劉健美

廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣東 廣州 510010

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，當(dāng)下城市化進(jìn)程也在不斷加快，城市人口密度也隨之不斷增加。為了改善城市化帶來的交通擁堵現(xiàn)象，近年來，各地均加快了城市地下交通的建設(shè)。其中，盾構(gòu)法施工在地鐵修建中扮演著重要角色，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中常需側(cè)穿、下穿一些既有高層建筑物。此時(shí)，在修建地鐵的工程中往往會(huì)與現(xiàn)有或擬建建筑物的基礎(chǔ)發(fā)生沖突，并對(duì)其穩(wěn)定性造成不利的影響[1]。在這種情況下，盾構(gòu)隧道施工時(shí)會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，而引起建筑物樁基產(chǎn)生一定附加應(yīng)力和位移。因此研究盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近既有建筑物樁基的影響具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地鐵隧道下穿建筑物對(duì)建筑物基礎(chǔ)的影響進(jìn)行了大量的研究。王建偉[2]、張大鵬[3]、高福華[4]研究了盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近橋梁樁基的位移、剪力和彎矩等的影響規(guī)律；黃生根等[5]對(duì)保證橋臺(tái)樁基礎(chǔ)穩(wěn)定的加固托換技術(shù)進(jìn)行了探討，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備改造措施的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。梁超強(qiáng)等[6]和周學(xué)彬[7]通過數(shù)值分析模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，分別研究了盾構(gòu)隧道施工下穿現(xiàn)有淺基礎(chǔ)建筑物對(duì)建筑物沉降的影響和盾構(gòu)隧道施工側(cè)穿老舊樁基礎(chǔ)建筑物對(duì)地表變形的影響，提出了技術(shù)措施保障盾構(gòu)斜穿建筑物樁基群施工時(shí)地面建筑物的安全。Katebi等[8]利用ABAQUS有限元軟件詳細(xì)分析了隧道埋深、土體參數(shù)、隧道與建筑物間距、建筑物剛度等因素對(duì)襯砌應(yīng)力及變形的影響。

目前，關(guān)于隧道盾構(gòu)由中間穿越樁基群對(duì)于兩側(cè)樁基變形影響的研究相對(duì)較少。在盾構(gòu)的施工過程中會(huì)擠壓土體以及使土體松動(dòng)，并導(dǎo)致荷載的變化以及孔隙水壓力的變化，從而引起土體性質(zhì)的改變等，引起樁基礎(chǔ)的變形[9]，進(jìn)而對(duì)樁基側(cè)摩阻力與樁端總抗力產(chǎn)生不利的影響。因此，本文針對(duì)廣州地鐵18號(hào)線地鐵盾構(gòu)隧道下穿番禺區(qū)東環(huán)街龍美村辦公樓及商業(yè)裙樓的樁基群案例，對(duì)隧道盾構(gòu)掘進(jìn)點(diǎn)與樁基的距離對(duì)于樁基變形的影響進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且結(jié)合三維數(shù)值模擬開展了深入的分析。研究結(jié)果為今后在隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，對(duì)下穿樁基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)維護(hù)提供了實(shí)測(cè)依據(jù)，為盾構(gòu)隧道與樁基礎(chǔ)共建施工提供一定的指導(dǎo)作用，有助于對(duì)周邊建筑物及周邊地層在盾構(gòu)施工過程中的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 工程概況

廣州市地鐵18號(hào)線工程大致呈南北走向，起始于南沙萬頃沙樞紐，終止于天河廣州東站，線路全長(zhǎng)61.3 km，均為地下線路。地鐵18號(hào)線共設(shè)站9座，其中換乘站8座。其中，番禺廣場(chǎng)站—南村萬博站區(qū)間地鐵盾構(gòu)隧道下穿番禺區(qū)東環(huán)街龍美村的辦公樓及商業(yè)裙樓，如圖1所示。

