盾构隧道侧穿桩基础建筑物变形特性分析

周海洋

（北京环安工程检测有限责任公司，北京 100082）

进入21 世纪，城市化进程不断加快，轨道交通得到迅速发展[1-3]。盾构法作为地铁隧道施工的重要方法，在地铁隧道修建过程中被广泛应用。由于地铁线路的整体规划性，这些盾构隧道的建设往往要穿越桩基础建筑物。盾构法施工过程造成了土体的卸荷，改变了土体原有的应力场状态，该过程不可避免地作用于邻域内的桩基础，桩基础传递给上部结构，引起上部结构的附加内力和变形，造成上部建筑物的倾斜或者倒塌，直接影响地面建筑物的安全和使用。国内外不少学者对此问题开展了研究工作[4-11]，但现有研究主要针对具体工程展开，研究成果较少体现桩基础的埋深对上部建筑物的影响。本文应用数值模拟的方法，以盾构隧道侧穿桩基础建筑物为例，着重分析了在桩基础不同埋深的情况下，盾构隧道侧穿桩基础建筑物对地表沉降和建筑物变形的影响。

1 三维有限元数值分析模型建立

1.1 工程概述

北京地铁10 号线某盾构隧道工程，盾构隧道直径6.6 m，拱顶覆土16.0 m，衬砌管片环宽1.2 m，壁厚0.3 m。某桩基础建筑物与该盾构隧道间距7.05 m，为本工程重要风险源。该桩基础建筑物为框架-剪力墙结构体系，地下1 层，地上8 层。其中-1 层和1 层层高4.5 m，2～8 层层高3.6 m。地下室外墙厚度400 mm，剪力墙厚度300 mm。基础形式为桩基础，桩径0.80 m。盾构隧道与桩基础建筑物相对位置如图1 所示。

图1 盾构隧道与建筑物相对位置（单位：mm）

1.2 模型材料参数

本文应用有限元分析软件进行数值模拟计算。土体与注浆层采用实体单元模拟（莫尔-库仑本构模型）；盾壳、管片衬砌、剪力墙、楼板、地下室外墙、结构底板均采用面单元模拟（弹性本构模型）；框架柱、框架梁等均采用梁单元模拟（弹性本构模型）；桩体采用桩单元模拟，桩土之间设Goodman 接触单元。本工程位于北京东部地区，在勘探深度范围内，地基土层主要由杂填土、粉质黏土、粉土、黏土、砂土及卵砾石组成。地基土层的基本物理力学计算参数如表1 所示，盾构隧道、盾壳、注浆体、建筑物等结构参数如表2 所示。

表2 结构部分物理力学参数表

1.3 有限元模型尺寸及网格划分

如图2 所示，有限元计算模型中，须合理控制尺寸大小及网格密度，在确保计算精度的同时，尽量减少计算时间。有限元模型中，计算模型区域的长宽高为180 m×48 m×33.4 m，网格划分采用定义线性梯度的方法，输入起点单元网格和终点单元网格的长度，按线性插值，自动设置节点位置，使得建筑物和盾构隧道周围网格相对密集，边界处网格相对稀疏，在保证计算精度的同时，也保证了一定的计算效率。

图2 有限元模型网格划分（单位：m）

1.4 盾构隧道施工过程模拟

本文采用单元网格激活-钝化的方式模拟盾构隧道动态开挖过程，盾构隧道施工数值模拟步骤如下所示：①建立盾构隧道-土层-桩基-建筑物三维数值分析模型，计算土体在自重应力下的初始应力场，并将位移清零。②“激活”建筑物结构体系、桩单元、楼面荷载，计算结构部分施做完成后的应力场，并将位移清零。③定义盾构隧道施工步序，每环土体开挖为1.2 m。盾构机推进按照3 个施工阶段进行，分别为土体开挖、盾壳推进、管片安装及盾尾注浆，应力释放比例通过计算为30%、30%、40%。④依次循环步骤③，直至开挖完成，本文开挖土体及盾构隧道支护共计48步，第15 步至第35 步侧穿建筑物所在位置，为整个施工过程中最危险的施工步序。⑤计算分析及后处理。

1.5 计算方案

为深入研究桩基础埋深对地表沉降、桩基础及建筑物变形的影响。本文采用数值模拟的方法，对如下3种计算方案进行对比分析，数值分析计算方案如图3所示。

方案1：桩基础长度为10 m，即桩底位于盾构隧道上方1.55 m 处，如图3（a）所示。

方案2：桩基础长度14.75 m，即桩底位于盾构隧道中部，如图3（b）所示。

方案3：桩基础长度21.85 m，即桩底位于盾构隧道下方3.75 m 处，如图3（c）所示。

图3 数值分析计算方案（单位：mm）

2 计算结果与分析

2.1 地表沉降分析

盾构隧道土方开挖造成了邻近区域土体的卸荷，改变了地基土原有的应力状态，该过程不可避免地会对邻近的建（构）筑物产生影响。盾构隧道穿越桩基础建筑物施工过程中，建筑物所在位置的地表沉降曲线如图4 所示。

