單元模量降低，模擬樁基開挖過程中開挖部分應力釋放現象；

工況5：樁基施工，土體模型樁基區域單元移除，同時激活樁基單元以及樁基與土體間接觸；

工況6：土體模型承臺區域單元移除，同時激活承臺單元以及承臺與土體間接觸；

工況7：樁與承臺施工完畢后開始投入運營，通過對承臺頂部施加豎向力模擬運營期的結構自重荷載與人行荷載，大小為5 600 kN，均勻分布在承臺表面。

因為在計算過程中，隧道施工產生的位移并未清零，樁基施工過程對隧道襯砌整體位移的影響可以通過各工況隧道襯砌最終位移減去隧道施工后的位移計算得到。如圖3（a）所示，在襯砌模型中間截面順時針選取了A、B、C、D點作為監測點，其中A點臨近樁基一側，C點遠離樁基一側，B、D為隧道襯砌內截面的頂點和最低點。在襯砌模型兩端截面上選取A1和A2點，位置與A點一致，將兩點連接形成一條路徑，作為監測區域，如圖3（b）所示。

圖3 分析點位置圖：（a）隧道截面圖，（b）A1－A2路徑圖Fig.3 Location diagrams of analysis points：（a）tunnel cross section，（b）path diagram of A1－A2

3 數值計算結果分析

3.1 樁基施工對已有隧道的整體影響

對3組共計27個數值模型的計算結果進行分析，可以得出樁基施工對已有隧道的影響趨勢。由于27組數值模型的變形情況大致相同，所以選取A1組的計算結果進行總結。工況1到工況3主要模擬隧道開挖后的土體和隧道襯砌的位移狀態，由圖4可以看出隧道內部土體開挖卸荷后，隧道上部的土體由于自重應力作用而塌陷，隧道下部的土體由于上部土體的卸荷，產生了向上的隆起變形，對隧道襯砌上下兩端造成擠壓，有被輕微壓扁的趨勢。根據已有工程監測數據和相關研究中的數值模型，工況1至工況3中都能較好地模擬隧道襯砌和土體的變形，因此數值模型的計算結果具有較高的可信度。

圖4 A1組隧道施工后土體位移云圖：（a）X方向，（b）Z方向Fig.4 Cloud images of soil displacement after A1 group tunnel construction：（a）X direction，（b）Z direction

工況4至工況6主要模擬樁基開挖和澆筑后土體和隧道襯砌的位移狀態，在這些工況中，樁基和承臺的施工導致樁基周圍的土體先有一段時間的隆起，隨著承臺的澆筑完成，樁基周圍土體受承臺自重和土體自重的影響，產生一定的沉降位移。由圖5（a）可知樁基承臺整個施工過程中，會對隧道周圍土體造成一定的影響：①樁基的施工會對隧道和樁基中間的土體產生一定的擠壓，繼而對隧道造成影響，產生向隧道中心的位移；②由于樁基和承臺的施工，對土體施加向下的附加應力，工況3中向上膨脹的土體受到附加應力后產生向下的位移，且越靠近樁基位移越大，但該位移對隧道結構影響不大。

圖5 承臺施工后位移云圖：（a）土體位移圖，（b）隧道襯砌位移圖Fig.5 Cloud diagrams of soil and tunnel displacement after pile construction：（a）soil displacement，（b）tunnel lining displacement

工況7通過在承臺頂部均勻施加5 600 kN的面荷載，模擬了樁基承臺投入使用后對土體和隧道的影響。由圖6可知，工況7整體的變形情況與工況4至工況6中隧道和土體的變化情況基本一致，在樁基承臺頂部施加荷載后，樁基周圍的土體對隧道產生擠壓作用，產生較大的豎直向下的位移和一定的側向位移；相較于樁基承臺施工，施加上部荷載模擬樁基承臺投入使用對隧道結構造成的影響更大。

圖6 施加荷載后位移云圖：（a）土體位移圖，（b）隧道位移圖Fig.6 Cloud diagrams of soil and tunnel displacement after applying surface load：（a）soil displacement，（b）tunnel displacement

數值模型的計算結果表明，樁基和承臺的施工過程以及天橋后期投入使用均不會對隧道結構造成根本性破壞，同時樁基承臺施工所產生的隧道位移整體以向下（z負方向）的位移為主，以及一定側向（x正方向）向隧道中心的位移，隧道延伸方向（y方向）的位移可以忽略不計。

