南通富水砂层盾构隧道开挖对邻近桩基影响分析*

郑选荣，祁嘉辉，成炜康，杨 康，陈箐芮，薛瑞蕾

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054 )

0 引言

随着我国城市的快速发展，地铁成为缓解城市地面交通压力的有效途径。盾构法以其施工进度快、安全性能高、地面影响小等优点，成为城市地铁的主要修建方法，但在地铁修建过程中，不可避免的会遇到地铁隧道近距侧穿桥梁桩基础的情况[1]。

地铁近距离穿越桩基础时，其受力和变形情况是目前地铁隧道施工中的热门研究方向。Loganathan等[2]提出计算盾构施工引起的地层位移场的解析解，并分析位移场作用下邻近桩基的内力和位移；可文海等[3]将2阶段法与叠加法相结合，得到盾构隧道开挖引起的邻近群桩竖向位移；朱逢斌等[4]通过数值模拟方法分析盾构隧道开挖引起附近群桩不同位置的桩基变形及内力变化影响；文献[5-6]基于桥桩结构，耦合弹簧力学与有限差分法，分析盾构推进过程中不同工况下桥桩结构受力、水平变形、地层沉降的变化规律；赖金星等[7]通过三维数值模拟研究盾构穿越群桩基础过程中群桩基础水平位移和地表变形的变化规律；魏亚辉等[8]采用土的修正剑桥本构模型模拟盾构隧道施工过程，分析隧道开挖中邻近桩基变形和地表沉降规律；成炜康等[9]采用数值模拟方法分析郑州粉细砂层地区盾构隧道下穿建筑物不同阶段对桩体位移、内力的影响；文献[10-13]通过理论与数值模拟法分析盾构穿越桩基时的力学变形规律和桩-土力学效应。

随着城市地铁修建数目逐渐增多，盾构隧道穿越地层越来越复杂，地铁邻近地下结构和桩基础也逐渐增加。为保证盾构隧道开挖过程中桩基础的变形和承载力，以及隧道的安全和质量，本文以南通富水砂层盾构隧道近距离侧穿桥梁桩基为工程背景，研究富水砂层盾构隧道掘进对近距桩基受力和变形的影响，研究结果可为该地区相似工程施工提供指导。

1 工程概况

南通市城市轨道交通1号线中央商务区站-海霞路站区间隧道右线长597.3 m，左线长599.73 m，区间左右线间距15.00～53.22 m，地面高程3.93～4.11 m，隧道拱顶覆土厚约10.19～11.52 m(下穿河道处最浅覆土为5.67 m)，从上到下主要穿越土层为杂填土、砂质粉土、粉砂夹砂质粉土、粉砂、粉细砂。地下水位在-1 m处，区间隧道处于粉砂夹砂质粉土层中，隧道穿越地层含水量丰富、渗透性强，周边环境和施工条件复杂。

区间隧道采用土压平衡式盾构机，为避开桩基，隧道左右线拉开设置，盾构左线侧穿距桩基最小水平间距为1.25 m，右线最小水平间距为3.5 m，与隧道邻近关系属十分接近。盾构与桥桩基础位置关系如图1～2所示。左线与桩基非常邻近，盾构施工对桥桩基的影响风险较大。

图1 隧道侧穿园林河桥平面示意Fig.1 Plane schematic diagram of tunnel side-crossing Yuanlin River bridge

2 数值计算模型

2.1 建立几何模型

采用三维有限差分软件FLAC3D建立计算模型。将该区间曲线隧道视为直线隧道，模型长宽高为70 m ×100 m×40 m。隧道直径6.4 m，管片外径6.2 m，厚度0.35 m，注浆等待层厚0.10 m，隧道埋深12 m，左右线竖向轴线间距46.45 m。园林河桥桩基直径1 m，桩长21 m，桩净间距1.3 m，沿隧道掘进方向布置4排桩，桩顶为混凝土现浇板，上部施加荷载75 kPa。数值计算模型如图3所示，地层从上到下为杂填土、砂质粉土、粉砂夹砂质粉土、粉砂、粉细砂。

