地鐵隧道下穿既有建筑樁基礎的影響分析

摘要：地鐵隧道在施工過程中，隧道下穿上部建筑物時會對樁基礎受力和變形造成影響。同時，在施工過程中樁基礎的卸載也會影響到隧道結構的受力。因此，研究地鐵隧道下穿建筑物樁基礎具有重要意義。本文以成都地鐵6號線下穿攪拌站樁基礎為工程背景，利用Midas GTS軟件建立樁基-隧道三維數值計算模型，對地鐵隧道下穿既有建筑物樁基礎采用三臺階預留核心土法施工技術進行數值分析，并結合地表沉降監測數值進行對比分析。結果表明：隧道開挖后，圍巖位移、樁基礎位移、樁基礎應力和地表沉降值均較小，說明施工安全可靠。同時，將地表沉降模擬值和實測值進行比較分析，發現兩者變化規律基本一致且相對誤差較小，證明所建立的數值模型比較合理。

關鍵詞：地鐵隧道；下穿；樁基礎；地表沉降；數值模擬；現場監測

中圖分類號：U456.3""""""""" 文獻標識碼：A""""""""""" 文章編號：

Analysis of the Influence of Subway Tunnel underneath Existing Building Pile Foundation

ZHANG Wenhao1，2，WANG Xin1*，KOU Junshu3，DENG Xianghui1，TAN Peng4

（1：Civil amp; Architecture Engineering， Xi'an Technological University， Xi'an Shaanxi 710021，China; 2：China Railway 15th Bureau Group Co.， Ltd.， Chengdu Sichuan 610000，China; 3：Qingdao Metro Group Co.， Ltd.， Second Construction Branch， Qingdao Shandong 266000，China; 4：Unit 91144 of the People's Liberation Army，Qingdao Shandong 266000，China）

Abstract：In the construction process of subway tunnel， the stress and deformation of pile foundation will be affected when the tunnel passes through the upper building. At the same time， the unloading of pile foundation during construction will also affect the stress of tunnel structure. Therefore， it is of great significance to study the pile foundation of subway tunnels under buildings. In this paper， the pile foundation of Chengdu Metro Line 6 underneath the mixing station is taken as the engineering background， the Midas GTS software is used to establish the three-dimensional numerical calculation model of pile foundation-tunnel， the three-bench reserved core soil method construction technology is used for numerical analysis of the pile foundation of the subway tunnel underneath the existing building， and the comparative analysis is carried out in combination with the surface settlement monitoring value. The results show that after the excavation of the tunnel， the displacement of the surrounding rock， the displacement of the pile foundation， the stress of the pile foundation and the surface settlement are small， indicating that the construction is safe and reliable. At the same time， the simulated and measured values of surface subsidence are compared and analyzed， it is found that the variation law of the two is basically the same and the relative error is small， which proves that the established numerical model is reasonable.

Keywords：subway tunnel; down-traversing; pile foundation; land surface settlement; numerical simulation; field monitoring

0 引言

隨著我國城市的快速發展，大城市人口急劇增長，在大城市修建地鐵成為緩解交通的有效手段。但是，隨著城市地鐵的發展，經常會臨近或者穿越建筑物基礎。如果地鐵隧道施工控制出現問題，會嚴重威脅到臨近建筑物的安全。因此，在地鐵隧道臨近或穿越城市既有建筑物時，采用合理的施工方法和支護措施是非常重要的[1-3]。

目前，對于地鐵隧道施工對臨近建筑物影響的研究有很多，特別是地鐵盾構隧道臨近建筑物、側穿建筑物、下穿建筑物等情況的施工方法比較多[4-6]。例如楊貴永等[7]通過數值模擬對區間隧道下穿佛開高速橋進行研究，分析了隧道施工過程中樁基礎受力變形規律，并得到地鐵隧道施工引起的橋樁位移和受力均符合控制標準。張建華等[8]以杭州地鐵4號線下穿電力隧道切削樁基為工程依托，采用數值模擬和現場監測的方法研究地鐵隧道下穿時切削樁基對地表沉降的影響，結果得到切削樁基期間地表沉降最為明顯，控制盾構機與樁基礎的距離在6 m以內有利于施工順利進行。楊雄等[9]以貴陽機場站隧道下穿高架橋為工程背景，提出了樁基沉降的控制標準，合理劃分隧道施工對樁基工程影響分區。成煒康等[10]以鄭州粉細砂層地區地鐵隧道施工為工程背景，在地鐵隧道下穿既有建筑樁基礎時，對樁基礎位移和內力產生了影響，得出隧道下穿施工時，樁基礎底部變形最為顯著，而距離隧道洞徑1倍以內的位置，則存在樁身軸力的最大值。許桂生[11]依托某實際工程，通過數值模擬的方法研究隧道下穿施工對地層和樁基礎的變形規律，得出樁基礎加固寬度和深度分別為2.5 m和25 m時對工程經濟效益有利，且樁基最大沉降符合施工規范。賀文波[12]依托某隧道工程，通過數值模擬研究盾構隧道下穿和近穿施工對樁基礎的影響，結果得到地鐵隧道施工至樁基礎前10 m和后12 m時，樁基礎沉降明顯增加，而在隧道施工至樁基礎位置時，側負摩阻力呈現出明顯增大的趨勢。

