王 偉 鐘啟凱 陳 益 吳慧林 關(guān)章磊

中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司 湖北 武漢 430061

地鐵作為一種高效便捷的城市交通運(yùn)輸方式，在近十年里得到迅速發(fā)展。但是面對(duì)日趨復(fù)雜的城市建設(shè)環(huán)境，地鐵建設(shè)難免對(duì)城市中既有建（構(gòu)）筑物造成不利影響，其中，高架道路樁基就是易受地鐵直接影響的構(gòu)筑物之一。

為此，許多專家學(xué)者研究了地鐵隧道施工對(duì)一般建筑物樁基、高架樁基的影響[1-2]。

張志強(qiáng)等[3]以深圳地鐵隧道近距離側(cè)穿樁基工程（凈距僅0.31 m）為研究對(duì)象，分析了樁基變形規(guī)律；李進(jìn)軍等[4]針對(duì)上海地鐵隧道穿越對(duì)航站樓樁基的影響問(wèn)題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道穿越樁基產(chǎn)生的附加彎矩過(guò)大；楊曉杰[5]、朱逢斌等[6]則分析了地鐵隧道對(duì)建筑物樁基承載性能的影響，研究比較深入、細(xì)致。與一般建筑物樁基有所不同，高架樁基具有直徑大、埋深大、剛度大的特點(diǎn)。其中，楊廣武等[7]采用FLAC3D 三維數(shù)值模擬軟件分析地鐵雙線隧道在開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中，鄰近樁基內(nèi)力與變形的變化規(guī)律；朱彬等[8]以地鐵隧道上部橋梁基礎(chǔ)及地層為研究對(duì)象，采用數(shù)值方法模擬了隧道單線和雙線開(kāi)挖過(guò)程中地表的變形情況以及橋基間的差異沉降；曹云[9]、李彪[10]、宋慧林[11]等也分析了地鐵隧道施工對(duì)橋梁樁基、高架樁基的影響，但上述研究限于各自工程特點(diǎn)，樁基均在地鐵隧道某一側(cè)，而樁基位于雙線隧道中間、盾構(gòu)施工誘發(fā)的變形規(guī)律仍有待研究[12-13]。

1 工程概況

長(zhǎng)沙地鐵某區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道埋深12.00～22.00 m，雙線間距13.00～15.00 m。隧道開(kāi)挖地層為強(qiáng)、中、微風(fēng)化板巖，上覆黏土、粉質(zhì)黏土、雜填土等。隧道施工采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤直徑6.28 m，同步安裝管片，每環(huán)寬度1.50 m，厚度0.30 m。

在地鐵區(qū)間線路與北二環(huán)高架道路交叉部位，北二環(huán)立交橋左右2幅各有一處樁基位于雙線隧道之間。2處樁基均為大直徑混凝土灌注樁，直徑2.20 m，與隧道凈距2.80～4.10 m，樁基參數(shù)見(jiàn)表1。樁基底面標(biāo)高29.16 m，隧底標(biāo)高27.71 m，隧頂標(biāo)高33.71 m，隧道洞身地層為中風(fēng)化板巖，地鐵施工過(guò)程必然對(duì)樁基產(chǎn)生影響。

表1 樁基參數(shù)

2 數(shù)值模擬

根據(jù)地鐵盾構(gòu)施工情況，對(duì)單線隧道側(cè)穿2處樁基進(jìn)行模擬，研究樁基變形規(guī)律；在單線隧道側(cè)穿樁基研究基礎(chǔ)上，模擬另一線隧道相向、同向施工方式（圖1）對(duì)樁基變形的影響，一方面為樁基防護(hù)措施提供依據(jù)，另一方面保證工程合理、高效施工。

圖1 雙線隧道施工順序

2.1 三維數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

本文采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)寬高為72 m（y）×75 m（x）×30 m（z），其中x向?yàn)樗淼罊M斷面方向，y向?yàn)樗淼垒S線方向，z向?yàn)樨Q直方向。地鐵隧道位于模型中下部，軸線埋深19.89 m，簡(jiǎn)化后的樁基位于模型中部，并在樁頂施加應(yīng)力，模擬上部結(jié)構(gòu)荷載。

