裴孟德

（上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海市 201108）

0 引言

近十幾年來，城市大直徑盾構(gòu)隧道的建設(shè)數(shù)量和規(guī)模呈井噴式發(fā)展。以上海為例，已建通車的直徑11 m級盾構(gòu)隧道10條，直徑14 m級盾構(gòu)隧道4條，直徑15 m級盾構(gòu)隧道2條。目前，在建的諸光路、周家嘴路、沿江通道、北橫通道、江浦路、龍水南路等隧道工程均采用直徑11～15 m級盾構(gòu)實(shí)施。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)以數(shù)塊管片拼裝而成，其整體性不及現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。當(dāng)存在外部超載干擾時，大直徑盾構(gòu)隧道存在結(jié)構(gòu)變形和滲漏水的風(fēng)險。在城市建設(shè)中，不可避免地存在樁基臨近隧道施工的情況。分析樁基荷載對既有隧道的影響，針對性做好風(fēng)險預(yù)測關(guān)乎隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和運(yùn)營安全，至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)較多學(xué)者研究了樁基對地鐵隧道的影響。閆靜雅[1]等分析了上海太平洋2期廣場工程對臨近地鐵1號線的影響，結(jié)果表明隧道變形以沉降為主，水平位移較小，隧道結(jié)構(gòu)向樁基礎(chǔ)方向產(chǎn)生一定扭曲。路平[2]等借助某立交橋工程，運(yùn)用數(shù)值手段分析橋墩基礎(chǔ)施工及運(yùn)營期對天津地鐵2號線盾構(gòu)隧道的影響。樁基正常施工對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響可以忽略不計。隧道內(nèi)力和變形主要集中在樁基加載階段。呂寶偉[3]通過數(shù)值結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析，鋼護(hù)筒的使用和地基加固能有效減少樁基施工對既有地鐵隧道的影響。翁效林[4]等運(yùn)用離心模型試驗(yàn)，分析西安東環(huán)廣場樁基對鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。樁基承載所引發(fā)附加應(yīng)力會在隧道結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，隧道拱腰部位是附加荷載的主要承受區(qū)。

然而，道路隧道相比地鐵隧道直徑大1倍或更多，相比地鐵隧道樁基荷載對大斷面隧道結(jié)構(gòu)的影響存在較多不確定性。目前，國內(nèi)樁基荷載對大直徑盾構(gòu)隧道影響的研究報道尚少。本文借助某橋梁工程，通過有限元計算和實(shí)測分析，研究橋梁樁基礎(chǔ)對大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為相似工程所借鑒。

1 平面有限元計算

1.1 工程概況

上海某既有道路隧道采用盾構(gòu)法施工，結(jié)構(gòu)外徑11.36 m（見圖1）。隧道主體結(jié)構(gòu)采用0.5 m厚預(yù)制鋼筋混管片拼裝成型，混凝土等級為C55，抗?jié)B等級為P12。新建人行天橋基礎(chǔ)承臺邊緣與盾構(gòu)隧道最小間距約8 m（見圖2），該處盾構(gòu)隧道覆土深度約19.5 m（見圖3）。樁基采用直徑1 m鉆孔灌注樁，設(shè)計樁長45 m。承臺尺寸為4.5 m×4.5 m×2 m，承臺下共4根樁，間距3.5 m。

圖1 盾構(gòu)隧道橫斷面（單位:mm）

圖2 天橋基礎(chǔ)與盾構(gòu)隧道平面位置關(guān)系

圖3 天橋基礎(chǔ)與盾構(gòu)隧道剖面位置關(guān)系

1.2 計算模型

（1）幾何模型

借助平面有限元軟件建立樁基對盾構(gòu)隧道影響數(shù)值模型，網(wǎng)格劃分見圖4。模型寬100 m，高80 m，模型底部僅約束豎向位移，兩側(cè)僅約束水平位移。

（2）模型參數(shù)