圖1 地鐵18號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿辦公樓及商業(yè)裙樓平面示意

辦公樓及商業(yè)裙樓的樁基工程一部分于2019年完成，一部分于2020年完成，如圖2所示。擬建地鐵18號(hào)線區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，上下線共穿越2019年施工完成的辦公樓及商業(yè)裙樓的3排樁（共38根樁基，Z1—Z38）。

圖2 地鐵18號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿辦公樓及商業(yè)裙樓樁基示意

番禺區(qū)東環(huán)街龍美村辦公樓及商業(yè)裙樓項(xiàng)目擬建辦公樓1棟，建筑高度104.50 m，商業(yè)裙樓1棟，建筑高度14.80 m，項(xiàng)目設(shè)2層地下室。因此，樁基礎(chǔ)變形和沉降的控制對(duì)于樓層的穩(wěn)定至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，考慮到地鐵盾構(gòu)隧道在施工時(shí)下穿對(duì)樁基變形的影響，在盾構(gòu)機(jī)穿過樁基的過程中，對(duì)樁的側(cè)向位移以及沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 樁基設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)方案

為了研究盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)與樁基的距離對(duì)樁基位移的影響，在現(xiàn)場(chǎng)的樁基部位埋設(shè)了一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中樁基的位移進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。盾構(gòu)掘進(jìn)速度右線為70～90 mm/min，左線為50～70 mm/min。在隧道左線盾構(gòu)的過程中，選取了1號(hào)樁與2號(hào)樁基進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。其中，x方向?yàn)榇怪庇谒淼赖姆较?，y方向?yàn)槠叫杏谒淼赖姆较?，如圖3所示。1號(hào)樁與2號(hào)樁都是嵌巖樁，樁長(zhǎng)分別為58、52 m。在豎直方向上，從樁頂?shù)綐兜?，每間隔1 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，所測(cè)得的位移結(jié)果為相對(duì)于隧道左線開挖前的位移。

圖3 檢測(cè)樁基與盾構(gòu)隧道關(guān)系

2.2 樁基參數(shù)

龍美物鼎展覽城樁基礎(chǔ)采用直徑0.8～1.8 m灌注樁，樁基礎(chǔ)與區(qū)間隧道最小水平凈距為2.221 m。2019年施工完成的工程樁均采用混凝土旋挖灌注樁，樁徑為1.2～1.8 m，1號(hào)、2號(hào)樁的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為－18.79～－18.41 m，基坑底與隧道結(jié)構(gòu)豎向最小凈距為28.08 m。支護(hù)樁嵌固深度8～11 m，支護(hù)樁與隧道結(jié)構(gòu)豎向凈距為15.75～20.08 m。

表1 樁基的物理力學(xué)參數(shù)

3 盾構(gòu)下穿建筑物監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 盾構(gòu)距離對(duì)樁基水平側(cè)向位移的影響

圖4所示為不同盾構(gòu)位置1號(hào)樁水平側(cè)向位移。從圖4（a）中可以看出，在左線盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)樁基時(shí)（管片編號(hào)792—807），隨著開挖步的進(jìn)行，樁基在x方向整體的位移趨勢(shì)是往靠近隧道側(cè)移動(dòng)，并且樁基會(huì)向著隧道的方向發(fā)生傾斜，樁頂位移比樁底位移大。而在左線盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過樁基后（管片編號(hào)807—822），隨著開挖步的進(jìn)行，樁基－30 m以下的部分向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)移動(dòng)，而樁基－30 m以上的部分位移變化不大。分析認(rèn)為，這是由于隧道開挖到達(dá)樁基之前，由于隧道開挖需要卸土，導(dǎo)致樁基在隧道側(cè)的土壓力小于另一側(cè)的土壓力，1號(hào)樁在x方向的位移會(huì)先向著隧道側(cè)發(fā)展，當(dāng)隧道開挖超過樁基后，由于管片的拼裝，會(huì)對(duì)管道兩側(cè)的土體產(chǎn)生側(cè)向的壓力，所以1號(hào)樁在隧道開挖超過樁基后，x方向位移會(huì)向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)發(fā)展。1號(hào)樁整體的傾斜方向未發(fā)生改變，傾斜程度逐漸增大，在左線隧道開挖完成時(shí)傾斜最嚴(yán)重。盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)時(shí)帶動(dòng)周圍土體發(fā)生向前的移動(dòng)，從而帶動(dòng)樁基向隧道開挖方向移動(dòng)。從圖4（b）中可以看出，隨著開挖步的進(jìn)行，樁基y方向側(cè)移主要發(fā)生在樁頂（－10～0 m）與樁底（－50～－40 m）處。樁基最大的位移發(fā)生在盾構(gòu)管片812處，這說明在y方向，1號(hào)樁的位移隨著開挖步的進(jìn)行而增加，在盾構(gòu)經(jīng)過樁基一段距離后，位移會(huì)開始逐漸減小。并且1號(hào)樁在y方向的位移整體是向盾構(gòu)掘進(jìn)的反方向發(fā)展。

