塔楼基础施工对邻近隧道变形控制技术研究

李兵 刘力 李名淦

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

近年来为了提高城市综合交通枢纽投资效益，TOD项目得到了较好的发展，即在城市地下交通枢纽上方建设办公、住宅等物业开发获得收益，提高交通枢纽建设投资效益。在北京通州某新建的超大型地下综合交通枢纽工程中，轨道交通地下盾构隧道位于枢纽地下结构下方，综合交通枢纽地下部分建成后施工轨道交通盾构隧道，邻近盾构隧道上方建设地上高层塔楼建筑，塔楼的建设处于轨道交通运营阶段。城市轨道交通运营期隧道沉降变形有严格的控制要求，因此在枢纽设计阶段需研究确定高层塔楼施工采取的隧道变形控制措施。

目前关于盾构隧道与周围建（构）筑物施工相互影响的研究已经有了很丰硕的成果。耿城［1］通过理论分析和数值模拟分析了隔离墙防护措施对盾构隧道掘进引起的扰动应力起到了有效的隔离效果。王国富、孙婕城等［2］以盾构隧道下穿拟建高架桥为依托，提出了隔离墙结构、框架结构以及三轴搅拌桩结构三种主动预支护措施。任建喜、杨锋等［3］通过数值模拟对比分析选择了合理的隧道暗挖下穿桥桩施工方法。郭庆昊［4］、赵胜［5］通过工程类比及数值模拟总结归纳了板凳桩-筏式基础＋预注浆联合加固在盾构下穿既有地铁车站中的应用。

以上研究成果主要针对如何控制隧道施工对邻近建（构）筑物的影响。国内目前对于盾构隧道邻近的建（构）筑物后施工或同期施工的研究相对较少。随着TOD 综合交通枢纽的建设，地铁盾构隧道与塔楼同步施工或塔楼滞后于地铁盾构隧道施工的情况会越来越多。在地铁盾构隧道运营后，邻近隧道进行高层塔楼施工时，需研究确保盾构隧道运营安全的隧道变形控制措施。

本文对北京通州某综合交通枢纽地上塔楼邻近枢纽下方盾构隧道施工的隧道变形控制技术进行了研究。分析了在隧道与塔楼基础桩基之间设隔离墙方案和隔离墙＋隧道两侧增加枢纽筏板基础下桩基跨越隧道（板凳桩）两种方案，对盾构隧道沉降及水平位移的控制效果进行分析。

1 工程概况

本项目综合交通枢纽地块塔楼主楼地上33层，地下2 层，基础形式为桩筏基础，桩基直径为1.2m，桩长为60m（局部55m），为端承摩擦桩，采用桩侧及桩端后注浆施工工艺。裙房为地上4 层，地下2 层，筏板基础。盾构隧道位于塔楼桩基东北侧，盾构隧道与塔楼桩基最小水平距离约3.5m，与筏板基础最小竖向距离约7.2m，塔楼桩基与筏板基础均位于盾构隧道的强烈影响区。盾构隧道管片外径8.0m，内径7.2m，管片厚0.4m，环宽1.6m。盾构隧道与塔楼位置关系如图1 所示。

图1 盾构隧道与塔楼桩基空间位置关系Fig.1 The spatial position relationship between shield tunnel and tower pile foundation

根据综合交通枢纽总体工程筹划，在盾构隧道施工前完成枢纽桩基及地下室施工，在盾构隧道运营后再开始地上楼座施工。邻近盾构隧道的塔楼桩基承担的竖向荷载由桩侧土体摩阻力和桩端阻力承担，塔楼荷载会引起筏板基础下土体和桩侧土体的沉降和侧向位移，同时将引起邻近隧道的沉降和水平位移。为保证盾构隧道的运营安全和后期楼座施工顺利进行，研究塔楼荷载对盾构隧道的影响及变形控制措施十分必要。

该工程范围地层自上而下依次为填土层、新近沉积层和一般第四系冲洪积层。各地层物理力学参数如表1 所示。

表1 地层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of strata

2 变形控制机理分析

2.1 隔离桩（墙）作用机理

通过在桩基和盾构隧道之间打设隔离桩（墙），隔离桩（墙）将桩基和盾构隧道之间的应力场和位移场进行调整，减小应力场和位移场向盾构隧道传递，从而起到保护盾构隧道的效果。隔离桩（墙）通过自身的刚度以及桩（墙）顶与桩（墙）端的约束刚度，改变了桩基附加应力引起的土体位移场的分布，进而将土体的滑移推力传递到两侧拱脚处（即隔离桩），形成土拱效应［6-8］，使大部分的附加应力被阻断在桩基一侧，将桩基附加应力影响限定在合理的范围内，从而起到减小对盾构隧道影响的效果。隔离桩（墙）作用机理如图2 所示。

图2 隔离桩作用机理Fig.2 Mechanism of action of isolation piles

2.2 桩基跨越区间（板凳桩）作用机理

与隔离墙通过阻断应力传递路径来调整土体位移场的作用机理不同，板凳桩是将地上楼座传递到桩基的附加应力通过桩基的合理分布进行均匀分配，进而减小由于附加应力过于集中所导致的局部位移场过大的影响，从而可以将盾构隧道变形控制在合理的范围。板凳桩作用机理如图3所示。