图3 数值计算模型示意Fig.3 Schematic diagram of numerical calculation model

2.2 地层和材料参数

土层为实体单元，采用摩尔-库伦本构关系，物理力学参数见表1[14]。盾构管片和注浆等代层用壳结构单元模拟，桩基础用桩结构单元模拟，桥板以板单元模拟，管片、注浆层、桩基础、桥板均为弹性本构关系；隧道开挖单元使用空单元模拟；模型除顶部为自由边界外，其他边界均采用法向约束。桩基、桥板和隧道衬砌结构参数见表2。

表1 土层计算参数Table 1 Calculation parameters of soil layer

表2 弹性材料计算参数Table 2 Calculation parameters of elastic materials

2.3 盾构施工过程模拟

盾构开挖及支护过程包括刀盘掘削土体、盾构机向前推进、管片拼装以及壁后注浆4个步骤[15-16]。本文采取盾构机推力为地层侧压力，取240 kPa，管片施加150 kPa的切向力模拟千斤顶力，注浆层施加120 kPa的法向力模拟同步注浆压力。保持盾构推力不变情况下，每环开挖，每次开挖1.5 m，每掘进1环激活管片衬砌和注浆层单元，左右线隧道分别为40环，施工顺序为先左后右。

2.4 流-固耦合相互作用

对于含水量丰富、渗透性强的高水位砂土地层，当进行盾构开挖对环境影响分析时，必须考虑土层的流-固耦合作用[17]。隧道开挖造成地层和地下水的损失，导致土体位移及水位下降，进而导致土中孔隙水压力减小和地层变形，并最终影响土体的渗透性和力学性质。利用FLAC3D软件计算时，首先关闭渗流计算，仅进行力学计算，当力学计算达到平衡状态或设定计算步时，再打开渗流计算，进行流固耦合计算。

3 数值模拟结果分析

模型中盾构隧道侧穿的桥桩基础数量较多，为更准确表达盾构施工动态过程对各个桥桩基础的影响和桩基与隧道的相对位置关系，选取隧道穿越的第2排桩基础，从左向右依次编号为1～16号桩。

3.1 群桩水平位移分析

为分析盾构隧道开挖过程中桩基水平位移变化，选择距离左隧道最近的1号桩、中间6号桩、中间11号桩以及距离右隧道最近的16号桩作为研究对象，取上述桩位于盾构中心深度(即桩基深度15 m)的结果进行分析，如图4所示。

图4 沿隧道开挖进程的桩基水平位移Fig.4 Horizontal displacement of pile foundations along tunnel excavation process

由图4可知，桩基础水平位移随盾构掘进逐渐增大，随桩基与隧道距离增大而减小。左线开挖进程中，由于盾构开挖面的掘进力、千斤顶力以及注浆压力，桩基础开始产生沿X正方向的水平位移且位移值逐渐增大；当开挖至第17环时，盾构刀盘到达桥梁桩基处，每根桩的正向水平位移达到最大值。1号桩水平位移为16.13 mm，6号桩水平位移7.34 mm，11号桩水平位移3.61 mm，16号桩水平位移2.02 mm，随盾构开挖面远离桥桩，桩基水平位移逐渐减小。但距离左隧道最近的1号桩水平位移仍呈现增大趋势，当开挖至第24环时水平位移达到最大值，这是由于隧道的开挖造成地层损失以及富水砂层中孔隙水压力的减小，导致桩基进一步变形。

盾构右线开挖进程中，对桩基产生沿X负方向的水平位移。右线开挖至第17环，盾构对桩基产生的X负向水平位移最大，1、6、11、16号桩水平位移分别为13.82，2.57，-4.15，-13.17 mm。叠加盾构左右线的影响，1、6号桩水平位移沿X正向逐渐减小；11、16号桩由于距离左线较远而距离右线较近，产生的X负向水平位移大于左线产生的正向位移，最终水平位移沿X向为负。

