羅曉生，黃全兵，劉振，蔣曉亞，夏聰

（中建二局第一建筑工程有限公司，廣東佛山528000）

1 引言

為了緩解城市的交通壓力，減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的污染，科學(xué)合理地應(yīng)用地下空間是城市化建設(shè)發(fā)展中的一項(xiàng)必然選擇。 國內(nèi)很多城市近些年均加大了地鐵工程的修建力度，地鐵運(yùn)營(yíng)有效緩解了城市早晚高峰交通壓力及環(huán)境污染問題。 很多地鐵線路要穿過密集分布的建（構(gòu)）筑物與交通路面網(wǎng)，運(yùn)營(yíng)環(huán)境十分復(fù)雜。 并且城市內(nèi)很多高層或超高層建筑鄰近地鐵隧道建設(shè)， 其樁基施工給地鐵隧道帶來的影響備受社會(huì)關(guān)注。 樁基施工很容易擾動(dòng)周邊土體，進(jìn)而使鄰近隧道形成較大的附加變形與內(nèi)力，出現(xiàn)局部管片受損、滲漏水等狀況，甚至在部分時(shí)段造成地鐵停運(yùn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響[1]。本文結(jié)合差異化樁基施工工況下既有地鐵隧道本體的改變特征，基于有限元分析法探究多因素產(chǎn)生的影響。

2 工程概況

本工程共計(jì)有3 宗地塊，總用地面積達(dá)到18 773.1 m2，已知當(dāng)前用地性質(zhì)是居住用地，項(xiàng)目擬開發(fā)建設(shè)用地面積18642.3m2，規(guī)劃容積率是6.4。 建設(shè)內(nèi)容包括了住宅、配套商業(yè)以及公共配套設(shè)施。 項(xiàng)目規(guī)劃容積建筑面積達(dá)到了119 680.5 m2，停車位1 159 個(gè)。

基坑支護(hù)、土石方工程，基坑開挖深度范圍是8.00～14.20 m（負(fù)2 層區(qū)域）、4.5～6.6 m（負(fù)1 層區(qū)域），基坑周長(zhǎng)757.5 m 左右，基坑面積大概為16 879.5 m2。咬合樁+一道撐作為本工程的支護(hù)型式。

工程當(dāng)前地面標(biāo)高范圍大概是6.00～8.50 m， 基坑底高程-2.000 m，基坑深4.50～14.20 m，周長(zhǎng)757.5 m 左右。 場(chǎng)地坐落在深圳市羅湖區(qū)，基坑西側(cè)是邊檢大樓，用地紅線和邊檢大樓最近處大概為30.0 cm。 北側(cè)是羅湖村，項(xiàng)目紅線距與周邊建筑存在著多處沖突。 場(chǎng)地內(nèi)標(biāo)高與羅湖村地面標(biāo)高差值大概為2.0 m。 該位置房屋建筑年限相對(duì)較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)安全性整體較差。 現(xiàn)場(chǎng)鉆探發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)地廣泛覆蓋著素填土，其下是第四系沖洪積層、殘積層粉質(zhì)黏土，下伏基巖為侏羅系砂巖。

3 建立有限元模型

3.1 模型尺寸及參數(shù)選擇

運(yùn)用Plaxis 3D 有限元軟件， 模型方向取值分別是60 m、120 m、60 m，地下水位線處于-4 m 位置。 該模型上表面是自由面，下表面與側(cè)面設(shè)定成固定約束。 樁基半徑、樁長(zhǎng)分別是0.6 m、30 m；地鐵隧道內(nèi)徑、外徑、埋深、襯砌厚度分別是5.5 m、6.2 m、19.0 m、0.35 m。

