地铁盾构施工对隧道间大直径桩基变形的影响研究

王 伟 钟启凯 陈 益 吴慧林 关章磊

中建三局集团有限公司工程总承包公司 湖北 武汉 430061

地铁作为一种高效便捷的城市交通运输方式，在近十年里得到迅速发展。但是面对日趋复杂的城市建设环境，地铁建设难免对城市中既有建（构）筑物造成不利影响，其中，高架道路桩基就是易受地铁直接影响的构筑物之一。

为此，许多专家学者研究了地铁隧道施工对一般建筑物桩基、高架桩基的影响[1-2]。

张志强等[3]以深圳地铁隧道近距离侧穿桩基工程（净距仅0.31 m）为研究对象，分析了桩基变形规律；李进军等[4]针对上海地铁隧道穿越对航站楼桩基的影响问题进行研究，发现盾构隧道穿越桩基产生的附加弯矩过大；杨晓杰[5]、朱逢斌等[6]则分析了地铁隧道对建筑物桩基承载性能的影响，研究比较深入、细致。与一般建筑物桩基有所不同，高架桩基具有直径大、埋深大、刚度大的特点。其中，杨广武等[7]采用FLAC3D 三维数值模拟软件分析地铁双线隧道在开挖和支护过程中，邻近桩基内力与变形的变化规律；朱彬等[8]以地铁隧道上部桥梁基础及地层为研究对象，采用数值方法模拟了隧道单线和双线开挖过程中地表的变形情况以及桥基间的差异沉降；曹云[9]、李彪[10]、宋慧林[11]等也分析了地铁隧道施工对桥梁桩基、高架桩基的影响，但上述研究限于各自工程特点，桩基均在地铁隧道某一侧，而桩基位于双线隧道中间、盾构施工诱发的变形规律仍有待研究[12-13]。

1 工程概况

长沙地铁某区间隧道采用盾构法施工，隧道埋深12.00～22.00 m，双线间距13.00～15.00 m。隧道开挖地层为强、中、微风化板岩，上覆黏土、粉质黏土、杂填土等。隧道施工采用土压平衡盾构机，刀盘直径6.28 m，同步安装管片，每环宽度1.50 m，厚度0.30 m。

在地铁区间线路与北二环高架道路交叉部位，北二环立交桥左右2幅各有一处桩基位于双线隧道之间。2处桩基均为大直径混凝土灌注桩，直径2.20 m，与隧道净距2.80～4.10 m，桩基参数见表1。桩基底面标高29.16 m，隧底标高27.71 m，隧顶标高33.71 m，隧道洞身地层为中风化板岩，地铁施工过程必然对桩基产生影响。

表1 桩基参数

2 数值模拟

根据地铁盾构施工情况，对单线隧道侧穿2处桩基进行模拟，研究桩基变形规律；在单线隧道侧穿桩基研究基础上，模拟另一线隧道相向、同向施工方式（图1）对桩基变形的影响，一方面为桩基防护措施提供依据，另一方面保证工程合理、高效施工。

图1 双线隧道施工顺序

2.1 三维数值计算模型及参数

本文采用有限差分软件FLAC3D对盾构施工过程进行三维数值模拟。数值计算模型长宽高为72 m（y）×75 m（x）×30 m（z），其中x向为隧道横断面方向，y向为隧道轴线方向，z向为竖直方向。地铁隧道位于模型中下部，轴线埋深19.89 m，简化后的桩基位于模型中部，并在桩顶施加应力，模拟上部结构荷载。

岩土体、桩基采用基于Mohr-Coulomb本构模型的实体单元进行模拟，桩基与岩土体之间采用接触面单元（Interface）连接。盾壳、管片均为弹性壳单元（Shell），岩土体及桩基物理力学参数见表2。模拟步骤：盾构掘进，开挖岩土体，对掌子面施加土仓压力；管片拼装；掘进、盾尾同步注浆；浆层硬化，固结沉降。

表2 盾构区间数值模拟采用的地层及材料物理力学参数

首先，模拟右侧单线隧道开挖，先侧穿E4桩基，后侧穿W4桩基；其次，分2种情况模拟隧道开挖，即在单线隧道开挖完毕后，进行同向开挖左侧隧道和相向开挖左侧隧道。

2.2 结果分析

2.2.1 单线隧道侧穿桩基数值模拟结果

2处高架桥桩基与开挖隧道净距分别为2.8 m和3.9 m，经过数值计算，得出其沉降结果（图2、图3）。地铁隧道侧穿桩基的过程中存在2个节点，即刀盘穿越桩基中心所在平面（与开挖面平行）和盾尾穿越桩基中心平面，2个节点将侧穿过程分为3个部分。从图2中可以看出，单线隧道侧穿桩基，刀盘穿越桩中心平面之前的桩顶沉降占桩顶总沉降的20%～30%；在刀盘穿越之后、盾尾穿越之前，桩顶沉降为桩顶总沉降的30%～40%；盾尾穿越以后的桩顶沉降占30%～40%，且盾尾穿越前后桩基沉降最大。这表明桩基沉降主要发生盾构机通过桩基中心所在平面的过程中，这一阶段也是对桩基采取防护措施、施工精细化控制的关键阶段。此外，由图3中曲线可知，桩身除了受到周围岩土体的影响发生沉降外，自身也有微小变形。桩身同一水平位置沉降差0.2～0.5 mm，且在距桩底4～7 m处沉降差更大，说明此处是隧道开挖引发地层变形、地层变形引发桩基变形的主要部位。