巖土體、樁基采用基于Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，樁基與巖土體之間采用接觸面單元（Interface）連接。盾殼、管片均為彈性殼單元（Shell），巖土體及樁基物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。模擬步驟：盾構(gòu)掘進(jìn)，開(kāi)挖巖土體，對(duì)掌子面施加土倉(cāng)壓力；管片拼裝；掘進(jìn)、盾尾同步注漿；漿層硬化，固結(jié)沉降。

表2 盾構(gòu)區(qū)間數(shù)值模擬采用的地層及材料物理力學(xué)參數(shù)

首先，模擬右側(cè)單線隧道開(kāi)挖，先側(cè)穿E4樁基，后側(cè)穿W4樁基；其次，分2種情況模擬隧道開(kāi)挖，即在單線隧道開(kāi)挖完畢后，進(jìn)行同向開(kāi)挖左側(cè)隧道和相向開(kāi)挖左側(cè)隧道。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 單線隧道側(cè)穿樁基數(shù)值模擬結(jié)果

2處高架橋樁基與開(kāi)挖隧道凈距分別為2.8 m和3.9 m，經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算，得出其沉降結(jié)果（圖2、圖3）。地鐵隧道側(cè)穿樁基的過(guò)程中存在2個(gè)節(jié)點(diǎn)，即刀盤穿越樁基中心所在平面（與開(kāi)挖面平行）和盾尾穿越樁基中心平面，2個(gè)節(jié)點(diǎn)將側(cè)穿過(guò)程分為3個(gè)部分。從圖2中可以看出，單線隧道側(cè)穿樁基，刀盤穿越樁中心平面之前的樁頂沉降占樁頂總沉降的20%～30%；在刀盤穿越之后、盾尾穿越之前，樁頂沉降為樁頂總沉降的30%～40%；盾尾穿越以后的樁頂沉降占30%～40%，且盾尾穿越前后樁基沉降最大。這表明樁基沉降主要發(fā)生盾構(gòu)機(jī)通過(guò)樁基中心所在平面的過(guò)程中，這一階段也是對(duì)樁基采取防護(hù)措施、施工精細(xì)化控制的關(guān)鍵階段。此外，由圖3中曲線可知，樁身除了受到周圍巖土體的影響發(fā)生沉降外，自身也有微小變形。樁身同一水平位置沉降差0.2～0.5 mm，且在距樁底4～7 m處沉降差更大，說(shuō)明此處是隧道開(kāi)挖引發(fā)地層變形、地層變形引發(fā)樁基變形的主要部位。

圖2 單線隧道側(cè)穿樁基樁頂中心沉降

圖3 E4樁基沉降

在樁基中心剖面三維位移云圖中（圖4），x正向表示樁基趨向隧道，y表示表示隧道掘進(jìn)方向，z正向表示豎直向上。從云圖中看出，樁身x位移零點(diǎn)約距樁底6 m，樁身繞中性點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即樁身中上部向隧道側(cè)傾斜、下部向另一側(cè)翹起，樁頂樁底位移差值約3.1 mm；樁身y位移零點(diǎn)靠近樁頂左側(cè)，樁體向隧道掘進(jìn)方向產(chǎn)生位移，位移最大處位于樁身中部靠右側(cè)，近隧道側(cè)的樁身位移大于遠(yuǎn)隧道側(cè)樁身位移，表明樁身中部向掘進(jìn)方向輕微隆起，且樁身發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，樁身自下而上先后發(fā)生位移或變形。

圖4 E4樁基中心剖面位移

2.2.2 雙線隧道側(cè)穿樁基數(shù)值模擬結(jié)果

在單線隧道側(cè)穿樁基數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，對(duì)另一隧道盾構(gòu)施工分別進(jìn)行同向和相向模擬。從雙線隧道側(cè)穿樁基過(guò)程中，2個(gè)樁基的樁頂中心沉降曲線（圖5）和隧道側(cè)穿后E4樁基不均勻沉降（圖6）中看出：