盾构引起桩基发生的水平位移最大为16.13 mm，盾构开挖面距桩基轴线在1D(D为隧道直径)范围内，桩基发生水平位移5.65 mm，约为最大水平位移的35%；在2D范围内，桩基发生水平位移9.96 mm，约为最大水平位移的60%；在3D范围内，桩基发生的水平位移2.44 mm，约为最大水平位移的15%。盾构开挖面距桩基轴线在3D范围内，对桩基产生影响；盾构开挖面距桩基轴线在2D范围内，对桩基引起的水平位移超过总水平位移的85%，因此在盾构刀盘到桩基12 m时必须加强监测。

为进一步定量化分析桩基水平位移与桩基距离隧道远近的关系，选择盾构左线开挖至第17环时隧道水平中心深度处的水平位移，得到桩基水平位移与左隧道距离关系如图5所示。

图5 桩基水平位移与左隧道距离关系Fig.5 Relationship between horizontal displacement of pile foundation and distance of left tunnel

由图5可知，桩基水平位移随距离的增大而减小，在0～9 m范围内，曲线斜率相对最大，水平位移变化相对最明显，说明盾构在1.5D(9 m)范围内对桩基础水平位移的影响相对最大，此时，距离左隧道仅有1.25 m的1号桩水平位移值16.13 mm，距离左隧道8.35 m的桩基水平位移9.78 mm，桩基水平位移与距离基本呈线性变化。随距左隧道越远，桩基础水平位移的减小趋势变小，曲线斜率逐渐减小，最小水平位移2.07 mm位于距离左隧道36.25 m处的16号桩，一方面由于桩基距盾构较远，受盾构开挖造成的地层损失变小，另一方面由于群桩的遮拦效应，使桩基水平位移的减小趋势逐渐减小，最终趋于稳定状态。

3.2 桩基内力分析

由于左右隧道距远侧桩基在6D范围外，所以左线开挖对16号桩及右线开挖对1号桩的影响较小，可忽略不计。左右线开挖不同施工步时1号桩、16号桩的轴力、弯矩如图6～9所示。

图6 左线不同施工步开挖时1号桩剪力Fig.6 Shearing force of No.1 pile at different construction steps in left line excavation

图7 左线不同施工步开挖时1号桩弯矩Fig.7 Bending moment of No.1 pile at different construction steps in left line excavation

由图6～7可知，左线开挖时，剪力和弯矩随桩体埋深基本呈先增大后减小趋势。内力在隧道埋深范围内变化较大，且随开挖进程不断接近桩基而逐渐增大。左线隧道开挖时，桩基上部产生正弯矩，开挖至桩身-10 m时，开始产生向左隧道趋近的负弯矩。1号桩在盾构刀盘开挖至2倍洞径(施工步9)时的最大剪力为352.16 kN，最大弯矩为155.77 kN·m；当盾构刀盘到达桩基附近(施工步17)时，剪力最大值达到311.18 kN，最大弯矩增至181.51 kN·m；当盾尾穿过桩基(施工步25)时，剪力最大值为262.57 kN，弯矩最大值190.11 kN·m。

由图8～9可知，右线隧道开挖时，桩基在埋深8 m范围内产生远离右隧道的负向弯矩，弯矩值先增大后减小。在桩身埋深6 m以下，桩体产生向右隧道趋近的正向弯矩，弯矩值随桩深先增大后减小，在隧道中心处弯矩为最大值。16号桩在盾构刀盘开挖2倍洞径(工况55)时的最大剪力为257.12 kN，最大弯矩为119.36 kN·m；当盾构刀盘到达桩基附近(工况63)时，最大剪力增至288.48 kN，最大弯矩为139.62 kN·m；当盾尾穿过桩基(工况71)时，最大剪力为329.26 kN，最大弯矩为146.24 kN·m。因此，盾构开挖对桩基剪力和弯矩会产生较大的影响，且随施工进行上述影响具有叠加效应。在地下-10～-20 m范围内，即竖直方向盾构1.5倍洞径内，桩基和地层受扰动较明显，引起桩基础剪力和弯矩变化较大，进而可能影响桩基的正常承载能力。