選擇小應(yīng)變土體硬化（HSS）模型作為土體本構(gòu)模型，進(jìn)而更客觀地分析隧道變形情況。 高強(qiáng)度混凝土是靜壓樁基施工的常用建材，以上建立的模型選用強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C60 混凝土，樁基混凝土重度γ=25 kN/m3，彈性模量E=3.5×104MPa，泊松比v=0.20。 隧道襯砌的橫向彈性模量， 縱向彈性模量和泊松比、 剪 切 模 量G 對(duì) 應(yīng) 值 分 別20 kN/m3、6.48 GPa、34.6 GPa、0.10、2.82 GPa。

3.2 創(chuàng)建有限元模型

為了能更好地模擬樁基擠土效應(yīng)導(dǎo)致周邊土體的位置偏移情況，本文結(jié)合試驗(yàn)情況調(diào)整部分參數(shù)，設(shè)定正向、側(cè)向壓力分別是3.5 MPa、1.0 GPa， 圖1 是有限元模型網(wǎng)格劃分情況[2]。 建模及運(yùn)算過程可以做出如下闡述。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

首先，運(yùn)算出初始應(yīng)力場(chǎng)，將該應(yīng)力場(chǎng)施加到土體上，模擬其原始應(yīng)力及平衡狀態(tài)。

其次，挖掘局部土體，逐一激活負(fù)向界面、面收縮及襯砌管片，生成已建成的地鐵隧道。

再者，設(shè)定重置位移是0 mm，將樁基建材屬性調(diào)整成混凝土，逐一激活面荷載、側(cè)向荷載與負(fù)向界面能順利獲得樁基靜壓荷載工況下的原始地應(yīng)力數(shù)值（本次研究中不計(jì)隧道挖掘引起的變形情況）。

最后，通過運(yùn)算獲得既有隧道的變形與內(nèi)力等參數(shù)值。

4 統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果

4.1 樁- 隧相對(duì)位置給隧道變形產(chǎn)生的影響

在本課題研究中，不同樁-隧相對(duì)位置見圖2。維持隧道埋深-19 m 固定，通過調(diào)整樁長(zhǎng)進(jìn)而獲得差異的樁-隧相對(duì)位置關(guān)系，歸納不同工況之下既有隧道本體的變形程度，摸索其遵循的規(guī)律。 運(yùn)算結(jié)果見表1[3]。

表1 不同樁- 隧相對(duì)位置對(duì)應(yīng)的工程情況

4.1.1 工況A-0

當(dāng)樁基處于已建地鐵隧道的側(cè)面時(shí)， 工況A-0 之下隧道的變形情況及相應(yīng)的云圖見圖2。在樁基擠土效應(yīng)的影響作用下，樁基周圍土體出現(xiàn)了側(cè)向土層位移現(xiàn)象，進(jìn)而使隧道在橫向產(chǎn)生了較大的變形量， 并且朝著遠(yuǎn)離樁基的方向漸進(jìn)式發(fā)展。 與此同時(shí)，因?yàn)闃痘植砍两邓鸬呢?fù)向摩阻力使土體朝向下方，導(dǎo)致既有地鐵隧道在縱向出現(xiàn)了形變位移。 以上現(xiàn)象的成因是沉樁過程中土體孔隙水應(yīng)力整體上顯現(xiàn)出先上升后緩緩消散的發(fā)展態(tài)勢(shì)， 樁基土體會(huì)出現(xiàn)不同程度的徑向再固結(jié)狀況，樁周的側(cè)壁摩阻力值也隨之增加，進(jìn)而造成樁側(cè)土體承受著方向向下的負(fù)摩阻力的作用。 整體分析，A-0 這種工況之下的隧道， 尤其是鄰近樁基的一定環(huán)區(qū)間中出現(xiàn)了較為顯著的“斜漏斗式”變形問題[4]。

觀察圖2 能初步明確樁基擠土效應(yīng)導(dǎo)致的既有地鐵隧道變形在實(shí)際工程施工中， 應(yīng)指派專人加大對(duì)該區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與安全防控力度。