從上述分析可見，目前地鐵隧道施工對樁基礎的影響研究大多集中于樁基礎的受力變形，沒有同時考慮地鐵隧道下穿時隧道、樁基礎及地表受到的影響。因此，本文基于成都軌道交通6號線下穿攪拌站樁基礎工程，采用數值模擬分析隧道、樁基礎及地表的位移和受力，通過現場實測對數值結果進行對比分析，以驗證分析的合理性。

1 工程概況

成都軌道交通6號線三期工程始于高新區觀東路站，止于雙流區蘭家溝站，是一條連接雙流區、天府新區與高新區形成“米+環+放射”地鐵運營網絡的重要線路。隧道全長為23.37 km，其中隧道出入場線與攪拌站樁基礎平面相交范圍為RDK1+195～RDK1+215，RDK1+240～RDK1+295，位置關系如圖1所示。隧道從上到下地層分布為黏土、含黏土卵石、中風化泥巖，地鐵隧道穿越中風化泥巖。隧道采用單洞雙線斷面型式，三臺階預留核心土法施工，采用初期支護+二次襯砌的復合襯砌結構型式。

建筑樁基采用直徑為500 mm的預應力混凝土管樁，全部為摩擦端承樁，樁身混凝土強度等級為C80，壁厚≥125 mm，沉樁方式為錘擊樁，單樁豎向承載力特征值≥1 500 kN。樁身位于黏土和含黏土卵石層中，樁底位于含黏土卵石層中，與隧道結構拱頂豎向間距約為18 m。該地塊樁基礎樁長為14 m，主站的承臺和柱子采用C30鋼筋混凝土結構。

2 建立數值模型

2.1 模型建立

根據隧道結構設計資料，通過Midas GTS數值模擬軟件建立地鐵隧道下穿樁承臺基礎的整體數值模型（見圖2）。對于該計算模型，X方向為模型寬度方向，Y方向為隧道開挖方向，Z方向為重力方向，模型寬度范圍取隧道直徑的5～6倍，模型尺寸為75 m×75 m×70 m（長×寬×高）。其中，初期支護結構采用二維板單元模擬，樁基礎結構采用一維梁單元模擬，土層、承臺及隧道等結構均采用三維實體模擬。該模型模擬的施工過程與隧道實際施工過程相一致，然而，考慮到計算體量大且時間緊迫，隧道開挖進尺與實際有存在一定差異，在計算中通過設置荷載釋放系數來模擬地鐵隧道真實施工過程。

2.2 模型參數選取

在數值模擬計算中，土體側限條件下的壓縮模量ES，采用彈性模量E0，根據工程經驗EV=（2～5）ES計算土體材料的彈性模量E0，模型各力學參數具體取值見表1。

3 數值模擬結果分析

由于三臺階預留核心土法開挖隧道會引起圍巖變形、應力重分布、地表沉降及樁基礎沉降變形等問題[13-14]，因此根據數值模擬計算結果，從地表沉降、樁基礎受力變形及隧道結構受力等方面進行分析。

3.1 圍巖位移分析

有限元數值模擬所得地鐵隧道開挖后的圍巖位移云圖，如圖3～圖4所示。

由圖3可以看出，隧道開挖卸荷作用導致隧道圍巖發生向內的變形。豎直方向上，在拱頂和仰拱處出現較大的位移，而地表沉降主要集中隧道正上方位置。具體數據顯示，拱頂沉降最大值為23.70 mm，仰拱隆起最大值為39.68 mm。由圖4可以看出，在水平方向上，隧道圍巖兩側拱腳處位移較大，且位移最大值為16.81 mm。

3.2 樁基礎位移分析

隧道開挖后，樁基礎的受力和沉降直接影響隧道施工安全。因此，對地鐵隧道開挖后樁基沉降的受力和位移進行分析。樁基礎沉降位移云圖如圖5所示。隨著隧道的開挖進度，隧道掌子面最先到達X號樁處，對其產生的位移影響較大，因此對X號樁的沉降位移展開分析，并繪制出沉降變化曲線如圖6所示。

由圖5可知，隧道開挖后，樁基礎沉降基本呈對稱分布，且樁基礎沉降受隧道開挖影響最大的是隧道正上方兩排樁，樁基礎沉降最大位移值僅為8.46 mm。很容易看出樁距離隧道的距離越遠，所受的位移影響就越小。這是由于隧道正上方兩排樁距離隧道較近，隧道開挖對距離較近的建筑物影響較大。

