隧道近接施工对既有桩基影响的研究进展

熊 刚，黄思勇，项敬辉

(天津市市政工程设计研究院 滨海分院，天津 300051)

随着经济和社会的快速发展，城市用地紧张的问题逐渐突显，使轨道交通等地下空间的开发利用应运而生。地下空间开发所带来的环境问题近年来受到广泛关注，其中隧道穿越既有建筑和桥梁基础的问题尤其突出［1-2］。隧道“近接施工”会引起周围地层的变形，从而引起隧道顶部或临近桩基的附加变形和内力，并可能降低其承载能力［1-3］。科学地预测和评估近接施工引起的桩基附加变形和内力变化，有利于保障既有结构的安全［1-3］。

隧道近接施工影响的预测与控制，已经成为学术界和工程界普遍关心的课题。王成等［1］研究了隧道近接施工桩基的安全系数，总结了安全系数的变化规律。黄茂松等［2］在 Chen和 Loganathan等人研究的基础上，提出了近接施工影响分析的二阶段解析法，并被王鑫和刘小兵［4］用于确定不同地层条件下的桩隧临界距离。杨超［5］，何川［6-7］，杨永平［8］和杨晓杰［9］等通过三维数值分析方法研究了深圳地铁一号线、广州地铁二号线和上海地铁11号线等隧道近接施工对既有结构基础的影响。

本文将总结国内外近接施工影响的研究进展和研究成果，并分析目前研究的局限性，提出今后的研究需重点关注的问题。

1 主要研究方法

目前主要的研究方法有经验判断法、理论解析法、数值分析法以及模型试验法［1-2］等几种。

1.1 经验判断法

经验判断法主要根据本地区工程经验，在相同地层环境及相似的穿越净距情况下，对同类工程近接施工影响做出一个基本判断。经验法简单，但存在一定的局限性，只有在特定的条件下使用，其结果才有参考价值。

1.2 二阶段理论解析法

近接施工影响的计算分析方法，主要有二阶段分析法和整体数值分析法两大类［2-4］。其中二阶段分析法的本质为理论解析法，即把隧道施工对桩基的影响分为两个阶段来分析:第一阶段分析隧道施工引起的桩周土体变形;第二阶段将桩周土的变形施加到桩上，分析桩的变形及内力变化。

根据同济大学黄茂松［2］等人的研究，第一阶段首先采用Loganathan等(1998)提出的解析公式估算隧道开挖引起的土体自由位移场，并用三次曲线进行拟合。采用等效平均地层损失比ε0来衡量隧道断面形状的改变［4-5］，地层损失比是隧道半径和隧道半径缩减间隙系数的函数。

第二阶段分析是基于Winkler地基模型，假定桩与土之间保持弹性接触而不发生滑移，用连续分布的弹簧来模拟桩土之间的相互作用。根据竖向深度处桩身位移与桩侧土位移相等原则，可得到土体竖向沉降对桩身位移影响的沉降控制方程，从而建立桩在被动位移下的荷载传递方程，计算单桩由于隧道开挖引起的位移和内力。对于群桩基础，尚需考虑群桩基础的遮拦效应。

二阶段解析法概念明确，易于接受。当穿越地层较为简单，无特殊地质状况时，可用该方法估算近接施工对既有桩基变形和内力的影响。这种方法的不足之处在于不能考虑土体的非线性，并且当地层损失比较大时，土体位移拟合误差较大［2］。

1.3 整体数值分析法

尽管二阶段解析法易接受，但是整体数值计算方法能够模拟隧道的实际施工过程［5］，考虑桩—土相互作用和被动群桩中桩—桩相互影响，以及土体各向异性和复杂的边界条件［2］。随着数值计算方法的发展和各种商业软件的开发与普及应用，数值计算越来越多地应用于设计和研究中。常用软件有 Ansys、Abaqus［12］、Midas/GTS、Flac 及 Plaxis。其中 Ansys［7］和Abaqus是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件，Midas/GTS、Flac及 Plaxis是岩土与隧道领域专用分析软件。

三维模型计算既能准确反映桩、隧之间的复杂位置关系，也可以考虑地层分布情况和土体的非线性特征。对于上部结构受力较为复杂的情况，三维模型还可以考虑各个方向的弯剪扭等结构荷载。

1.4 模型试验法

由于岩土问题的复杂性和实际条件的限制，现阶段开展大型的试验研究困难较大。目前室内离心机模型试验已经开始用于模拟隧道施工。西南交通大学的仇文革［10-11］等人通过离心模型试验模拟双孔盾构隧道近接施工，研究了衬砌结构横向内力的量值、分布规律以及随盾构推进距离和两隧道相对位置的变化规律［10］。通过定量控制隧道外套的水囊注放水的方式模拟盾构隧道的地层损失，研究了横断面地表沉降的量值、分布规律以及随盾构推进距离的变化规律，并提出了相应防护措施［11］。目前国内尚无离心机试验直接用于模拟隧道近接施工对桩基影响研究的报道。但是已有的室内离心模型试验的顺利开展，为隧道近接施工试验研究提供了一种新的研究手段。

