疊線盾構掘進對既有建筑物樁基的位移分析

彭俊，黃戡

（長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410014）

隨著中國的經濟的快速發展與城市化進程的不斷推進，越來越多的城市開始興建地鐵。地鐵可以提供高效、快速、安全的城市交通方式，提高出行效率與城市交通的現代化水平。由于早期城市規劃并未預先考慮地鐵線路，且對既有鄰近高層建筑物樁基進行改造的難度較大，所以，地鐵線路的設計與施工均存在種種困難。疊線隧道不僅能減小地下空間的橫向占用面積，可以在有限的地面上提高地鐵系統的運行效率，且其施工主要是在地下進行的，對城市規劃和景觀設計的影響也較?。?-3］。因此，疊線隧道工程在許多城市的地鐵建設中得到了廣泛應用，如：北京地鐵2號線、4號線在宣武門站附近的區間段，深圳地鐵蛇口線隧道在羅寶線隧道正下方的穿越地段及上海地鐵11 號線、4 號線徐家匯站和體育場站之間的四軌交疊段［4］。

地鐵疊線隧道施工大多采用盾構施工法。在疊線隧道的掘進過程中，盾構施工可能會引起地表沉降和地層損失，還必然會對既有鄰近建筑物樁基的穩定性造成影響，導致其發生變形和破壞，甚至可能威脅到既有鄰近建筑物的結構安全，引發次生危害［5-7］。

早在20 世紀70 年代，已經有眾多學者對隧道盾構施工對樁基的影響進行了較深入的研究。在實驗研究方面，JACOBSZ 等［8］在干砂中進行了隧道開挖施工對相鄰單樁影響的離心模型試驗，分析了由隧道開挖引起的地層損失對地表沉降剖面及離隧道不同距離處模型樁基沉降的影響。ONG等［9］采用離心機試驗，分析和研究了在黏土中進行盾構隧道開挖對相鄰樁基的影響，發現樁基在黏土中的行為具有時間依賴性，主動剪切破壞楔中張拉裂縫的發展阻止了土壓力在樁基上的充分傳遞，減小了遭到破壞后的誘導樁的彎矩和撓度。在理論分析方面，CHEN 等［10］使用兩階段分析法，深入探討了隧道掘進對鄰近樁基位移的影響，其首次提出的兩階段法也是目前研究隧道對鄰近樁基影響的基本方法。MU 等［11］提出了一種基于非對稱荷載的求解樁基與層狀土位移的兩階段方法，該法未考慮樁土系統之間垂直相互作用力的影響，能快速地簡要計算樁基承臺在層狀土中受到隧道開挖影響而產生的水平位移，并能分析樁-土-承臺三者之間的相互作用機理。KITIYODOM 等［12-13］基于Winkler 彈性地基梁和Mindlin 解，分析了隧道開挖對相鄰群樁的影響，并總結出單樁、群樁和承臺基礎的變形和荷載分布規律?？晌暮５龋?4-16］基于Loganathan 公式和Winkler地基梁模型，研究了盾構開挖引起的鄰近群樁的豎向位移，發現群樁的豎向位移與隧道埋深、地層損失比、樁基直徑、土體彈性模量、樁基間距等均有密切聯系。袁海平等［17-18］采用有限差分法和樁-結構耦合彈簧的力學分析法，分析了盾構開挖對既有鄰近建筑物樁基的受力及變形的影響，發現雙盾構連續開挖對鄰近樁基的受力性能影響具有疊加效應。在數值模擬方面，LEE 等［19］用數值分析法，建立三維彈塑性模型，并利用該模型研究了在弱風化巖體中隧道開挖對既有鄰近建筑物單樁和群樁的影響，該研究發現：隧道的開挖降低了單樁與群樁的承載力，且群樁承載力的下降幅度特別大。朱逢斌等［20］在研究盾構隧道開挖對鄰近既有建筑物樁基的影響時，驗證了數值模擬方法的可靠性。夏元友等［21-27］分析了盾構隧道下穿一般路基時的群樁位移，發現土的加載與卸載是同時進行的，且其對位移的影響都是成對出現的。雖然國內外許多學者對盾構隧道施工的研究都已取得了較為豐碩的成果，但大部分研究仍是以單條盾構隧道為研究對象，較少考慮疊線盾構隧道開挖，且由于疊線隧道是在同一挖掘面上進行施工的，需要更精確的工程設計和施工。因此，研究疊線盾構隧道掘進對既有鄰近建筑物樁基的位移影響是非常有必要的。