图2 单线隧道侧穿桩基桩顶中心沉降

图3 E4桩基沉降

在桩基中心剖面三维位移云图中（图4），x正向表示桩基趋向隧道，y表示表示隧道掘进方向，z正向表示竖直向上。从云图中看出，桩身x位移零点约距桩底6 m，桩身绕中性点发生转动，即桩身中上部向隧道侧倾斜、下部向另一侧翘起，桩顶桩底位移差值约3.1 mm；桩身y位移零点靠近桩顶左侧，桩体向隧道掘进方向产生位移，位移最大处位于桩身中部靠右侧，近隧道侧的桩身位移大于远隧道侧桩身位移，表明桩身中部向掘进方向轻微隆起，且桩身发生逆时针转动，桩身自下而上先后发生位移或变形。

图4 E4桩基中心剖面位移

2.2.2 双线隧道侧穿桩基数值模拟结果

在单线隧道侧穿桩基数值模拟基础上，对另一隧道盾构施工分别进行同向和相向模拟。从双线隧道侧穿桩基过程中，2个桩基的桩顶中心沉降曲线（图5）和隧道侧穿后E4桩基不均匀沉降（图6）中看出：

图5 双线隧道侧穿桩基桩顶中心沉降

图6 E4桩基沉降

1）同向施工和相向施工后，桩顶沉降基本相同，但是过程中沉降变化规律不同：同向施工前中期沉降小、后期沉降大，相向施工与之相反。

2）双线隧道施工顺序不同对桩身不同部位沉降基本无影响。双线隧道相向侧穿桩基过程中前中期沉降较大、后期沉降较小，主要是由于双线隧道同向施工时，后挖隧道沉降区域发展路径与先挖隧道相同，过程中岩土体及桩基对再次扰动不敏感，而相向施工时沉降区域发展路径与同向施工相反，前中期沉降反而更大。

2种不同的施工方式对桩基产生不同的影响，将桩身轴线向隧道侧倾斜曲线（图7）与隧道施工结束后桩基中心剖面的三维位移云图（图8、图9）进行对比可知，同向施工桩身中心剖面x位移零点距桩底14.1 m，相向施工x位移零点距桩底12.1 m，且相向施工的桩身x位移大于同向施工，表明相向施工下，桩基向先挖隧道侧倾斜更明显；同样，无论在哪种施工方式下，桩基均沿y正向倾斜，不同的是：同向施工y位移最大值位于桩身中部靠右侧，相向施工位于桩顶边缘靠右侧，说明同向施工引发桩身中部发生变形，相向施工引发桩身倾斜，且2种情况下桩身均发生逆时针转动。

3 现场实测数据分析

图7 桩身轴线x向位移

图8 双线隧道同向施工桩基中心剖面位移

图9 双线隧道相向施工桩基中心剖面位移

数值模拟的结果为双线隧道侧穿高架桩基施工提供了预测和参考，但其准确性仍需要现场监测的验证。在施工过程中，对2处桩基桩顶沉降进行了监测（图10、图11）。对比发现：第一，现场实测结果中桩体隆起比数值模拟明显，主要原因是盾构侧穿桩基过程中施工参数受到调整，偏于保守；第二，单线隧道施工后桩体沉降略大于数值模拟结果，双线隧道施工过程中，数值模拟沉降变化趋势与实测沉降吻合度较高。总体而言，现场监测结果比较贴近数值模拟结果，表明该数值模拟及其结果具有一定的参考价值。

图10 单线隧道侧穿桩基桩顶中心沉降

图11 双线隧道侧穿桩基桩顶中心沉降

4 结语

1）单线隧道侧穿桩基过程中，盾构刀盘（开挖面）穿越桩中心所在平面（与开挖面平行）前，桩顶沉降为总沉降的20%～30%，在开挖面穿越后、盾尾穿越前，桩顶沉降为总沉降的30%～40%，盾尾穿越后的桩顶沉降占30%～40%，盾尾穿越桩中心平面前后桩基沉降最大。

2）单线隧道侧穿桩基，桩身中部向掘进方向轻微隆起，且桩身发生逆时针转动，桩身自下而上先后发生位移或变形。

3）双线隧道相向侧穿桩基前中期沉降大、后期沉降小，同向侧穿与之相反，主要是由于双线隧道同向施工时，后挖隧道沉降区域发展路径与先挖隧道相同，过程中岩土体及桩基对再次扰动不敏感，而相向施工时沉降区域发展路径与同向施工相反，前中期沉降反而更大；同向施工引发桩身中部发生变形，相向施工引发桩身倾斜，且2种情况下桩身均发生逆时针转动。

4）双线隧道同向施工对桩基影响更小，是更好的选择。数值模拟结果与实测结果基本吻合，具有参考意义。