圖4 不同盾構(gòu)位置下1號(hào)樁水平側(cè)向位移

圖5所示為不同盾構(gòu)位置2號(hào)樁水平側(cè)向位移。從圖5（a）中可以看出，2號(hào)樁x方向的側(cè)移主要發(fā)生在樁基中部（－40～－20 m），在盾構(gòu)管片812處達(dá)到最大的位移，比1號(hào)樁在x方向的側(cè)向位移大。2號(hào)樁在x方向的位移整體向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)發(fā)展。從圖5（b）中可以看出，隨著開挖步的進(jìn)行，2號(hào)樁y方向側(cè)移向著隧道盾構(gòu)的方向發(fā)展，并且樁基會(huì)向著隧道盾構(gòu)的方向發(fā)生傾斜。相比1號(hào)樁，2號(hào)樁在y方向的側(cè)向位移更大，且2號(hào)樁會(huì)發(fā)生傾斜。這是由于2號(hào)樁的直徑小于1號(hào)樁，所以隧道管片對(duì)兩側(cè)土體的側(cè)向壓力對(duì)2號(hào)樁的影響較大，在x方向上，2號(hào)樁的位移就會(huì)向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)發(fā)展。在y方向上，由于隧道掘進(jìn)時(shí)要卸土，未挖掘側(cè)的土壓力會(huì)大于挖掘側(cè)的土壓力，因此，1號(hào)、2號(hào)樁在y方向上的位移都會(huì)向著隧道掘進(jìn)的反方向發(fā)展，并且由于2號(hào)樁的直徑較小，其在y方向上的位移明顯大于1號(hào)樁。

圖5 不同盾構(gòu)位置下2號(hào)樁水平側(cè)向位移

3.2 樁基點(diǎn)位水平側(cè)向位移隨盾構(gòu)距離的變化

圖6（a）所示為1號(hào)樁在－45 m處的水平側(cè)向位移動(dòng)態(tài)情況。可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖步的進(jìn)行，x方向和y方向上的位移都會(huì)發(fā)生來回的波動(dòng)。在x方向上，1號(hào)樁在－45 m處的位移首先會(huì)向著靠近隧道側(cè)發(fā)展，當(dāng)隧道掘進(jìn)至管片800處，位移開始向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)發(fā)展。在y方向上，1號(hào)樁在－45 m處的位移主要是向著隧道盾構(gòu)掘進(jìn)反方向發(fā)展。圖6（b）所示為2號(hào)樁在－30 m處，隨著開挖步的進(jìn)行，樁基水平側(cè)向位移的變化。

圖6 1號(hào)、2號(hào)樁水平側(cè)向位移的動(dòng)態(tài)變化

可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖步的進(jìn)行，x和y方向上的位移也會(huì)發(fā)生來回的波動(dòng)。在x方向上，2號(hào)樁在－30 m處的位移向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)發(fā)展。在y方向上，2號(hào)樁的位移向著在隧道盾構(gòu)掘進(jìn)的反方向發(fā)展。相對(duì)于1號(hào)樁，2號(hào)樁在－30 m處的位移有明顯向著某一方向不斷發(fā)展的趨勢(shì)。