本研究依托于廣東省佛山市的地鐵3號線的中南海廣場—疊滘區間段工程，采用Midas GTS NX 有限元軟件，建立不同樁長與隧道半徑比值情況下的三維有限元模型，模擬與分析疊線盾構隧道施工對既有鄰近建筑物樁基的位移影響，并將現場監測數據與該模型計算得到的樁基位移計算結果進行對比，驗證該模型預測的準確性與合理性。本研究著重分析在不同樁長h與隧道半徑r比值情況下樁基位移的變化規律，其可為類似疊線隧道下穿、側穿既有鄰近建筑物的工程的設計與施工提供參考。

1 工程背景

廣東省佛山市地鐵3號線南海廣場—疊滘區間線從佛山市南海廣場站出發，沿道路向北敷設，下穿人行天橋，再往西北方向下穿某建筑綜合樓等多個建筑后，兩隧道的位置由最開始的水平平行過渡為豎向平行，轉變為疊線隧道，最終到達疊滘站。該區間線路為雙線隧道，采用盾構施工方式。其中，左線盾構區間起始里程為 ZDK54+018.305，終點里程為ZDK55+718.263，其中，短鏈里程長為16.409 m，左線總線長為1 683.549 m，右線盾構區間起始里程為YDK54+018.305，終點里程為YDK55+718.263，右線總線長為1 699.958 m。盾構隧道在較長范圍內呈上、下交疊方式，左線隧道在下側，右線隧道在上側。區間隧道平面走向如圖1所示。

該區間盾構段采用了兩臺土壓平衡盾構機依次在施工左、右線進行施工。具體的施工順序是：

1） 先在區間段的左線隧道進行施工，從南海廣場站出發后，盾構沿東南向繼續掘進，直至疊滘站；

2） 在工程進展至230 環后，再對區間段的右線隧道展開施工。該區間盾構段的混凝土等級為C50，抗滲等級為P12，管片外徑為8 m，內徑為7.6 m。

2 數值分析法

2.1 三維模型參數

本研究采用Midas GTS NX 有限元軟件，模擬廣東省佛山市地鐵3號線的南海廣場—疊滘區間疊線隧道的施工過程。由于該隧道的左、右線隧道從水平平行鋪設逐漸過渡至上、下疊交的鋪設方式，為簡化實際工程施工情況，本次模擬采用最不利的工況［17］，即左、右線隧道豎直平行的空間關系來對其進行研究。該有限元數值模型是建立在三維地層-隧道-樁基的實體模型之上的，在此基礎上，采用修正的Mohr-Coulomb 本構模型模擬素填土、粉質黏土、全風化沉積碎屑巖，采用彈性模型模擬強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖。為簡化計算，本研究假定各土層分布均衡，主要地層物理參數見表1。

在表1 中，E50ref為三軸試驗割線剛度。在該模型中，管片寬為2.0 m，厚為0.2 m，采用彈性實體單元模型進行模擬；盾殼、注漿層均采用二維板單元來模擬，結構材料參數見表2；模型中樁基采用實體單元模擬；樁-土間采用節點耦合模擬。根據不同樁長的樁基結構與兩隧道之間的空間關系保留部分富余空間，沿掌子面開挖方向，構建長為30 m，寬為20 m，高為60 m 的長方體土體模型。假定約束地面層為自由面，約束模型土體底面位移，約束模型土體四周側面的法向位移。左線與右線隧道之間的中心線距離為12 m，左線隧道埋深40 m，右線隧道埋深為28 m。

2.2 工況

為簡化既有建筑物樁基礎與兩線隧道之間的空間關系，設樁基的底面中點與兩隧道中心線的水平間距為5 m。為比較和分析不同樁長h與隧道半徑r比值情況下，樁基水平位移和豎向位移的變化規律，設置5 種工況，分別討論疊線盾構隧道施工對既有建筑樁的影響研究。5 種工況的樁基樁長分別為22、28、34、40、46 m，具體參數見表3。

