盾构隧道近接桩基影响及加固方式研究

郭文琦，陈 兵

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

近年来，随着我国地铁的大量建设和盾构技术的发展，盾构法在地铁建设中成为首选的工法[1]。同时，由于地铁、桩基等交通基础设施的大量建设，使得两者近接的情况愈发常见[2-3]。

针对地铁隧道与其他建筑物接近施工的情况，学者们进行了一系列研究。丁智等[4]通过模型试验、数值计算和现场监测相结合的方法对桥梁桩基础与地铁隧道近接施工的相互影响及控制保护技术进行了研究。陈卓等[5]通过FLAC3D三维数值模型，分析计算了地铁车站隧道群近接桥梁结构施工引起的附加变形及受力，并且对桥梁加固措施的安全性进行了评价。沈建文等[6]以盾构隧道穿越桥桩实际工程为依托，通过有限元数值计算方法模拟了盾构隧道施工对临近桥桩的桩体沉降、桩体侧移、地表沉降的影响，并将结果与现场监测结果进行了验证。单生彪等[7]通过数值模拟的方法计算不同注浆压力和不同近接距离下盾构隧道施工的过程，并且分析了衬砌结构近接桥桩的施工力学响应。毛新颖等[8]通过数值计算的方法对盾构到达公路隧道前、穿越过程中、盾尾离开公路隧道的全过程进行了三维数值模拟，得出了盾构下穿近接公路隧道的影响规律。

现有的研究主要集中在隧道接近建筑物施工对建筑物的影响。本文以佛山地铁2号线工程为依托，通过数值计算的方法，研究了盾构隧道周围土体在不同注浆加固方式下施工对地层沉降及桩基变形的影响。

1 工程概况

佛山地铁2号线盾构隧道下穿文登河公路涵，公路涵桩基的松木桩桩长5 m，桩径0.12 m，桩身间距0.48 m。隧道位于粉细砂、中粗砂地层，距离桩基净距为7.6 m，隧道埋深约16.8 m，覆盖层从上至下主要为：素填土、淤泥质粉细砂、淤泥质中粗砂、中粗砂、强风化砂质泥岩、中风化砂质泥岩。根据沿线建构筑物保护分类原则的规定，需做主动加固处理，通过合理的施工方案和施工组织控制地层位移，并采取信息化设计和信息化施工的措施。采用洞内注浆加固方式进行加固，同时也能改善开挖面土体性质，有利于盾构隧道开挖面稳定和盾构姿态的控制。区间隧道与文登公路涵的松木桩平面上基本呈正交，区间隧道与桩基剖面关系见图1。

图1 区间隧道与桩基剖面关系景

2 数值模拟

2.1 有限元模型

盾构隧道开挖过程采用在开挖边界上释放节点荷载的方式进行模拟。建筑物桩基所受荷载包括建筑物自重、楼面荷载等恒载及活载，在建模中，不考虑基础及其以上部分，本文研究的是盾构掘进过程产生的附加应力和附加位移对桩基的影响，故计算时不考虑作用在桩基础顶面上的竖向均布面力。建模过程中，土体、管片及桩基选用Solid45三维实体单元模拟。模型上边界为地面，左、右、下边界满足与隧道净距均大于等于3D要求，其长宽高分别为48 m×24 m×37 m。衬砌管片厚0.3 m，幅宽1.2 m，隧道埋深约16.8 m。

为了减小下穿对文登河公路涵桩基的影响，施工中应严格控制地层损失率以及盾构推进压力等盾构掘进参数，盾构通过前对开挖断面周围土体进行适量预注浆加固，同时为了减小砂土地层对盾构开挖的影响，对砂土地层进行了注浆加固处理，注浆加固区域如图2所示。

图2 盾构周围土体注浆加固

2.2 模型材料参数

按照地质纵断面图，有限元模型中自上而下取五种不同土(岩)层进行计算，自上而下分别为素填土、淤泥质粉细砂、淤泥质中粗砂、中粗砂、强风化砂质泥岩、中风化砂质泥岩。采用不同的材料分别模拟地层、桩基础、注浆加固区、管片衬砌。模型选取管片材料参数及隧道所穿越地层的物理力学参数如表1所示。

表1 计算采用土体及衬砌材料参数

3 结果分析

本试验中共对四种盾构隧道周围土体进行研究，分别是原状土和每1 m3原状土掺加超细水泥200 kg、300 kg、400 kg的改良土。

3.1 地层沉降分析

左洞开挖后地表参考面沉降曲线和双洞开挖后地表参考面沉降曲线分别如图3和图4所示。

图3 左洞开挖后地表参考面沉降曲线

图4 双洞开挖后地表参考面沉降曲线

左洞开挖后，对于未进行加固改良的原状土，隧道正上方地表地层沉降值为25.6 mm。对于每1 m3原状土掺加超细水泥200 kg的改良土，隧道正上方地表地层沉降值为17.6 mm。对于每1 m3原状土掺加超细水泥300 kg的改良土，隧道正上方地表地层沉降值为14.5 mm。对于每1 m3原状土掺加超细水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地层沉降值为10.2 mm，比未加固地层减小了15.2 mm。

双线贯通后，对于未进行加固改良的原状土，两隧道中间正上方地表地层沉降值为35.6 mm。对于每1 m3原状土掺加超细水泥200 kg的改良土，隧道正上方地表地层沉降值为23.8 mm。对于每1 m3原状土掺加超细水泥300 kg的改良土，隧道正上方地表地层沉降值为15.2 mm。对于每1 m3原状土掺加超细水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地层沉降值为12.9 mm，比未加固地层减小了63.76 %。如图4所示，说明注浆加固能有效减小地表沉降。

3.2 桩基变形分析

将四种盾构隧道周围土体下桩基的变形结果汇总如表2所示。

表2 加固前后桩基位移最大值对比 mm

由表2可知，对于未进行加固改良的原状土，桩基最大X方向位移为5.3 mm，最大Y方向位移为36.6 mm。对于每1 m3原状土掺加超细水泥200 kg的改良土，桩基最大X方向位移为3.8 mm，最大Y方向位移为24.2 mm。对于每1 m3原状土掺加超细水泥300 kg的改良土，桩基最大X方向位移为3.1 mm，最大Y方向位移为18.7 mm。对于每1 m3原状土掺加超细水泥400 kg的改良土，桩基最大X方向位移为2.4 mm，比未加固地层减少了54.72 %，最大Y方向位移为13.8 mm，比未加固地层减少了62.3 %。因此，注浆加固可显著减小桩基的变形。

4 结论

本文以佛山地铁2号线盾构隧道工程为依托，通过 ANASYS软件盾构隧道下穿文登河公路涵桩基的工况进行了建模计算，并对比了不同加固方式下地表沉降和桩基的变形，得到以下有益结论：

(1)与未加固的土体相比，对砂土地层进行注浆加固处理后，隧道正上方处地表沉降量显著减少。双线贯通后，对于每1 m3原状土掺加超细水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地层沉降比未加固地层减小63.76 %。

(2)对砂土地层注浆加固可显著减小上方公路涵桩基的变形。对于每1 m3原状土掺加超细水泥400 kg的改良土，桩基最大水平位移比未加固地层减小54.72 %，桩基最大竖向位移比未加固地层减小62.3 %。

(3)为减小本工程中盾构隧道施工对邻近公路涵桩基的影响，建议本工程中砂土地层地基加固采用每1 m3掺入400 kg超细水泥的加固方案。