由圖6可知，隨著地鐵隧道的開挖，掌子面與X號樁距離越來越近，導致X號樁沉降速率不斷增加。在隧道開挖前20 m內X號樁沉降速率較快，而在施工至20 m直到隧道貫通后，X號樁沉降值逐漸趨于穩定，且達到沉降最大值8.46 mm。這是由于隨著隧道的開挖，掌子面距離X號樁越來越近，對周邊圍巖擾動較大，進而導致上部樁基礎沉降速率較快。

3.3 地表沉降分析

有限元數值模擬所得地鐵隧道開挖后的地表沉降位移云圖如圖7所示。

由圖7可以看出，地鐵隧道開挖后，地表發生了明顯的不均勻沉降現象。地表沉降位移呈對稱分布，且地表距離隧道中軸線越近，地表沉降越大。此外，在隧道正上方位置的地表沉降最為明顯，其中最大值出現在樁承臺基礎處，其值為8.2 mm。

為了評估隧道施工對地表既有建（構）筑物的影響，以隧道縱向中間斷面地表為監測點提取，隧道施工過程中地表沉降監測點位于隧道縱向中間斷面地表處，如圖8所示。

在實際施工過程中，隨著地鐵隧道的開挖，分析了隧道掘進過程中的地表沉降的變化規律，RDK1+215斷面處地表沉降隨隧道開挖進度的變化趨勢如圖9所示。隧道施工造成地表沉降的分布基本符合高斯函數曲線，與Peck公式擬合結果接近。由于采用三臺階環形預留核心土法開挖，地表沉降槽有向側邊偏移的趨勢。從橫向沉降槽的量值看，隧道開挖造成地表沉降的最大值約為8.2 mm，位于開挖隧道正上方位置。以沉降槽橫向分布情況計算基礎差異沉降斜度為（8.2-2）/75 000=8.7×10-5，遠小于現行標準規定0.001，因此可認為隧道施工造成地表凹陷對建筑基礎變形影響較小。

3.4 現場實測和對比分析

本項目對地鐵隧道下穿樁基礎段進行了全程監測，并以典型斷面RDK1+215作為分析對象。首先根據數值模擬結果得到RDK1+215斷面對應監測點的地表沉降模擬值，然后將地表沉降模擬值與現場實測值進行對比分析，具體結果見表2。同時，分析了地表沉降的模擬值和實測值變化規律曲線，如圖10所示。

由圖10可以看出，無論是地表沉降的模擬值還是實測值，監測點距離隧道中軸線越遠，地表沉降值越小，且地表沉降值以隧道中軸線為對稱軸呈對稱分布，規律基本一致。同時，地表沉降監測的最大值出現在隧道正上方處，其值為8.10 mm，符合現場監控量測規范，說明施工方法安全可靠。此外，根據表2的地表沉降誤差分析，地表沉降的模擬值和實測值最大誤差為8.0%，最小誤差為1.1%，平均誤差為3.9%，誤差相對較小，從而，進一步證明了該數值模型的正確性。

4 結論

本文以成都軌道交通6號線出入場線下穿樁基礎攪拌站為依托，采用Midas GTS有限元軟件建立樁基礎-隧道三維數值計算模型，對地鐵隧道下穿既有建筑物地表沉降控制進行研究，并通過現場監控量測對數值模擬地表沉降結果進行分析判斷，得到如下結論：

1） 通過分析隧道圍巖位移，得到隧道開挖后圍巖位移較小，隧道安全性可控；隧道開

挖完成后，樁基礎最大沉降值僅為8.76 mm，造成樁基礎軸力減小為2.5%，最大負彎矩減小為2.1%，最大正彎矩減小為0.57%，整體上隧道施工對樁基礎的變形和受力影響均較小。

2） 通過數值模擬分析了地表沉降的變化規律，并將地表沉降模擬結果與現場監測數值

進行對比分析，發現地表沉降的最大值出現在隧道正上方，且監測點距離隧道中心線越遠，地表沉降值越小，數值模擬結果和實測結果規律基本一致。地表沉降實測值與模擬值平均誤差僅為3.9%，誤差相對較小，進一步證明了數值模型的合理性。

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編輯：劉 巖

收稿日期：2024-07-01

基金項目：國家自然科學基金項目（42301155）；陜西省科技廳自然科學基金（2023-JC-YB-327）；陜西省教育廳服務地方專項項目（22JC040）

作者簡介：張紋豪（1988～），男，山東省菏澤市人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：隧道與地下工程。

*通信作者：汪 鑫（1998～），男，寧夏回族自治區中衛市人，碩士，主要從事隧道與地下工程的研究，E-mail： 1906231856@qq.com