分析A-0 工況下盾構(gòu)掘進(jìn)方向隧道縱向與橫向位移發(fā)生情況，發(fā)現(xiàn)隧道縱向中間位置出現(xiàn)了明顯的沉降問題，尾部與頭部均略有抬起， 并且依照差異化的結(jié)構(gòu)位置位移圖可以推斷出隧道截面拱頂向左側(cè)，拱底朝右，左側(cè)拱腰向下，右側(cè)拱腰朝上，整個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了從圓形向斜橢圓形的改變。

以上是由于鄰近樁基底部側(cè)向土體承受著較大的壓力作用，進(jìn)而帶來了十分顯著的變形作用，整個(gè)隧道表現(xiàn)出遠(yuǎn)離樁側(cè)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)變形樣態(tài)。 拱頂?shù)目v向位移于60 環(huán)（實(shí)質(zhì)上就是樁基位）形成了凸起，提示在土體擠壓效應(yīng)的作用下地鐵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了和“豎鴨蛋”狀相似度很高的改變。

4.1.2 工況A-1

這種工況之下，地鐵結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了和工況A-0 內(nèi)“斜漏斗式”變形很相像的表現(xiàn)，并且隧道中段出現(xiàn)了縱向拉伸變形情況，外部形態(tài)和“豎橢圓”結(jié)構(gòu)很類似。 這主要是由于此時(shí)隧道處于樁基底側(cè)， 樁底應(yīng)力聚集進(jìn)而有較大的擠壓力作用在鄰近隧道的中段區(qū)， 故而此時(shí)隧道中段的縱向位移量會(huì)高于工況A-0。

綜合以上論述的內(nèi)容可知，工況A-1、A-0 之下隧道變形趨勢(shì)一致性很高，并且其實(shí)際產(chǎn)生的影響范疇大體等同。

4.1.3 工況A-2

這種工況之下， 既有地鐵縱向中間位置沉降現(xiàn)象十分顯著，頭、尾部均略有抬高表現(xiàn)，橫截面外顯“斜橢圓形”，而已建隧道的縱向與橫向的變形量均不大。 出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因主要是由于這種工況下樁基底部構(gòu)造在隧道頂之上， 隧道坐落在樁基斜下方位置， 其基本上承受的是樁底施加的應(yīng)力作用與樁側(cè)負(fù)摩阻力產(chǎn)生的土體縱向位移， 樁側(cè)的擠土效應(yīng)產(chǎn)生的影響是十分微弱的甚至無影響，所以，在這種工況中產(chǎn)生影響作用的主要是縱向位移[5]。

結(jié)合以上3 個(gè)不同工況的分析結(jié)果并參照?qǐng)D3 能夠發(fā)現(xiàn)：和工況A-1、A-2 相比較，工況A-0 引起的隧道結(jié)構(gòu)變形量更大， 隧道內(nèi)出現(xiàn)了十分顯著的橫向收斂變形問題。 工況A-2 作用下，隧道變形有反向收斂的表現(xiàn)，主要是由于樁基處于隧道斜上方，不會(huì)承受較大的側(cè)向擠土壓力作用，而在樁底位置應(yīng)力逐漸聚集，隨后孔隙水壓力逐漸消散，以致隧道出現(xiàn)了偏向樁基單側(cè)的二次變形問題。

圖3 不同樁- 相對(duì)位置隧道橫向收斂變形曲線圖

4.2 隧道埋深給隧道變形帶來的影響

伴隨埋深值的增加， 隧道橫向與縱向位移量均呈現(xiàn)出漸進(jìn)式減少的趨勢(shì)，表明對(duì)隧道埋深產(chǎn)生的影響較小，預(yù)示著土層不僅是傳送變形的媒介， 也是使變形量持續(xù)衰減的一個(gè)主要路徑。 故而，應(yīng)積極做好淺埋隧道變形情況的研究工作。 另外，隧道變形形態(tài)均和工況A-0 內(nèi)保持一致：工況B-1、B-2與B-3（見表2）作用下，隧道橫向均出現(xiàn)了十分明顯的側(cè)向移動(dòng)情況，這主要和側(cè)向擠土效應(yīng)產(chǎn)生的壓縮性之間有關(guān)聯(lián)。 淺埋隧道中段的縱向拉伸變形程度十分顯著， 拱頂與拱底的相對(duì)位移差約為1.5 mm，由此可見，淺層土體的敏感度處于較高水平，承受擾動(dòng)以后自身會(huì)生成較大的土體側(cè)向變形量[6]。 所以， 對(duì)鄰近淺埋隧道的樁基施工時(shí)一定要格外注意周邊土體的位移問題，建議運(yùn)用微擾動(dòng)施工方法。