4 數(shù)值模型的建立

4.1 三維模型建立

計(jì)算模型采用MIDAS GTS/NX軟件模擬，為充分考慮隧道開挖對(duì)樁基的影響，并依據(jù)有限元的建模理論，計(jì)算模型沿隧道縱向（x方向）取120 m、沿隧道橫向（y方向）取60 m、豎直方向（z方向）取70 m，模型如圖7所示。模型底部施加固定約束，側(cè)面施加豎向滑動(dòng)約束。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格。

圖7 三維模型效果圖

4.2 材料參數(shù)選取

盾構(gòu)機(jī)采用三維實(shí)體單元模擬，襯砌和盾尾漿體均采用二維板單元模擬，樁基采用MIDAS GTS/NX的樁單元模擬，該單元可視為由梁?jiǎn)卧颓度胧降慕缑鎲卧M成，各構(gòu)件物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 構(gòu)件物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)條件，地層分為5層，采用MIDAS GTS/NX中的修正摩爾-庫侖模型模擬，該本構(gòu)模型結(jié)合了虎克定律所表述的彈性行為與摩爾-庫侖準(zhǔn)則所表述的巖體非線性破壞特征。各巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

4.3 盾構(gòu)施工模擬工況

數(shù)值模擬根據(jù)實(shí)際施工情況，先開挖右線再開挖左線，盾構(gòu)施工模擬方法主要可以分為3個(gè)階段。第1階段將盾構(gòu)機(jī)所在位置處的土體凍結(jié)，并激活盾構(gòu)機(jī)單元與土倉壓力，土倉壓力根據(jù)工程資料取值。第2階段盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)，本階段實(shí)施步驟為：將盾構(gòu)機(jī)前方即將開挖的土體凍結(jié)，并激活對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)單元；將盾構(gòu)機(jī)尾部單元凍結(jié)，并激活襯砌與漿體單元；激活注漿壓力以及盾殼與土體間的摩擦力，前者根據(jù)工程資料取值，后者根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[10]取一均布的摩擦力p，p＝μσn，其中μ為盾殼與土體摩擦系數(shù)，黏土中取0.2～0.3，砂土中取0.3～0.4，σn為盾構(gòu)機(jī)受到的法向土壓力，可近似取埋深處的垂直土壓力。第3階段計(jì)算方式由彈塑性計(jì)算變?yōu)楣探Y(jié)計(jì)算，計(jì)算沒有盾構(gòu)前進(jìn)的時(shí)間增量，以此模擬盾構(gòu)機(jī)壓重在土體中產(chǎn)生的附加應(yīng)力的固結(jié)效應(yīng)，此階段激活盾構(gòu)機(jī)自重。3個(gè)階段的施工步驟如此循環(huán)，直到隧道開挖完成。

5 盾構(gòu)隧道對(duì)樁基的影響分析

5.1 數(shù)值分析效果驗(yàn)證

圖8和圖9分別為1號(hào)樁和2號(hào)樁在盾構(gòu)隧道管片編號(hào)822襯砌施工安裝完成后數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值的對(duì)比。由圖8、圖9中的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果較為吻合，證明了數(shù)值模擬的合理性。計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值有所偏差，主要的原因是實(shí)際地層復(fù)雜，模型無法完全按照實(shí)際模擬。

圖8 1號(hào)樁位移模擬值與監(jiān)測(cè)值比較

圖9 2號(hào)樁位移模擬值與監(jiān)測(cè)值比較

5.2 不同開挖順序?qū)痘灰频挠绊?/h3>

為研究不同開挖順序?qū)痘灰频挠绊?，建立?shù)值模型，比較先開挖左線再開挖右線隧道（工況1）與先開挖右線再開挖左線隧道（工況2）時(shí)樁基的水平側(cè)移。