表3 5種模擬工況Table 3 5 simulation conditions

在表3 中，h為樁基樁長，r為隧道半徑，h/r即為樁基樁長與半徑的比值。這5 種模擬工況的橫剖面和建模示意分別如圖2～6 所示。

圖2 工況1的橫剖面示意及建模Fig. 2 Cross-section and modeling of working condition 1

圖3 工況2的橫剖面示意及建模Fig. 3 Cross-section and modeling of working condition 2

圖4 工況3的橫剖面示意及建模Fig. 4 Cross-section and modeling of working condition 3

圖5 工況4的橫剖面示意及建模Fig. 5 Cross-section and modeling of working condition 4

圖6 工況5的橫剖面示意及建模Fig. 6 Cross-section and modeling of working condition 5

該模擬共分為34 步進行，為更真實、有效地模擬盾構隧道開挖施工，根據廣東省佛山市3 號線實際施工的情況，盾構隧道采用先左線、后右線的施工順序。即先施工左線隧道，這對應著有限元模擬的第1～17 步施工步；待左線隧道盾殼尾端通過模型后，再按類似的步驟對右線隧道進行開挖，這對應著有限元模擬的第18～34 步，直至開挖全部結束。

具體的施工步驟為：

步驟1：添加初始應力場；

步驟2：鈍化第一環土體單元，朝掌子面法線方向激活掘進壓力F1，并激活第一環盾構單元和盾殼的外壓力F4；

步驟3：改變第一環管片層屬性，激活千斤頂力F3，鈍化第一環荷載F1、F4及盾殼單元；

步驟4：改變注漿層屬性，激活注漿壓力F2，鈍化第3個施工階段中千斤頂力F3；

步驟5：重復上述2～4 步，直至右線隧道第15環的注漿施工完成，退出模擬。

2.3 盾構參數

當盾構機向前推進開挖時，千斤頂推力F3將保持盾構機的穩定，以抵消驅動力和所需的支撐土壓力。掌子面主掘進壓力F1由千斤頂推力和刀盤切割力的軸向分力組成。注漿壓力F2在掌子面的軸向和隧道圓周向方向上變化。通常情況下，灌漿壓力將沿著盾構機遠離灌漿源的方向減少，其將隨著深度的增加而逐漸提高，且該灌漿壓力也將沿著隧道圓周運動方向而增加。

構成隧道掘進機（tunnel boring machine，TBM）掌子面向力平衡總推力的分量的表達式為

式中：Fcw為刀盤切割力的軸向分力；

Ff為盾殼的摩擦力；

Fb為土對壓力艙壁的壓力；

Fg為土對刀盤軸承的壓力；

Fce為單元切割力的軸向分量；

Fp為切割輪中心的土塞位移；

Fo為盾構機自重。

假定隧道掘進第i環盾構掘進壓力為F1i，注漿壓力為F2i，千斤頂力為F3i，盾殼外壓為F4i，其表達式分別為

式中：z為受力點到隧道中心線的距離，規定其在隧道中心線以上為正，在隧道中心線以下為負；

y為受力點到隧道第一環掌子面的距離。

3 數值計算結果分析

3.1 樁的豎向位移

計算左、右線隧道施工全部完成后樁基的豎向位移，結果如圖7 所示。當h/r＜7（即工況1）時，樁基的最終豎向位移是-9.02 mm；當h/r=7（即工況2）時，樁基的最終豎向位移是-7.18 mm；當7＜h/r＜10（即工況3）時，樁基的最終豎向位移是-4.84 mm；當h/r=10（即工況4）時，樁基的最終豎向位移是-5.69 mm；當h/r＞10（即工況5）時，樁基的最終豎向位移是-5.03 mm。

圖7 樁基的豎向位移Fig. 7 Vertical displacement of pile foundation

從圖7 可以看出，無論h/r為何數值，樁基的豎向位移均隨著底部隧道的開挖的逐步增長，之后，樁基豎向位移的增長隨著盾構機沿掘進方向遠離樁而逐步放緩，大約在第14 個施工步時，這些樁基的豎向位移增長開始停滯，但從第20 個施工步開始，這些樁基的豎向位移的增長又開始加速，直至開挖完成，樁基的豎向位移逐步達到穩定狀態。當h/r＜7（即工況1）時，疊線隧道掘進對樁基的影響最大，此時樁基的豎向位移是所有工況中最大的。這是由于當h/r＜7時，樁基周圍土體的土體彈性模量比其他土體的彈性模量小，樁基承受了更多的土體荷載，隧道開挖造成的土體受擾動也更大，且當盾構開挖完成后，對土體的注漿硬化及土體固結沉降等會促使樁體進一步下沉。其樁基豎向位移變化如圖8所示。

圖8 工況1的土體豎向位移變化示意Fig. 8 Vertical displacement of soil in condition 1

當7＜h/r＜10（即工況3）時，疊線隧道開挖對樁基豎向位移的影響最小，此時的樁基的最大豎向位移是所有工況中最小的，其樁基的豎向最大位移僅為-4.84 mm，與h/r＜7（即工況1）時的樁基的最大豎向位移-9.02 mm 相比，該值減少了46.3%。產生這種現象的主要原因是：當盾構隧道開挖開始后，隧道中心線上部的土體發生了沉降，中心線下部的土體則向上隆起，這種土體間此長彼消的作用抵消了一部分位于兩線隧道之中的樁基豎向位移［18］。