圖4 有限元模型

土體簡化為水平向均質(zhì)土層，采用15節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元模擬，土體力學(xué)模型采用Hardening-Soil模型。Hardening-Soil模型是一種較好模擬基坑開挖卸載性狀的彈塑性土體模型。模型的一個基本特點(diǎn)就是土體剛度對應(yīng)力狀態(tài)的依賴性，在排水三軸試驗(yàn)情況下，軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力之間為雙曲線關(guān)系，其在p平面上的形狀與MC模型相同，且使用MC破壞準(zhǔn)則描述極限狀態(tài)，可以模擬應(yīng)力增量隨應(yīng)變逐漸減小的硬化現(xiàn)象[5]。巖土強(qiáng)度采用三軸試驗(yàn)剛度（E50）、三軸卸載/再加載剛度（Eur）和固結(jié)儀荷載強(qiáng)度（Eoed）描述。各剛度定義的公式分別為：

式中：E為圍壓pref50%強(qiáng)度下割線模量；為圍壓pref下卸載/加載模量；為主固結(jié)儀加載中的切線剛度；m為剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)；c為粘聚力（kPa）；φ為內(nèi)摩擦角（°）。

在不排水條件下模擬樁基施工，地下水位取為地面以下0.5 m，不考慮地下水的滲流作用。鉆孔灌注樁和承臺樁基根據(jù)剛度等效原則進(jìn)行剛度折減，采用板單元模擬。板單元與土體設(shè)置接觸單元模擬結(jié)構(gòu)與土的共同作用。承臺上方荷載等效成均勻荷載，荷載值為315 kPa。隧道結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，彈性模量E=34.5 GPa，泊松比υ=0.18，重度ρ=25 kN/m3。地層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

（3）計算過程

a.建立樁基和盾構(gòu)隧道數(shù)值模型，計算初始應(yīng)力，清除初始位移。

b.激活盾構(gòu)隧道單元，殺死內(nèi)部土單元，地層損失率根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)定為1%。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

c.激活樁基單元前，清除初始位移。激活樁基礎(chǔ)單元。并施加豎向荷載。

d.計算完成，輸出計算結(jié)果。

2 影響分析

2.1 實(shí)測數(shù)據(jù)與模型驗(yàn)證

樁基施工前，在隧道臨近樁基一側(cè)拱腰處和隧道車道板中心處分別布置水平位移和沉降監(jiān)測點(diǎn)。從實(shí)測數(shù)據(jù)看，樁基施工過程中，隧道水平位移較小，基本處于-2 mm以內(nèi)（負(fù)值代表向樁基方向）。當(dāng)樁基承受上部荷載后，隧道監(jiān)測點(diǎn)遠(yuǎn)離樁基方向位移明顯加大，最終位移值穩(wěn)定在1 mm左右（見圖5）。樁基施工導(dǎo)致隧道產(chǎn)生一定量的沉降，沉降數(shù)值約2.2 mm（見圖6）。當(dāng)施加上部荷載以后，沉降明顯加大，最大值約5.4 mm。伴隨時間推移，隧道后期沉降有收斂趨勢，逐漸穩(wěn)定在5 mm左右。

圖5 隧道拱腰處水平位移(實(shí)測值)

圖6 隧道車道板沉降(實(shí)測值)

由于無法監(jiān)測到隧道拱底沉降，將車道板沉降近似等效為拱底沉降。計算結(jié)果顯示，拱腰處水平位移值1.5 mm，隧道拱底沉降4 mm（見表2）。將實(shí)測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果進(jìn)行對比，計算值與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差較小。因此，本數(shù)值模型能夠反應(yīng)出樁基荷載下臨近隧道的變形規(guī)律。

表2 實(shí)測數(shù)據(jù)與計算值對比表

2.2 作用機(jī)理與影響規(guī)律

（1）成樁過程

鉆孔灌注樁施工采用常規(guī)的泥漿護(hù)壁成孔方式。泥漿配比不足時，孔壁易產(chǎn)生收縮進(jìn)引起土層損失。成孔過程引發(fā)的土層損失，是前期地層變位的主要原因。

成樁階段，隧道向樁基方向發(fā)生沉降和側(cè)移，相比受荷階段位移值較小。合理提高泥漿配比，甚至在成孔時采用全程鋼護(hù)筒，可以有效減少土層損失，降低隧道變形的風(fēng)險。