2 近接施工影响研究

2.1 穿越特点分析

随着城市轨道交通事业飞速发展，近年来各地出现了大量的隧道近接施工问题，如上海地铁11号线穿越上海交大海洋工程重点实验室大楼［8］，成都地铁一号线穿越机场高速立交桥，还有天津地铁三号线穿越铁东路立交桥等。上述近接施工案例具有以下3个特点:

1)被穿越结构形式复杂多样。如广州地铁二号线穿越新南方购物中心下部桩基［8］;成都地铁一号线下穿某短桩基—框架结构［3］;天津地铁三号线下穿某立交桥。既有桩基底部穿越，也有桩基侧向穿越。下部基础既有单桩基础，也有群桩基础，甚至是超大群桩基础。

2)近期的工程与过去相比，不仅隧道工程规模大，而且与既有地下结构的距离更小［8-12］。如深圳地铁一期工程天虹—岗厦区间隧道与民房桩基近接距离仅为 0.31 m［7］。

3)近距离穿越的隧道既有直径6 m左右的单孔单线隧道，也出现了单孔双线隧道这样的大直径隧道近距离穿越既有建筑的新情况。

2.2 影响因素分析

隧道近接施工对既有桩基础的影响，主要受以下因素制约:

1)桩隧间距，包括桩基与隧道的竖向位置关系和水平位置关系。值得注意的是，并非相对较近的工程可以安全穿越，就以此推断净距稍远一些的工程也可以安全穿越。

2)被穿越构筑物的上部荷载和下部基础的布置形式。根据黄茂松等人的研究［2］，由于群桩的遮拦效应，单桩受到的影响大于群桩基础。

3)隧道结构的设计参数，如衬砌管片的刚度和环宽、隧道掘进过程中的出土速度、注浆量和注浆压力的控制等因素。这些因素直接影响着围岩荷载在各阶段的释放比例和速率。

2.3 今后需重点关注的问题

1)计算方法的取舍。对于隧道穿越地层情况比较复杂，土体非线性特征明显以及既有构筑物桩基分布特殊等情况，解析法和平面有限元法均不能准确反映近接施工的影响，采用三维数值计算，可以更准确地掌握施工的影响情况。

2)土体屈服准则和本构模型的确定。建模时土体本构模型的选择对结果的影响较大，现阶段分析多数采用Mohr-Coulomb模型［1-5］。不同的地质条件应选用不同的土体屈服准则。如剑桥本构模型可以更为准确地模拟北方地区的软土地质条件。

3)数值计算时，不同的本构模型，所需要的土体参数是不一样的。如M-C模型需要输入土层的黏聚力和摩擦角，而修正剑桥模型则需要输入固结指数、固结比、回弹指数等参数。

4)施工工况的模拟。盾构施工过程中，衬砌刚度的折减程度、土压力的分步释放系数［12］、顶进压力的取值大小、注浆压力与注浆量的控制均在不同程度上影响着模拟分析的结果。

5)开展反分析。将施工监测的结果与理论分析的结果进行对比分析和反分析，可以进一步修正和完善计算方法和计算理论。随着检测手段和方法的进步，现场施工监测和试验研究将变得越来越便利，这也有利于开展反分析研究。

6)运营阶段影响分析。目前极少对隧道运营阶段对桩基的影响展开研究。当隧道与周边建筑结构距离较近时，其运营阶段对邻近结构的安全影响也应成为关注的重点。

7)大直径盾构隧道已逐步在国内应用，如上海长江隧道盾构直径为15 m;天津地下直径线隧道盾构直径为11.6 m。目前对于大直径盾构隧道近接施工影响的研究还比较少，值得今后重点关注。

8)评估隧道近接施工对既有建筑的安全影响。现有的大部分研究集中在研究隧道近接施工对既有桩基的影响上。实际上不同的上部结构，其桩基础所能容许的变形能力和内力变化值是有一定区别的，有必要根据桩基的变形值，评估基础变形对桩基所服务的上部结构的安全影响。

3 结语

1)本文总结了隧道近接施工对既有桩基影响的四种研究方法，指出了每种研究方法有其自身的适用条件。随着近接穿越的复杂性和特殊性，三维数值计算将成为主要的研究方法。

2)通过总结国内部分隧道近接施工实例，可以看出隧道近接施工呈现净距越来越小，所穿越构筑物形式多样以及地层条件越来越复杂的趋势。

3)通过实测在建和已建的工程的参数，来修正计算模式和参数选择，有利于促进设计和分析理论的发展和进步。

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