當h/r=7（即工況2）時，樁基的最大豎向位移較h/r＜7（即工況1）時的樁基的最大豎向位移減少了20.4%；當h/r=10（即工況4）時，樁基的最大豎向位移較h/r＜7（即工況1）時的樁基的最大豎向位移減少了36.9%；當h/r大于10（即工況5）時，樁基的最大豎向位移較h/r＜7（即工況1）時的樁基的最大豎向位移減少了44.2%。在這3 種工況下，樁基的最大豎向位移下降非常顯著，這是由于這3 工況均采用了長樁，而長樁能充分發揮其下部樁身的側摩阻力，減少了樁基的豎向位移。一般來說，盾構隧道開挖引起的長樁樁基的豎向位移小于短樁樁基的豎向位移［19］。

3.2 樁基的水平位移

計算左、右線隧道施工全部完成后樁基的水平位移，結果如圖9 所示。當h/r＜7（即工況1）時，樁基的最終水平位移為2.46 mm，當h/r=10（即工況2）時，樁基的最終水平位移為3.45 mm，當7＜h/r＜10（即工況3）時，樁基的最終水平位移為3.87 mm，當h/r=10（即工況4）時），樁基的最終水平位移為3.61 mm，當h/r＞10（即工況5）時，樁基的最終水平位移為3.66 mm。

圖9 樁基水平位移Fig. 9 Horizontal displacement of pile foundation

從圖9 可以看出，樁基的水平位移隨底部隧道的掘進的進行而不斷增大，直至掘進完成，樁基的水平位移達到穩定狀態。其中，當7＜h/r＜10（即工況3）時，疊線隧道對樁基的水平位移的影響最大。這是因為盾構隧道開挖會造成周圍土體向隧道中心產生擠壓，而疊線隧道中兩條隧道中心線的中點位置受隧道疊交效應的擾動最大［20］。

從圖9 還可以看出，當h/r＜7（即工況1）時，疊線隧道開挖對樁基水平位移的影響最小，此時的樁基水平位移比7＜h/r＜10（即工況3）時的樁基水平最大位移3.87 mm 減少了36.4%。這是因為離隧道中心線距離越遠，土體受盾構隧道開挖影響越?。?1］。當h/r＜7（即工況1）時，土體不僅離隧道中心線較遠，且其埋深比h/r＞10（即工況5）時的埋深更小。當h/r=7（即工況2）時，樁體平行于右側隧道的中心線，當h/r=10 時（即工況4）時，樁體平行于左側線隧道中心線。但是比較這兩種情況下的樁體埋深可知，當h/r=7（即工況2）時的樁基的埋深比當h/r=10（即工況4）時的樁基的埋深更小，所以當h/r=7（即工況2）時的樁基水平位移小于當h/r=10（即工況4）時的樁基水平位移。h/r=7（即工況2）時的樁體的水平位移比7＜h/r＜10（即工況3）時的樁基水平位移減小了10.8%；當h/r=10（即工況4）時的樁基的水平位移7＜h/r＜10（即工況3）時的樁基水平位移減小了6.7%；h/r＞10（即工況5）時的樁基的水平位移7＜h/r＜10（即工況3）時的樁基水平位移減小了5.4%

這5個工況的樁都設定在隧道的左側（即y軸負方向），故樁的水平位移都為正值，如圖10左側上方深色區域所示。當模擬樁都位于隧道的右側（即y軸正方向）時，樁的水平位移都為負值，如圖10中右側上方深色區域所示。

圖10 土體水平位移變化示意Fig. 10 Horizontal displacement of soil

4 工程監測值對比

由于樁基的豎向和水平位移對于地面建筑物的安全穩定性有著較大的影響，故通過對地面既有建筑物進行實時監測，并繪制樁基位移變化曲線來分析和研究疊線盾構隧道開挖對其既有鄰近建筑物樁基的具體影響。在廣東省佛山市地鐵3號線南海廣場—疊滘區間線疊線隧道開挖工程中，當盾構開挖施工穿越建筑物樁群時，為保證鄰近既有建筑物的安全，已做好了監控量測工作，將監測得到的不同樁長的5個工況的鄰近既有建筑物水平及豎向位移數據，與本研究的有限元數值模型的計算結果進行比較，結果分別如圖11～15所示。

