隧道下穿码头群桩基础的离心模型试验研究

张宇亭 安晓宇 纪文栋

(1.天津大学，天津 300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

0 引言

随着我国长江经济带的迅猛发展，长江中下游城市的陆上交通压力激增，沿江两岸城市受惠于水路交通带来的天然运输便利的同时，又受制于两岸之间的沟通障碍。跨江大桥和穿江隧道是两岸常见的两种连接方式。由于地下隧道的结构形式对地面既有建筑物影响较小，而更加受到工程设计者的推崇。江阴第二跨江通道就计划采用隧道的形式，穿越长江连接两岸。由于穿越线路上方存在既有高桩码头，因此隧道施工对群桩基础稳定性的影响是重点考虑的问题。

在新建隧道工程的施工中，隧道开挖遇到既有桩的情况并不少见。为确保桩承结构的长期使用性能，前人进行了大量现场研究，以探索隧道施工对现有桩的影响。例如，隧道开挖引起的地面损失导致现有桩承载力降低[1]。由于隧道开挖，桩底出现负摩阻力，对桩的承载力产生不利影响[2-3]。此外，还进行了大量离心试验，以研究隧道--土--桩相互作用问题。当隧道中心线位于或接近桩端时，隧道开挖会在现有桩中产生显著的弯矩和侧向位移，而桩的轴向力变化则会受到桩端下方隧道施工的显著影响[4]。通过在干砂中进行离心机试验，Jacobsz等[5]确定了在现有桩基中产生较大沉降的影响区。由于在桩附近开挖隧道，Lee和 Chiang发现端部承载力的降低导致桩沉降过大[6]。基于离心试验结果，Ong[7]发现，桩头约束条件对隧道施工引起的桩身附加弯矩和轴力有显著影响。马少坤等[8]通过试验发现，由于前桩提供的屏蔽效应，后桩的隧道诱导弯矩远小于前桩。

虽然学者们已经进行了许多离心试验来研究隧道开挖引起的桩响应，但这些研究大多集中在砂土中的桩响应[9-12]。此外，以往的研究主要是模拟地铁隧道的施工，其直径较小(即6 m)，大型双隧道开挖(即15.3 m)对桩响应的影响却很少被评估。本研究利用大型土工离心机设备，建立三维离心试验模型，开展了黏土和砂土交互层中双管开挖时群桩的变形机理研究。

1 三维离心模型

1.1 离心试验步骤

本次研究在交通运输部天津水运工程科学研究院土工离心设备上进行了三维离心模型试验，该离心机的旋转半径为5 m，承载能力为500g·t，最大加速度为250g(即重力加速度)。本试验使用的三维模型容器长1400 mm、宽700 mm、深1000 mm。考虑模型容器和双通道的尺寸，离心加速度设计为75g。与离心试验相关的标度系数见表1。

表1 离心模型试验常用的相似比

拟建工程位于长江下游，跨江修建了两条平行的大型隧道，隧道上方将穿越既有高桩码头，在两个平行隧道施工中，桩基不可避免地产生附加沉降。新隧道的埋深(C)和外径(D)分别为480 mm和207 mm，原型分别为36 m和15.5 m。覆盖与隧道直径比(C/D)为2.3。两条水平平行隧道之间的最净距离为207 mm，相当于原型(1D)中的15.5 m。试验模拟的土层最大厚度为810 mm，原型为60.75 m。根据现场调查，模拟了1∶3和1∶5两种角度的坡面。码头原型为澄西船厂老码头，码头全长220 m，前承台总宽20 m，设计标高7.2 m，采用连续梁板式承台结构，由桩基、纵梁、横梁、预制靠船构件和面层等部分组成。分为4个结构标准段，每个结构标准段长56 m，包括8个基桩排架，排架间距为7 m。桩基采用预应力钢筋混凝土方桩，桩基截面尺寸0.55×0.55 m，直桩桩长26.8 m，斜桩桩长27.8 ～ 28.4 m。

根据相关的比例定律[13]，将现有的桩承式码头缩小到模型尺寸。它由一个筏板和若干桩组成。用螺栓连接筏板和桩。采用1013 mm×267 mm×10 mm(长×宽×厚)铝合金板模拟筏板。双管隧道直接安装在桩基础下面，距离为180 mm，相当于13.5 m的原型。(见图1)

图1 离心机模型平面图和侧面图(单位: mm)

