超大断面盾构隧道近距离侧穿嵌岩桩基础影响分析

2022-08-06田彦伟高伟

广东建材 2022年7期

田彦伟高伟

(1 深圳市盐田人才安居有限公司；2 深圳市建设综合勘察设计院有限公司)

0 引言

盾构工法在现代国内外隧道工程建设中得到了越来约广泛的应用[1-3]，但难免会对周围地层和应力场产生扰动，特别是当盾构施工邻近桩基时，很容易造成建筑物随地层发生协同变形，严重时甚至会引起建筑墙体开裂、不均匀沉降过大的事故[4-5]。而对于大直径隧道盾构施工来说，这种对周围建筑的不利影响更为显著。

针对大直径盾构近接桩基施工引起的地层扰动和沉降问题，国内外诸多学者进行大量深入的研究。Peck[6]首次提了地层损失的概念和隧道开挖地表下沉的估算方法；李宗梁等[7]基于某盾构隧道施工引起的大堤沉降实测数据，通过Peck 公式对数据进行拟合，得出了地层损失率的取值范围；王立新等[8]基于理论计算对盾构隧道塌落拱高度范围内土体松弛对桩基产生负摩阻力的影响规律进行研究；夏友元等[9]分别研究了盾构穿越一般底层和穿越群桩基两种不同条件下的位移情况，以此作为评价盾构隧道对建筑物影响的标准。

有限元法作为一种成熟的分析方法，能够很好地对土体应力状态、土体分层情况、周边荷载及盾构施工进行模拟，并且可以系统分析盾构隧道施工引起的地层位移、土体应力变化和建筑变形。杨记芳[10]建立了某大直径盾构邻接桩基高层建筑的施工的三维数值模型，分析了盾构侧穿和下穿不同桩长的桩基时建筑沉降及桩体变形差异；王闯等[11]依托某实际工程，采用数值模拟的方法对盾构近接桥梁群桩基础施工产生的扰动进行了分区定量评价，并对扰动较大的桩基进行了受荷特性分析；贺文波[12]利用FLAC3D 有限元软件，对盾构隧道近穿及下穿时桩基础的位移特征及承载力特性进行分析。

本文依托深圳某大直径隧道盾构工程，基于MIDAS GTS NX 有限元软件建立盾构下穿桩基的三维模型，对地层扰动分区范围进行了分析，并重点研究了大直径盾构下穿桩基对桩基性能的发挥影响规律。

1 工程概况

在建的某隧道工程长约4.82km，盾构直径达到了15.8m，是我国大陆目前在建的最大直径盾构隧道，断面近200m2，为超大断面尺寸的盾构掘进开挖。区间K2+780～K3+200 范围内拟建某棚户区改造项目，隧道穿越纵向距离长度约400m。

改造项目计划在隧道通过前完成基坑和桩基的设计施工，并在隧道盾构通过时，桩基上部主体结构正常施工加载。该改造项目邻近隧道北侧主要为一栋160m超高层人才房，基础设计为桩基础（嵌岩桩）。隧道将从最近桩基的侧下方穿过。桩基与隧道空间位置关系如图1 所示。

图1 桩基与隧道位置关系平面图和三维模型

该区间隧道采用泥水平衡盾构施工，隧道拱顶距离地面约45m，隧道管片环宽为2m，隧道距离桩基边线水平距离最近约3m，盾构通过时将形成巨大的圆形挖空断面，对周边岩土体将带来极大改变和扰动，对桩基性能的发挥都将产生一定影响。

超高层人才房桩基直径为1.0m～2.8m，桩长20m～37.5m，桩顶荷载为60000kN～73000kN。因桩基具有设计荷载大、直径大、数量多以及盾构隧道直径超大，距离非常近（最近约3m）等特点，此类工程案例十分罕见，因此十分有必要在工程开展前，分析和评估大直径隧道盾构穿过时对桩基各方面性能的影响程度和前后变化规律，重点掌握桩基施工完成后并在上部结构荷载逐渐增加的过程中，大断面盾构穿过所带来的各种影响以及对周围岩土体的干扰扰动，对桩基设计和结构安全进行评估并提供依据，并确保工程实施时具有足够的安全性。

2 数值模拟过程

盾构隧道下穿桩基的三维分析模型建立如图2 所示。模型设置为起伏地层的真实三维模型。地层本构模型采用Mohr-Coulomb 模型。

桩基采用梁单元模拟，通过设置桩土印刻实现桩-土耦合。为考虑壁后注浆影响，采用等代层来模拟盾构隧道管片壁后注浆层。管片和等代层均采用实体单元模拟。

根据隧道与桩基的位置关系，在数值分析中，选择最为靠近隧道侧的第一排桩基作为主要分析研究对象。项目土层分布及力学参数如表1 所示。

表1 数值模拟地层力学参数

3 横向扰动范围分析

Peck 在1969 年提出在不排水的状态下，地铁施工所引起的沉降，近似正态分布曲线[6]。

分析结果表明：在无桩基和有桩基条件下地表沉降槽曲线与Peck 曲线均拟合良好。地表的最大沉降值均位于隧道中心以上地面，沿隧道中心轴线上方地面基本呈对称趋势向两边延伸，沉降值逐渐减小。通过拟合得到沉降槽宽度系数i 为16m；有桩下沉降槽宽度系数i为24m(表2)。

表2 隧道影响分区范围

4 对桩基性能影响分析

4.1 桩基内力和承载力影响分析

桩基加载前后，紧邻隧道侧桩基（1～8 号桩）的最大剪力和最大弯矩值，以及桩侧摩阻力与桩端阻力变化如表3 所示。

表3 桩基加载后内力和承载力变化

由表3 可以看出，在紧邻隧道侧的1～8 号桩基中，桩基加载后的最大剪力和最大弯矩较加载前均发生了明显变化，但变化幅度都在一定范围内，通过结构设计措施可以消化这些幅度增减。

桩基距离隧道越远，其变化越小。桩基剪力变化最为明显的位置位于微风化与中风化交界面处。桩基加载后，大部分桩的桩端阻力占比在30%～50%之间，最高可达到56%。桩基承载力受盾构施工影响较小，桩端阻力占比比较显著，受临近盾构开挖的影响较小。分析表明，增加一定的嵌岩桩深度和数量，可以明显降低桩基附加内力的变化幅度。

4.2 桩基变形影响分析

隧道盾构施工完成后，桩基加载所带来的最大水平位移云图变化如图2 所示。

图2 桩基水平和竖向位移云图

经计算，邻近隧道桩基的倾斜率最大为0.06%，最大水平位移为2.34mm，满足《建筑桩基础技术规范》中的允许倾斜率0.2%和水平位移允许值6mm，不会对建筑造成影响。当桩基加载后，桩基自身所产生的沉降及桩身压缩远大于盾构隧道施工所产生的附加变形，桩顶最大竖向位移为-22.28mm。满足相关规范中允许沉降要求，不会对建筑造成影响。