圖11 工況1模擬與監測對比Fig. 11 Comparision of simulation and monitoring of condition 1

圖12 工況2模擬與監測對比Fig. 12 Comparision of simulation and monitoring of condition 2

圖13 工況3模擬與監測對比Fig. 13 Comparision of simulation and monitoring of condition 2

圖14 工況4模擬與監測對比Fig. 14 Comparision of simulation and monitoring of condition 4

圖15 工況5模擬與監測對比Fig. 15 Comparision of simulation and monitoring of condition 5

從圖11～15中可以看出，本次模擬結果與實際監測數據誤差基本吻合。其中，當7＜h/r＜10（即工況3）時，水平位移模擬結果與實際監測結果相差較大，兩者差值的絕對值達到了1.75 mm，相對誤差約為25%，但該相對誤差仍滿足《建筑地基基礎設計規范》（GB50007—2011）與《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）這兩個規范中的要求。其余4 個工況的相對誤差約為7%～16%。具體情況如下：

1） 當h/r＜7（即工況1）時，模擬的豎向位移比實際豎向位移大0.72 mm，高出約8.7%，模擬水平位移比實際水平位移大0.44 mm，高出15.2%；

2） 當h/r=7（即工況2）時，模擬豎向位移比實際豎向位移大0.57 mm，高出8.6%，模擬水平位移比實際水平位移大0.18 mm，高出5.5%；

3） 當7＜h/r＜10（即工況3）時，模擬豎向位移比實際豎向位移大0.69 mm，高出16.6%，模擬水平位移比實際水平位移小1.76 mm，降低25.3%；

4） 當h/r=10（即工況4）時，模擬豎向位移比實際豎向位移小0.61 mm，降低了9.7%，模擬水平位移比實際水平位移小0.69 mm，降低16.1%；

5） 當h/r＞10（即工況5）時，模擬豎向位移比實測豎向位移減少了1.37 mm，高出約21.4%，模擬水平位移比實際水平位移小1.76 mm，降低了22.0%。

從圖7、圖9 與圖11～15 的對比中還可發現，既有建筑物樁基的實測水平位移和實測豎向位移變化趨勢比本研究有限元模型得到的結果略小。隨著盾構隧道掌子面的推進，鄰近既有建筑物樁基的水平和豎向位移都是逐步增大，且在管片拼裝、灌漿等施工工序結束后，兩者均趨于穩定［28-29］。實際監測結果表明，當7＜h/r＜10（即工況3）時，樁基豎向位移最小，水平位移最大；當h/r＜7（即工況1）時，樁基豎向位移最大，水平位移最小，與數值模擬結果一致。這些均表明該有限元模型能準確、有效地預測疊線盾構隧道對既有建筑物樁基礎的水平位移與豎向位移的影響。

5 結論

本研究以廣東省佛山市地鐵3 號線的南海廣場—疊滘區間工程為背景，采用Midas GTS NX 有限元軟件，建立該區間段疊線隧道開挖過程的三維有限元模型，分析在不同樁長h與不同隧道半徑r比值情況下，疊線盾構隧道施工對既有鄰近建筑物樁基的位移影響，得出結論：

1） 既有鄰近建筑物樁基的豎向位移和水平位移數值模擬計算結果與實際樁基位移監測數據的相對誤差較小，該模型預測結果準確、可靠，對類似疊線隧道工程的安全監測具有指導意義；

2） 樁基的豎向位移隨樁端埋深的增大而減小。盾構開挖引起的地層損失使隧道軸線上方土體產生沉降，隧道軸線以下土體在開挖卸荷作用下產生回彈，這兩者共同作用使得位于疊線隧道之間的樁頂豎向位移最小，該最小值為-4.84 mm。

3） 樁基的水平位移隨樁基埋深的增大而增大。在上、下疊線隧道的中心連線的中點位置附近，樁基受隧道開挖的疊交擾動效應最大，因此樁基位于上、下疊線隧道之間的樁頂水平位移也最大，該最大值為2.46 mm。

綜上所述，在實際的疊線隧道開挖過程中，上、下疊線隧道在穿越既有鄰近建筑物樁基時，應盡可能將下方隧道軸線設計于樁基標高線以上，避免隧道在樁底標高線以下開挖導致樁端出現承載力損失。當發現預測模型的樁基位移過大時，可提前采用袖閥管注漿對土體進行加固，防止樁基產生過大位移，影響既有鄰近建筑物的安全。