软土地区盾构隧道切削群桩基础对上方建筑物的影响研究

2018-03-20林东

现代城市轨道交通 2018年3期

林东

（中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南昆明 650220）

0 引言

针对盾构隧道如何顺利下穿既有地面建（构）筑物，减少地铁修建过程中的征拆数量，许多学者进行了大量的研究。彭立敏等[1]、丁祖德等[2]根据实际工况建立了大型三维有限元模型，对盾构掘进过程中有无浅基础建筑物的情况进行了对比分析，研究了盾构推进对地面建筑物变形的影响。姜忻良等[3]为研究框架结构受下穿隧道的影响，建立了仿真模型进行分析并与现场实测数据进行对比，得出了隧道正穿区域对建筑物的沉降影响最大的结论。葛世平等[4]为研究盾构下穿砌体结构时的施工期沉降及工后沉降对结构变形的影响，进行了大量的理论分析。李茂文[5]通过数值分析与现场实测相结合的方法研究了盾构隧道下穿对既有桥梁桩基础的受力变形影响。魏纲等[6]分析了盾构掘进系统参数与现场地表变形监测的关系，研究了盾构掘进时施工参数对地表建筑物沉降的影响规律。傅德明[7]关于盾构切削混凝土的模拟实验证明，在对刀盘进行改造的情况下，盾构直接切削钢筋混凝土施工是可行的。

本文基于前人的研究成果，以软土地区某地铁区间下穿某小区房屋为背景，采用三维数值方法及与现场监测数据进行对比分析方法，对软土地区盾构隧道切削群桩基础对上方建筑物的影响进行研究，以期为类似工程的设计施工提供有益的参考。

1 工程概况

某软土地区盾构隧道下穿小区楼房，该建筑为七层居民楼，基础采用振动沉管灌注桩，桩径为 420 mm，大部分桩长在 20～21 m 之间，灌注桩共 284 根，灌注桩钢筋笼主筋长 8 m，承台埋深 1.8 m。下穿范围内主要为素填土、泥炭质土、黏土、圆砾土。盾构隧道结构厚350 mm，外径 6.2 m，下穿段埋深约 15 m，隧道左右线下穿桩基部分共计 60 余根桩。

根据地铁盾构切削桩基的成功经验，在盾构推进前先对具有桩基的建（构）筑物进行预加固处理。根据现场情况，采取袖阀管注浆方案对小区房屋局部进行预加固，在盾构切削桩基通过后进行洞内二次注浆，后期再结合监测情况进行地面跟踪纠偏加固（图 1）。

2 数值模型分析

2.1 数值模型

本次分析采用国际通用的 FLAC3D有限差分软件。其三维模型网格划分情况如图 2 所示，模型中盾构隧道与基础的位置关系如图3所示。模拟过程中，土体均采用实体单元，本构关系采用 mohr-coulomb 准则。FLAC3D中桩基础采用桩单元模拟，桩之间的连系梁采用梁单元模拟，隧道结构采用壳单元模拟，各土层采用实体单元进行模拟。所有模型均为侧面法向位移约束，底面 3 个方向（X、Y、Z）的位移均约束。

图1 基础预加固措施布置图（单位：mm）

图2 三维模型网格划分图

图3 隧道与桩基础位置关系图

2.2 计算参数及步骤

计算参数的取值很大程度上决定了数值计算结果的可靠性，因此，数值计算成败的关键是确定参数的取值。本次分析采用地铁工程的详细勘察报告中土体的物理力学参数（表1），表1 中土层的黏聚力和内摩擦角采用直接快剪值。根据经验，数值分析过程中，土的弹性模量E取土的压缩模量Es的 3～5 倍。对于黏性土，采用E= 5Es进行计算，岩石类E和强度参数按铁路隧道设计规范中围岩分级情况选取。

表1 土层物理参数

为了反映建筑物初始应力状态及隧道开挖过程对建筑群的影响，仿真模拟按以下步骤进行。

（1）根据地层参数给相应的几何模型赋值，建立建筑物的基础，施加建筑物折算荷载（建筑物荷载按每层 18 kPa 折算）。

（2）对三维模型进行地应力平衡，并清零模型的位移场和速度场。

（3）先开挖隧道左线，施作相应的支护结构；计算收敛后，再开挖隧道右线，施作相应的支护结构。施作隧道结构的同时切除侵入隧道范围内的素桩，然后计算至模型收敛。

（4）整理计算结果，分析模拟过程中控制性建筑的受力变形情况。

3 盾构隧道施工对群桩基础建筑物的影响分析

3.1 群桩基础变形分析

本文数值计算主要针对区间隧道施工对群桩基础的影响展开理论分析。区间隧道开挖前地应力分布情况如图 4 所示，隧道开挖后房屋基础变形情况有所差异，图 5、图 6 是隧道开挖后该建筑物桩基变形分布云图（群桩顶的垫层变形情况）。

由图 5 可知，左线隧道贯通后，盾构施工使得该建筑物的桩基均产生了明显的沉降，最大沉降为 13.8 mm，最小沉降为 6.0 mm，差异沉降为7.8 mm；当隧道双线贯通后，桩基沉降有所增加，但增加的幅度不大，最大沉降为 14.4 mm，最小沉降为 6.7 mm，差异沉降为 7.7 mm。可见，区间隧道贯通后桩基最大沉降值和最大差异沉降均满足GB50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》要求。由图 6 可知，隧道贯通后，桩基的水平方向变形都很小，最大不过 0.5 mm。

图4 计算模型地应力分布（单位：Pa）

图5 群桩基础顶部竖向位移（单位：m）

3.2 群桩基础受力分析

图7给出了群桩基础轴力图，由图 7 可知，桩基在隧道开挖前全部受压，轴压力最大为 502.8 kN，隧道开挖后桩基受切削作用和地层变形扰动的影响，房屋沉降明显增加，桩基的轴压力也有所增加，桩基最大轴压力增至 568.3 kN。总体而言，桩基受切削作用及开挖扰动影响后，承载能力仍满足安全和功能要求。

图6 群桩基础顶部水平位移（单位：m）

图7 群桩基础轴力图（单位：N）

4 监测数据与分析结果对比

该区间隧道下穿小区房屋时进行了专项监测。图 8为监测数据中变形值最大的一组数据。从图 8 中可以看出，盾构接近桩基时，桩基已经受开挖影响有一定的变形，当左线隧道穿过桩基底部时，桩基沉降明显增大，而后慢慢趋于平稳；当右线隧道穿过桩基底部时，桩基沉降又有一次明显的增大，最后沉降量趋于收敛。最终最大的沉降为 13.18 mm，相对于数值计算的 14.4 mm 偏小了 8.5%，数值分析计算与现场实际相差较小。

5 结论与建议

（1）从数值仿真分析中可知：左线隧道贯通后，桩基产生了明显的沉降，最大沉降为 13.8 mm，最小沉降为 6.0 mm，差异沉降为 7.8 mm；当隧道双线贯通后，最大沉降为 14.4 mm，最小沉降为 6.7 mm，差异沉降为 7.7 mm；桩基水平方向的变形不超过 0.5 mm。各项变形指标满足规范要求。