3.2 各項因素對隧道位移的影響

選取A1-A2路徑計算點［圖3（b）］的位移值進行分析，結果如圖7所示。圖7中，圖例A1/17.65/22.85表示A1組模型，即A組樁徑1 m，樁基與隧道中心距離為17.65 m，樁端深度為22.85 m，后續不再說明。由圖7（a，b，c）均可看出樁基與隧道的位置變化時，隧道位移產生較明顯的變化。對比A、B、C中的1、4、7組的位移曲線，可以發現當樁基與隧道的距離增加時，樁基施工引起隧道位移整體有所下降；同時可以看出，隧道整體位移的區間有所下降，并且變得更加均勻（即位移最大值與最小值的差值減小）。所以隨著樁基承臺與隧道中心距離的不斷增加，樁基承臺施工和后期投入使用時對隧道結構產生的影響會越來越小。

圖7 A1-A2路徑位移：（a）樁徑1.0 m，（b）樁徑0.9 m，（c）樁徑0.8 mFig.7 A1-A2 path displacement：（a）pile diameter 1.0 m，（b）pile diameter 0.9 m，（c）pile diameter 0.8 m

同時由圖7可以看出，樁基與隧道間距離的變化對其余因素的影響。當樁基與隧道的距離較近時，此時樁徑與樁端深度變化引起隧道位移變化的差異主要體現在隧道兩端，隧道中心的差異較小，但隨著兩者距離的增大，隧道中心位移的差值有所增大。分別對比圖7中A、B、C組中1、2、3組位移最大值的變化，可以看出當樁基與隧道的距離較近時，隧道整體位移對樁徑變化更敏感，樁端深度變化帶來的影響較??；同時從7、8、9組位移最大值的變化可以看出，隨著樁基與隧道距離的增加，樁端深度變化產生的影響大于樁徑變化產生的影響。

由圖8可以看出樁基直徑對隧道各點［圖3（a）］的影響，其中A、D點的位移均隨樁基直徑的減小而呈現下降的趨勢，這是因為樁的直徑越小，樁基施工過程中對周圍土體造成的影響越小，此時傳遞到隧道周圍土體的影響則越小，所以隧道在樁基施工過程中產生的位移會減??；但是B、C點的位移與A、D位移變化趨勢有所不同，在第5-7組對照試驗中呈現出相反的變化趨勢，這是因為在樁基施工對隧道產生豎向位移的同時，會對隧道襯砌本身產生逆時針的扭轉變形，在B、C點形成向上的位移，抵消一部分向下的位移，但是隨著樁徑的減小，因扭轉產生的向上的位移減小，被抵消的位移減小，所以呈現出B、C點位移隨樁徑變小而增大的變形趨勢。

樁端深度對隧道位移的影響。從圖8和圖7中可以看出隨著兩者凈距的增加，樁端深度的影響逐漸增大，此時隨著樁端深度的增加，隧道的位移有所下降。這與文獻［16］結論一致。雖然開挖深度有所增加，但深層土體由于受到上方土體的自重作用，土體更加密實。因此樁基施工對深層土體的擾動較小，土體對隧道的影響也隨之減小。

圖8 隧道截面四點位移：（a）A點，（b）B點，（c）C點，（d）D點Fig.8 Four-point displacement of midpoint section of tunnel：（a）point A，（b）point B，（c）point C，（d）point D

4 結論

（1）由模擬結果分析可知，樁基承臺施工會對已有隧道結構產生整體向下和向隧道中心的位移。

（2）樁基與隧道間距離為影響已有隧道結構位移的主要因素。樁基施工對已有隧道的影響隨兩者間的距離增加而減小，當兩者之間的距離較近時，距離引起隧道位移的變化主要體現在隧道兩端，隧道中心變化不大。

（3）當樁基與隧道距離不同時，樁徑和樁端深度變化產生影響會有所差異。當兩者距離較近時，樁徑變化造成的影響會更加明顯，樁端深度的影響較小；當兩者距離逐漸增加時，樁端深度變化造成的影響更加明顯。

（4）樁徑變化和樁端深度對已有隧道位移變化的影響：靠近樁基一側的隧道，隧道的位移會隨樁徑減小而減??；遠離樁基一側的隧道，隧道的位移會隨樁徑減小而有所增大；隨著樁端深度的增加，樁基施工對隧道整體產生的位移會逐漸減小。