1.2 试验材料

1.2.1 土层

经勘察报告揭示，场地内地层均为第四系冲湖积、冲海积相沉积，地层分布为：填筑土、④1粉质黏土、④1-1粉质黏土、④3细砂、④1粉质黏土、④5粗砂等。试验中对部分物理力学参数相近的土层进行适当的简化合并，最终简化成4个土层，分别为粉质黏土、细砂、砂质黏土和粗砂组成。试验将地基土层简化为四层，由两层粉质黏土和两层砂层组成。分别用福建标准砂和粉质黏土制备砂样和黏土样。由于土体参数对土体结构相互作用的影响很大[14-15]，因此进行了实验室试验，以确定砂土和黏土样品的参数。通过三轴剪切试验和压缩试验，确定了砂土和粉质黏土的内摩擦角和压缩模量。试验土体特性见表2。

表2 试验土体参数表

1.2.2 码头模型

试验中考虑模型箱内部尺寸的限制及边界效应的影响，选取隧道交叉穿越区上方码头进行试验研究，共选取10排桩，每排由5根直桩和4根斜桩组成，共计90根桩来模拟群桩基础。以实际工程桩基的抗弯刚度(EI)为基础，通过相似理论按照模型比例尺计算，对应采用外径9.2 mm、厚0.8 mm的铝管模拟模型桩。模型尺寸直桩长357 mm，斜桩长370～378 mm，排架间距106.7 mm。(见图2)

图2 安装后的群桩模型

1.2.3 隧道开挖模拟装置

学者普遍使用圆柱形橡胶袋排水来模拟隧道开挖[8-12]。由于橡胶袋是由柔性材料制成的，所以当g值增加时，橡胶袋呈椭圆形，与实际情况不符。此外，该方法不能模拟盾构推进过程中盾构与土体之间的摩擦。为了克服这些缺点，本研究开发了一种新的隧道开挖技术。图3为隧道开挖模拟系统的横断面图。隧道模型主要由新建隧道、不锈钢套管和隧道支护系统组成。新建的隧道位于不锈钢套管内。套管厚度用于控制隧道体积损失。离心试验时，将新建隧道固定，将套管从新隧道中推出，模拟隧道引起的体积损失。在本研究中，新建隧道和不锈钢套管的外径分别为207 mm和209 mm。这意味着在模型尺度上套筒的厚度为1 mm。通过将不锈钢套管从新建隧道中推出，模拟了隧道体积损失的1%。由于套管是由刚性材料制成，隧道施工后呈圆形。此外，推压套管可以模拟盾构机盾壳与土之间的摩擦效应，与实际情况更为吻合。

图3 隧道开挖模拟装置示意图(单位: mm)

1.2.4 监测装置

本次离心机试验共安装了9个位移传感器。如图1(a)所示，安装了5台线性可变差动变压器(LVDT)来测量群桩在横向隧道方向上的沉降。此外，还安装了四个激光传感器，测量沿隧道纵向的群桩沉降。根据实测的隧道纵向沉降，可以得到群桩的倾斜。试验中采用的LVDT和激光传感器的精度为0.02 mm。

1.3 模型准备

在模型容器底部安装排水管后，采用砂雨法制备砂层。砂斗与砂面之间的距离保持在700 mm，以达到设计砂密度(见表2)。砂层制备完成后，按设计密度分层制备粉质黏土。每层黏土完工后，对黏土层表面进行刮毛，增加层间接触。为使土样饱和，从模型箱底部缓慢注入蒸馏水，土样浸泡24 h。模型箱顶部覆膜抽真空，以保证高饱和度。

1.4 试验过程

离心机试验程序分为以下几个阶段：(1)逐渐加大离心机的加速度至75g(即约10 min)。(2)在75g的加速度条件下，运转离心机10 h，完成一次固结。(3)传感器读数稳定后，右侧隧道不锈钢套管逐渐推出。然后，采用同样的方法对左侧隧道的开挖进行了模拟。模拟双隧道开挖大约需要20 min。(4)逐渐将离心机旋转至1g(即大约30 min)。

2 离心试验结果分析

2.1 隧道施工中群桩沉降的典型变化

图4显示了隧道施工期间群桩沉降的典型变化。结果表明，随着隧道的推进，群桩的沉降量几乎呈线性增加。点A和点D分别位于左隧道和右隧道上方。本次离心试验先开挖右侧隧道，后开挖左侧隧道。右侧隧道开挖过程中，A点的沉降量明显小于D点的沉降量，A点和D点的沉降量分别为10.8 mm和35.3 mm。然后，右侧隧道开挖完成后，群桩沉降继续增大。这是由于过量孔隙水压力的消散导致了额外的群桩沉降。左侧隧道开挖过程中，A点测得的群桩沉降增量明显大于D点测得的群桩沉降增量，A点和D点相应的群桩沉降增量分别为30.1 mm和11.7 mm。可见，监测点距新建隧道较短，导致群桩沉降较大。换言之，群桩的隧道沉降与隧道与桩的相对位置密切相关。