图3 板凳桩作用机理Fig.3 Mechanism of bench pile action

3 变形控制数值计算分析

3.1 模型建立

综合考虑综合交通枢纽地下室规模以及盾构隧道尺寸，根据Midas GTS软件计算精度要求同时兼顾计算速度，计算模型最终选取沿盾构隧道轴线方向长200m（X方向），垂直盾构隧道轴线方向宽150m（Y方向），模型竖向高90m（Z方向）。计算模型如图4所示。经过试算，隔离桩方案不能满足盾构隧道变形控制要求，下文以隔离墙方案和隔离墙＋桩基跨越区间（板凳桩）方案进行计算分析。

计算模型底面节点位移全部固定，垂直X轴的两侧面约束其X方向的位移，垂直Y轴的两侧面约束其Y方向的位移，模型顶面不做约束。实际地层是复杂起伏的，呈各向异性，本次计算假定土体是水平分层，且土体采用各向同性的弹塑性体单元模拟。综合交通枢纽塔楼桩基与盾构隧道相对位置关系如图5 所示，计算参数如表2 所示。其中隔离墙墙厚0.8m，墙长59m；板凳桩为端承摩擦桩，桩径0.8m，桩长35m，间距4m，布置于盾构隧道右线两侧，每侧各布置两排；裙房靠近盾构隧道侧原为筏板基础，设置板凳桩后变为桩筏基础，隔离墙布置于裙房基础下。

表2 模型计算参数Tab.2 Model calculation parameters

图5 塔楼桩基与盾构隧道相对位置关系Fig.5 Relative position relationship between tower pile foundation and shield tunnel

3.2 数值模拟计算分析

通过Midas GTS数值分析软件模拟预测楼座施工施加在桩基上的附加应力对盾构隧道水平位移和竖向位移的影响。通过采取不同的变形控制措施，根据数值模拟计算结果选取合理可行的施工方案。本次数值模拟分以下三种工况进行计算：

工况1：不采取任何变形控制措施；

工况2：在靠近塔楼桩基位置打设隔离墙；

工况3：在工况2 的基础上增加设置板凳桩。

塔楼桩基、隔离墙、板凳桩与盾构隧道的平面位置关系如图6 所示。

图6 桩基、 隔离墙、 板凳桩与盾构隧道平面位置关系Fig.6 Relationship between pile foundation，isolation wall，bench pile and shield tunnel plane position

1.盾构隧道竖向位移分析

综合交通枢纽塔楼地上楼座施工时，在盾构隧道管片结构上布置一些模拟监测点，以监测三种施工工况下盾构隧道的变形。图7 为盾构隧道竖向位移云图（以工况三为例）。图8 为三种工况盾构隧道竖向位移曲线。

图7 盾构隧道竖向位移云图（以工况三为例）（单位： mm）Fig.7 Vertical displacement cloud map of shield tunnel（Taking working condition three as an example）（unit：mm）

图8 三种工况盾构隧道右线竖向位移曲线Fig.8 Vertical displacement curve of the right line of shield tunnel under three working conditions

由图7 可知，由于综合交通枢纽塔楼地上楼座施工，会导致盾构隧道发生显著的竖向沉降变形。右线隧道更靠近塔楼桩基，因此右线隧道沉降变形较左线隧道更大，且三种工况下，盾构隧道右线最大位移均发生在距离塔楼桩基最近的7号模拟监测点。不采取措施的情况下，盾构隧道右线最大竖向位移为-7.29mm；只采取隔离墙措施的情况下，盾构隧道右线最大竖向位移为-3.55mm，不能满足运营区间隧道3mm 的变形控制要求；采取隔离墙＋板凳桩措施的情况下，盾构隧道右线最大竖向位移为-2.91mm，满足变形控制要求。

由图8 可知，盾构隧道在三种计算工况模式下呈现出类似的变形规律。距塔楼桩基较近的4 ～10 号模拟监测点随着距桩基距离的增大，盾构隧道沉降变形变化较为剧烈。而距离桩基较远的剩余的监测点随着距桩基距离的增大，沉降变形变化较为平缓。并且随着盾构隧道距离桩基足够远，塔楼地上楼座施工将不会对盾构区间沉降变形产生影响。

2.盾构隧道水平位移分析

图9 为盾构隧道水平位移云图（以工况三为例）。图10 为三种工况盾构隧道水平位移曲线。

图9 盾构隧道水平位移云图（以工况三为例）（单位： mm）Fig.9 Horizontal displacement cloud map of shield tunnel（Taking working condition three as an example）（unit：mm）

图10 三种工况盾构隧道右线水平位移曲线Fig.10 Horizontal displacement curve of the right line of shield tunnel under three working conditions