不同開挖順序下的樁基位移分別如圖10和圖11所示。從圖10中可見，1號(hào)樁工況1的x方向和y方向位移值和工況2類似，x方向上工況1側(cè)移方向與工況2相反，這是由于地鐵隧道左右線相對(duì)于1號(hào)樁呈對(duì)稱布置導(dǎo)致的；開挖順序的改變對(duì)1號(hào)樁x方向側(cè)移影響較大。從圖11可以看出，開挖順序的改變對(duì)2號(hào)樁側(cè)移的影響較大，x方向與y方向位移極值均大幅減小，這是由于2號(hào)樁與右線距離較遠(yuǎn)，且左線先施工完成對(duì)土體變形的傳遞起到阻隔作用。

圖10 不同開挖順序下1號(hào)樁位移

圖11 不同開挖順序下2號(hào)樁位移

6 結(jié)語

本文針對(duì)廣州地鐵18號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿番禺區(qū)東環(huán)街龍美村的辦公樓及商業(yè)裙樓這一工程案例，研究了盾構(gòu)隧道與樁基的距離對(duì)樁基位移的影響，并結(jié)合數(shù)值模擬的分析，得到了如下主要結(jié)論：

1）對(duì)于1號(hào)樁，隨著開挖步的進(jìn)行，樁基在x方向整體的位移首先會(huì)往靠近隧道側(cè)方向移動(dòng)，當(dāng)隧道開挖超過樁基時(shí)，1號(hào)樁－30 m以下的部分向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)方向移動(dòng)，并且樁基會(huì)向著隧道的方向發(fā)生傾斜，樁頂位移比樁底位移大。1號(hào)樁y方向側(cè)移主要發(fā)生在樁頂與樁底處。1號(hào)樁在y方向的位移整體是向著盾構(gòu)掘進(jìn)的反方向發(fā)展。對(duì)于2號(hào)樁，在x方向的側(cè)移主要發(fā)生在樁基中部，整體向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)發(fā)展。隨著開挖步的進(jìn)行，2號(hào)樁y方向側(cè)移向著隧道盾構(gòu)的方向發(fā)展，并且樁基會(huì)向著隧道盾構(gòu)的方向發(fā)生傾斜。

2）在x方向上，1號(hào)樁在－45 m處的位移首先會(huì)向著靠近隧道側(cè)發(fā)展，當(dāng)隧道掘進(jìn)至管片編號(hào)800處，位移開始向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)發(fā)展。在y方向上，1號(hào)樁在－45 m處的位移主要是向著隧道盾構(gòu)掘進(jìn)反方向發(fā)展。在x方向上，2號(hào)樁在－30 m處的位移是向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)發(fā)展。在y方向上，2號(hào)樁的位移向著在隧道盾構(gòu)掘進(jìn)的反方向發(fā)展。相對(duì)于1號(hào)樁，2號(hào)樁在－30 m處的位移有明顯向著某一方向不斷發(fā)展的趨勢(shì)。

3）由于2號(hào)樁的直徑小于1號(hào)樁，隧道管片對(duì)兩側(cè)土體的側(cè)向壓力對(duì)2號(hào)樁的影響較大，在x方向上，2號(hào)樁的位移就會(huì)向著遠(yuǎn)離隧道側(cè)發(fā)展。在y方向上，由于隧道掘進(jìn)時(shí)要卸土，未挖掘側(cè)的土壓力會(huì)大于挖掘側(cè)的土壓力，因此，1號(hào)、2號(hào)樁在y方向上的位移都會(huì)向著隧道掘進(jìn)的反方向發(fā)展，并且由于2號(hào)樁的直徑較小，其在y方向上的位移明顯大于1號(hào)樁。

4）1號(hào)樁受開挖順序改變影響較小，開挖順序改變會(huì)使2號(hào)樁變形量大幅減小，原因是已建隧道對(duì)土體變形的傳遞起阻隔作用。