图8 右线不同施工步开挖时16号桩剪力Fig.8 Shearing force of No.16 pile at different construction steps in right line excavation

图9 右线不同施工步开挖时16号桩弯矩Fig.9 Bending moment of No.16 pile at different construction steps in right line excavation

3.3 地表沉降分析

通过在数值计算模型地表X方向布置沉降监测点，得到盾构双线掘进完成后地表不同位置处的沉降量分布，并与现场盾构施工地表沉降监测数据进行对比，如图10所示。

图10 双线开挖完成后地表沉降分布Fig.10 Surface settlement distribution after completion of double-line excavation

由图10可知，盾构双线开挖完成后地表沉降分布整体呈W型沉降槽，其中2个峰值沉降分别在左右线隧道中心轴线地表处。左右线轴线处地表沉降量分别为5.01，5.12 mm。当距离隧道4倍洞径时，地表沉降量斜率明显变缓，表明富水砂层盾构开挖对地表沉降的影响范围在4倍洞径左右。隧道开挖造成土体损失和地下水位下降，使土体向隧道方向发生位移，带动土中水的渗流，孔隙水压力减小，进而使更大范围内的土体产生位移，沉降槽范围大于一般地层。在进行地表沉降监测点布置时，应在隧道两侧4D范围内均需进行监测点布置。

两隧道之间的桩基受到盾构开挖扰动造成土体产生沉降和较大的水平位移。此外，由于桩的存在，地表沉降量在桩基附近呈减小趋势，这是由于桩基之间产生遮拦效应，起到加固土体的作用。

现场监测左右线轴线沉降量分别为5.33，5.36 mm，与数值计算沉降量相差较小，并且变化趋势基本一致，说明数值计算结果具有一定的准确性。

4 结论

1)在盾构开挖面距桩基轴线2～3D范围内，桩基发生的水平位移约为最大水平位移的15%；在1～2D范围内，桩基发生的水平位移约为最大水平位移的60%；在1D范围内，桩基水平位移约为最大水平位移的35%；在2D范围内，盾构对桩基产生的影响达总水平位移的85%，对桩基影响显著。

2)盾构施工桥桩基础发生较大的水平位移。左线开挖时，距离最近的桩基水平位移为16.13 mm；右线开挖时，造成桩基的最大水平位移13.17 mm。盾构掘进过程，左右线轴线处地表沉降量最大分别为5.01，5.12 mm，富水砂层盾构开挖对地表沉降的影响范围在4倍洞径左右。

3)盾构使得园林河桥桩基剪力和弯矩增大，在盾构穿越过程中变化明显。盾构到达前，桩体在隧道1.5倍洞径范围内剪力和弯矩增大；在盾构到达时，桩体剪力弯矩进一步增大。左线开挖到达时，距离隧道最近的桩基最大剪力为352.16 kN，最大弯矩为190.11 kN·m；右线开挖到达时，距离隧道最近的桩基最大剪力329.26 kN，最大弯矩为146.24 kN·m。在盾构穿越后，需对桩基剩余承载力进行验算。

4)富水砂层盾构施工侧穿园林河桥桩，引起桥桩产生较大的位移变形和内力分布，使桥桩基础承载力下降，从而影响桥梁的安全使用。因此，在盾构到达桥桩前2D时，应加强桥桩变形的监测，并及时采取调整施工参数、地面注浆等加固保护措施，以减小对桥桩的影响。