由图9 可知，塔楼地上楼座施工会使盾构隧道产生远离塔楼侧的水平位移。这是由于地上楼座施工会传递给桩基附加应力，附加应力通过挤压桩基与盾构隧道之间的土体，使土体产生沿桩基四周扩散的位移场，进而使盾构隧道产生远离桩基侧的水平位移。与竖向位移一样，三种计算工况下盾构隧道右线最大水平位移也发生在距离塔楼桩基最近的7 号模拟监测点。不采取措施的情况下，盾构隧道右线最大水平位移为2.33mm；只采取隔离墙措施的情况下，盾构隧道右线最大水平位移为1.30mm；采取隔离墙＋板凳桩措施的情况下，盾构隧道右线最大水平位移为0.88mm，三种工况下盾构隧道右线水平位移均满足变形控制要求，因此盾构隧道水平位移不控制。

由图10 可知，盾构隧道水平位移在三种计算工况模式下呈现出与竖向位移相似的变形规律。距塔楼桩基较近的测点水平位移变化较为剧烈，距塔楼桩基较远的测点水平位移变化较为平缓。

3.盾构隧道管片受力分析

在工况3 的基础上，分析塔楼施工对盾构隧道管片内力的影响，并提出管片安全加强措施。

图11 为盾构隧道管片在塔楼未施工（条件1）和塔楼施工完成后（条件2）两种条件下隧道管片圆周最大主应力分布曲线。

图11 两种条件隧道管片右线最大主应力分布曲线Fig.11 Distribution curves of maximum principal stress in tunnel segments under two different conditions

由图11 可知，在塔楼未施工条件下，隧道管片最大主应力分布较为均匀，应力变化较为平缓；塔楼施工完成后，隧道管片最大主应力最大值仍发生在距离塔楼最近的7 号模拟监测点，应力较塔楼未施工条件下增大幅度为29.6%。随着盾构隧道逐渐远离桩基，模拟监测点应力也逐渐减小，并逐渐接近塔楼未施工条件下应力。

由于塔楼施工，隧道管片应力有较大幅度增大，建议对管片结构采取加强措施，如加强隧道穿越塔楼桩基段配筋，提高管片强度和抗弯性能；加强盾尾同步注浆，并利用管片注浆孔进行二次注浆及多次补偿注浆，必要时对穿越段范围内相应管片预埋新增壁后注浆孔，在盾构通过后，通过壁后注浆孔向管片拱部径向深孔注浆。

4.数值计算分析结论

通过Midas GTS 有限元软件计算结果可知，综合交通枢纽塔楼地上楼座施工会使盾构隧道产生竖向和水平向位移，并会对管片内力产生影响。在不采取任何措施的情况下，变形计算结果不能满足运营地铁隧道变形控制要求，同时管片内力增加幅度较大，因此采取有效的防护措施和管片安全加强措施是必要的。

不采取措施和只采取隔离墙措施的情况下，盾构隧道右线最大竖向位移不能满足运营区间隧道3mm 的变形控制要求；采取隔离墙＋板凳桩措施的情况下，盾构隧道右线最大竖向位移为-2.91mm，满足变形控制要求。三种工况下盾构隧道右线水平位移均满足变形控制要求，因此盾构隧道水平位移不控制。综合分析盾构隧道竖向位移和水平位移计算结果，为满足运营区间隧道变形控制要求，综合交通枢纽塔楼桩基需采取隔离墙＋板凳桩的变形控制措施。

两种施工条件下，由于塔楼施工会导致隧道管片应力有较大幅度增大，因此建议对管片结构采取适当的安全加强措施。

4 控制措施经济性分析

塔楼施工对隧道影响的控制措施有很多种组合，如不同隔离墙墙厚、不同板凳桩桩径及不同板凳桩间距等。本文通过对不同控制措施的控制效果和经济性进行比选，最终选定了本项目最优的控制措施。具体比选结果如表3 所示。

表3 控制措施比选Tab.3 Comparison of control measures

由表3 可知，隔离墙＋板凳桩组合能够满足运营变形控制要求，从变形控制效果和经济性综合分析，最终选定隔离墙（0.8m）＋板凳桩（φ0.8m＠4m）作为本项目最优方案。

5 结论

依托北京某综合交通枢纽地块塔楼桩基邻近某盾构隧道工程，深入分析了隔离墙及板凳桩对盾构隧道的变形控制效果，得到以下主要结论：

1.隔离墙通过自身的刚度以及墙顶与墙端的约束刚度，改变了桩基附加应力引起的土体位移场的分布，使大部分的附加应力被阻断在桩基一侧，从而起到减小对盾构隧道影响的效果。

2.板凳桩将地上楼座传递到桩基的附加应力通过桩基的合理分布进行均匀分配，进而减小由于附加应力过于集中所导致的局部位移场过大的影响，从而减小附加应力对盾构隧道的影响。

3.采取隔离墙＋板凳桩措施的情况下，盾构隧道右线最大竖向位移满足变形控制要求。三种工况下盾构隧道右线水平位移均满足变形控制要求，因此盾构隧道水平位移不控制。

4.由于塔楼施工，隧道管片应力有较大幅度增大，建议对管片结构采取适当的安全加强措施。

5.控制措施可以有多种组合，通过对控制措施的控制效果和经济性进行综合分析，选定了本项目的最优控制方案。本文研究成果可为类似工程提供借鉴。