图4 地表沉降曲线

分析图4 可知：盾构隧道施工对于地表沉降的影响具有一定的空间效应，在盾构隧道开挖面2.5D（D为盾构隧道直径）距离以内范围的土体沉降量变化较大，距离盾构隧道开挖面4D距离以上时，地表沉降逐步趋于稳定。盾构隧道施工对地表沉降的影响具有一定的时间效应，在盾构隧道施工侧穿建筑物所在位置时地表沉降变化明显，本文中盾构隧道侧穿建筑物阶段（开挖第15 步至开挖第35 步）所引起的地表沉降约占整体沉降量的70%。地表沉降曲线整体较为光滑，基本沿盾构隧道轴线中心对称分布，在建筑物所在区域曲线近似直线分布且出现明显拐点，这说明盾构隧道施工对已有建筑物已产生了影响。在桩基础埋深10 m 时，建筑物所在区域的地表最大不均匀沉降约为26 mm；在桩基础埋深14.75 m 时，建筑物所在区域的地表最大不均匀沉降约为18 mm；在桩基础埋深21.85 m 时，建筑物所在区域的地表最大不均匀沉降约为8.5 mm。说明随着桩基础埋深的增加，建筑物所在区域地表的不均匀沉降不断减小，适度地增加桩长，可对建筑物所在区域的地表不均匀沉降起到较好的抑制作用。

2.2 结构位移分析

盾构隧道施工造成了邻域土体的卸荷，邻域土体卸荷引起的附加应力作用于桩基础并传至上部结构，不可避免地会造成桩基础及建筑物位移的变化。盾构隧道施工完成后，桩基础及建筑物的位移云图如图5所示。

分析图5 可知：桩基础建筑物整体刚度较好，主要产生朝向盾构隧道位置的水平位移，随着层高的增加，水平位移逐步积累，并不断增加，且桩基础的水平位移小于建筑物的水平位移。在桩基础埋深10 m时，建筑物最大水平位移约为34.5 mm；在桩基础埋深14.75 m 时，建筑物最大水平位移约为27.8 mm；在桩基础埋深21.85 m 时，建筑物最大水平位移约为16.9 mm。说明随着桩基础埋深的增加，盾构隧道施工对桩基础建筑水平位移的影响逐步减小。盾构隧道施工完成后，桩基础及建筑物在近盾构隧道区域下沉，在远盾构隧道区域上浮。桩基础埋深10 m 时，建筑物左侧下沉32.0 mm，右侧上浮6.36 mm，相差38.36 mm；在桩基础埋深14.75 m 时，建筑物左侧下沉25.5 mm，右侧上浮4.03 mm，相差29.53 mm；在桩基础埋深21.85 m 时，建筑物左侧下沉13 mm，右侧上浮1.68 mm，相差14.68 mm。说明盾构隧道侧穿桩基础建筑物施工过程中，对桩基础埋深较浅的建筑物的影响要远大于埋深较大的建筑物。盾构隧道施工对于桩基础位移的影响具有一定的空间效应，在盾构隧道开挖面2D距离以内范围的桩基础位移变化较大，距离盾构隧道开挖面3D距离以上时，桩基础的位移基本不发生变化。

图5 桩基础及建筑物位移云图

3 结语

本文应用数值模拟的方法，以北京地区某典型工程为例，分析了盾构隧道施工对桩基础建筑物产生的影响。主要结论包括以下3 点。

盾构隧道侧穿桩基础建筑物施工对地表沉降的影响具有空间效应和时间效应。盾构隧道开挖面2.5D（D为盾构隧道直径）距离内地表沉降量变化较大，距离盾构隧道开挖面4D距离以上时，地表沉降基本不发生变化；盾构隧道施工侧穿桩基础建筑物阶段所引起的沉降量约占整体沉降量的70%。

盾构隧道侧穿桩基础建筑物施工使得邻域内的桩基础建筑物产生朝向隧道所在位置的水平位移，随桩基础埋深的增加，盾构隧道施工对桩基础建筑水平位移的影响逐步减小。盾构隧道侧穿桩基础建筑物施工使得邻域内桩基础建筑发生不均匀沉降。桩基础建筑物在近地铁隧道区域下沉，在远盾构隧道区域上浮，随着桩基础埋深的增加，建筑物左右两侧的沉降差逐步减小，说明盾构隧道施工对桩基础埋深较浅的建筑物的影响要远大于桩基础埋深较大的建筑物。