图4 隧道开挖过程中桩顶筏板实测沉降曲线

2.2 隧道横向群桩沉降

图5为沿隧道横向测得的群桩沉降。右侧隧道开挖后，隧道以上的群桩沉降量远大于左侧隧道以上的群桩沉降量。由于右侧隧道开挖产生的应力释放，在隧道中心线上方观察到35 mm(即0.23%D，D为隧道直径)的最大桩群沉降。随着监测点距隧道中心线距离的增大，实测群桩沉降减小。左侧隧道施工过程中，群桩沉降迅速增加。双隧道施工后，群桩沉降剖面趋于对称。最大沉降量增加到49.0 mm(0.32%D)，最大群桩沉降位置移向两隧道之间的中心线。隧道施工两个月后，由于超孔隙水压力的消散，最大群桩沉降增加到50.8 mm(即增加3.7%)。

图5 群桩顶筏板沿隧道横向的实测沉降

2.3 隧道纵向群桩沉降

图6显示了沿纵向隧道方向测得的群桩沉降变化。在离心试验中，左、右通道分别从H点行驶到G点和F点行驶到E点。左右隧道开挖过程中，各监测点均有沉降观测。随着隧道工作面接近监测断面，H点和G点测得的沉降差异增大。但随着开挖面超出监测断面，差异减小。F点、E点沉降随隧道推进的变化与H点、G点相同，双管开挖完成后，群桩纵向沉降差异小于8%。

图6 群桩顶部筏板沉降随隧道开挖变化曲线

2.4 群桩沿隧道纵向倾斜

根据实测的隧道纵向沉降，可以计算出群桩的倾斜。图7为双管开挖时群桩的纵向倾斜。当右开挖面接近监测断面时，既有桩组向开挖面倾斜，倾斜量迅速增大。这是因为隧道开挖使隧道面前方的应力减小。当隧道工作面通过监测断面时，现有群桩的倾斜量减少。这是因为相对于监测断面的应力减小变得对称。此外，随着隧道的推进，左隧道上方的群桩倾斜度先增大后减小。但在右侧隧道开挖过程中，左侧隧道上方测得的倾斜量远小于右侧隧道上方测得的倾斜量。这是因为左隧道上方的监测点远离右隧道工作面。在左侧隧道施工过程中，得到了同样的观测结果。但左侧隧道以上群桩的倾斜增量远大于右侧隧道以上群桩的倾斜增量。再次说明桩筏板的响应与隧道和桩的相对位置密切相关。在右侧隧道或左侧隧道开挖过程中，当隧道面位于监测断面正下方时，双管上方的倾斜量达到最大值。这清楚地说明了隧道开挖引起群桩的三维变形机理。如果将隧道开挖简化为二维问题(即一步模拟隧道开挖)，则忽略群桩在非保守侧的纵向倾斜。它强调了三维模拟隧道开挖在物理和数值模拟中的重要性。

图7 隧道开挖引起群桩倾斜变化曲线

3 结论

通过三维离心模型试验，研究了双管大型隧道开挖对群桩的影响。根据试验结果得出以下结论：

(1)由于隧道开挖引起应力释放，群桩的实测沉降随隧道的推进几乎呈线性增加。群桩的隧道沉降与隧道与桩的相对位置密切相关。监测点与隧道施工距离较短，导致群桩沉降较大。

(2)单隧道开挖后，在隧道中心线上方观察到最大桩群沉降为0.23%D(D为隧道直径)。双管开挖完成后，最大群桩沉降量增加到0.32%D，最大地表沉降位置移向两隧道之间的中心线。

(3)当开挖面接近监测断面时，既有桩群迅速向开挖面倾斜。当隧道工作面通过监测断面时，减小了既有群桩的倾斜。这是因为相对于监测断面的应力减小变得对称。在隧道推进过程中，当隧道正面位于监测断面正下方时，双隧道上方的倾斜量达到最大值，说明了隧道开挖引起群桩的三维变形机理。将隧道开挖简化为二维问题，忽略了群桩在非保守侧的纵向倾斜。

本次试验结果对认识高桩码头受隧道影响下的变形规律和整体稳定状态有一定的支撑作用，可以对该隧道和码头安全间距的论证和调整起到指导作用，并对码头结构的受力分析及安全复核提供了有效数据。