圖5 雙線隧道側(cè)穿樁基樁頂中心沉降

圖6 E4樁基沉降

1）同向施工和相向施工后，樁頂沉降基本相同，但是過(guò)程中沉降變化規(guī)律不同：同向施工前中期沉降小、后期沉降大，相向施工與之相反。

2）雙線隧道施工順序不同對(duì)樁身不同部位沉降基本無(wú)影響。雙線隧道相向側(cè)穿樁基過(guò)程中前中期沉降較大、后期沉降較小，主要是由于雙線隧道同向施工時(shí)，后挖隧道沉降區(qū)域發(fā)展路徑與先挖隧道相同，過(guò)程中巖土體及樁基對(duì)再次擾動(dòng)不敏感，而相向施工時(shí)沉降區(qū)域發(fā)展路徑與同向施工相反，前中期沉降反而更大。

2種不同的施工方式對(duì)樁基產(chǎn)生不同的影響，將樁身軸線向隧道側(cè)傾斜曲線（圖7）與隧道施工結(jié)束后樁基中心剖面的三維位移云圖（圖8、圖9）進(jìn)行對(duì)比可知，同向施工樁身中心剖面x位移零點(diǎn)距樁底14.1 m，相向施工x位移零點(diǎn)距樁底12.1 m，且相向施工的樁身x位移大于同向施工，表明相向施工下，樁基向先挖隧道側(cè)傾斜更明顯；同樣，無(wú)論在哪種施工方式下，樁基均沿y正向傾斜，不同的是：同向施工y位移最大值位于樁身中部靠右側(cè)，相向施工位于樁頂邊緣靠右側(cè)，說(shuō)明同向施工引發(fā)樁身中部發(fā)生變形，相向施工引發(fā)樁身傾斜，且2種情況下樁身均發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖7 樁身軸線x向位移

圖8 雙線隧道同向施工樁基中心剖面位移

圖9 雙線隧道相向施工樁基中心剖面位移

數(shù)值模擬的結(jié)果為雙線隧道側(cè)穿高架樁基施工提供了預(yù)測(cè)和參考，但其準(zhǔn)確性仍需要現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的驗(yàn)證。在施工過(guò)程中，對(duì)2處樁基樁頂沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)（圖10、圖11）。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：第一，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果中樁體隆起比數(shù)值模擬明顯，主要原因是盾構(gòu)側(cè)穿樁基過(guò)程中施工參數(shù)受到調(diào)整，偏于保守；第二，單線隧道施工后樁體沉降略大于數(shù)值模擬結(jié)果，雙線隧道施工過(guò)程中，數(shù)值模擬沉降變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)沉降吻合度較高?？傮w而言，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果比較貼近數(shù)值模擬結(jié)果，表明該數(shù)值模擬及其結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

圖10 單線隧道側(cè)穿樁基樁頂中心沉降

圖11 雙線隧道側(cè)穿樁基樁頂中心沉降

4 結(jié)語(yǔ)

1）單線隧道側(cè)穿樁基過(guò)程中，盾構(gòu)刀盤（開(kāi)挖面）穿越樁中心所在平面（與開(kāi)挖面平行）前，樁頂沉降為總沉降的20%～30%，在開(kāi)挖面穿越后、盾尾穿越前，樁頂沉降為總沉降的30%～40%，盾尾穿越后的樁頂沉降占30%～40%，盾尾穿越樁中心平面前后樁基沉降最大。

2）單線隧道側(cè)穿樁基，樁身中部向掘進(jìn)方向輕微隆起，且樁身發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，樁身自下而上先后發(fā)生位移或變形。

3）雙線隧道相向側(cè)穿樁基前中期沉降大、后期沉降小，同向側(cè)穿與之相反，主要是由于雙線隧道同向施工時(shí)，后挖隧道沉降區(qū)域發(fā)展路徑與先挖隧道相同，過(guò)程中巖土體及樁基對(duì)再次擾動(dòng)不敏感，而相向施工時(shí)沉降區(qū)域發(fā)展路徑與同向施工相反，前中期沉降反而更大；同向施工引發(fā)樁身中部發(fā)生變形，相向施工引發(fā)樁身傾斜，且2種情況下樁身均發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

4）雙線隧道同向施工對(duì)樁基影響更小，是更好的選擇。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，具有參考意義。