（2）樁基受荷過程

上海地區(qū)主要為濱海沉積相的軟弱土層，樁基承受上部荷載后，樁基承載力主要來源于樁周側(cè)摩阻力。在樁周摩阻力的作用下，樁周形成一定范圍內(nèi)的剪切帶。剪切效應(yīng)帶動周邊土體產(chǎn)生地層變位，距離樁基越遠(yuǎn)剪切效應(yīng)影響越弱。圖7為土體沉降計算云圖，剪切效應(yīng)帶動周邊土體發(fā)生沉降，進(jìn)而波及到隧道結(jié)構(gòu)。土體最大沉降約8.5 mm，隧道結(jié)構(gòu)最大沉降約4 mm。圖8為土體水平位移計算云圖，剪切效應(yīng)導(dǎo)致隧道臨近樁基側(cè)產(chǎn)生附加應(yīng)力，隧道被向外和向下擠壓，最大水平位移約1 mm。

圖7 土體沉降云圖

樁基受荷后，剪切效應(yīng)對臨近隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的影響，同時隧道結(jié)構(gòu)也影響著地層應(yīng)力的重分布。地層和隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)都是結(jié)構(gòu)與土共同作用的結(jié)果。當(dāng)樁基和隧道間距加大后，理論上隧道與樁、土之間的共同作用有所減弱?；跀?shù)值模型，當(dāng)隧道與樁基間距由8 m加大至22 m時（約2D，D為隧道結(jié)構(gòu)外徑），隧道沉降和側(cè)移非常小，可忽略不計。控制樁基與臨近隧道間距是減少隧道結(jié)構(gòu)變形和滲漏水風(fēng)險的關(guān)鍵措施，建議將樁與隧道間距控制在2倍隧道結(jié)構(gòu)外徑以上。

圖8 土體水平位移云圖

此外，樁基長期荷載作用下地層仍然會產(chǎn)生蠕變位移，對隧道結(jié)構(gòu)依然存在一定的影響，目前國內(nèi)外尚沒有較成熟的研究結(jié)論。鑒于此，隧道管養(yǎng)部門仍然需要重視隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的長期發(fā)展，對管片加強(qiáng)巡視和監(jiān)測。

3 結(jié)語

借助平面有限元程序，建立樁基對大直徑盾構(gòu)影響的數(shù)值模型，通過實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結(jié)果對比分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，成樁過程中臨近隧道產(chǎn)生相對少量的位移。隧道向下和向樁基方向發(fā)生變位。當(dāng)樁基受荷后，隧道位移量明顯加大，隧道向下和向遠(yuǎn)離樁基方向發(fā)生變位。

（2）平面有限元模型，能夠模擬樁基受荷的短期行為，與實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律相似，數(shù)值相差較少。

（3）樁基成孔過程引發(fā)的土層損失，是前期地層變位的主要原因。合理提高泥漿配比，甚至在成孔時采用全程鋼護(hù)筒，可以有效減少土層損失，降低隧道變形的風(fēng)險。

（4）樁基受荷后，樁周形成一定范圍內(nèi)的剪切帶。剪切效應(yīng)引發(fā)結(jié)構(gòu)與土的共同作用，進(jìn)而使地層和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。當(dāng)樁基與隧道間距在2倍隧道結(jié)構(gòu)外徑以上時，隧道沉降和側(cè)移可得到有效控制。

（5）此外，樁基長期荷載作用下地層仍然會產(chǎn)生蠕變位移，對隧道結(jié)構(gòu)依然存在一定的影響。建議隧道管養(yǎng)部門重視隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的長期發(fā)展，加強(qiáng)巡視和監(jiān)測。

[1]閆靜雅,張子新,黃宏偉,等.樁基礎(chǔ)荷載對鄰近已有隧道影響的有限元分析[J].巖土力學(xué),2008,29（9）:2508-2514.

[2]路平,鄭剛.立交橋樁基礎(chǔ)施工及運(yùn)營期對既有隧道影響的研究[J].巖土工程學(xué)報,2013,35（S2）:923-927.

[3]呂寶偉.超臨界橋樁基施工對既有隧道影響數(shù)值與實(shí)測分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2017,61（3）:103-107.

[4]翁效林,孫騰,馮瑩.樁基礎(chǔ)承載過程對近距離地鐵隧道影響機(jī)制分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,48（3）:138-142.

[5]張 飛,李鏡培,唐 耀.考慮土體硬化的基坑開挖性狀及隆起穩(wěn)定性分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2012,39（2）:79-84.