表2 不同隧道埋深對(duì)應(yīng)的工況

4.3 樁- 隧水平凈距給隧道變形產(chǎn)生的影響

本文主要針對(duì)差異化樁-隧水平凈距 （樁長(zhǎng)為30.0 m，樁基半徑0.6 m），探究其對(duì)既有隧道的變形量產(chǎn)生的影響。伴隨水平凈距數(shù)值的增加， 既有隧道的變形量呈現(xiàn)出漸進(jìn)式減小趨勢(shì)，并且通過觀察后發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離相對(duì)較近時(shí)，通過調(diào)整凈距大小能較有效地減小樁基現(xiàn)場(chǎng)施工操作帶來的影響， 并且在距離偏遠(yuǎn)時(shí)由凈距影響作用造成的變形差異偏小，尤其是在2.0D 范疇之外，以上這種表現(xiàn)會(huì)更為顯著。 這主要是由于土體本體作為樁-隧道相互作用的主要媒介，承擔(dān)著傳送地層變形的“職責(zé)”。 伴隨樁-隧水平凈距值的持續(xù)增加，變形于傳送過程中持續(xù)衰減，樁基現(xiàn)場(chǎng)施工帶來的影響會(huì)慢慢減小。

為了降低樁基施工給鄰近隧道帶來的影響， 常規(guī)做法是使樁基盡可能地遠(yuǎn)離隧道， 并且對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)方式做出明確限制。 國內(nèi)有部分一線城市按照距隧道工程的距離分成3.0 m 與30.0 m 兩個(gè)不同區(qū)域分別對(duì)待。 但至今國內(nèi)還沒有提出適用于各類土質(zhì)條件的樁基礎(chǔ)鄰近既有地鐵項(xiàng)目施工額度分區(qū)分級(jí)規(guī)定，以致其用于實(shí)體工程內(nèi)欠缺靈活性。

4.4 樁基半徑給隧道變形帶來的影響

差異化樁基半徑對(duì)應(yīng)的工況見表3。 伴隨樁基半徑的擴(kuò)增， 既有隧道結(jié)構(gòu)變形量也隨之加大， 并且當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)， 以上這種影響更為顯著。 這主要是由于樁基半徑值偏大時(shí)，其和土體形成的接觸面積也會(huì)逐漸增加，故而會(huì)對(duì)土體的側(cè)向位移產(chǎn)生較大的影響，生成較明顯的擠土效應(yīng)。 綜合以上論述內(nèi)容，鄰近既有隧道的樁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)選型環(huán)節(jié)中，不僅要著重分析樁基本體的縱向承載能力， 還要科學(xué)調(diào)控樁基半徑與長(zhǎng)度， 盡可能地增加以上兩項(xiàng)參數(shù)值和既有隧道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)度，進(jìn)而降低樁基施工給既有地鐵變形的作用程度。

表3 不同樁基半徑對(duì)應(yīng)的工況

5 結(jié)語

處于隧道側(cè)面的樁基現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)會(huì)使隧道出現(xiàn)較大的變形，縱向中間位置沉降現(xiàn)象十分顯著，頭尾部稍有抬起，整個(gè)橫截面呈現(xiàn)出斜橢圓形樣態(tài)。 隧道埋深值越大其變形量就越小，而樁基半徑越大時(shí)，既有隧道變形量就越大；樁基鄰近淺埋隧道施工過程中一定要加強(qiáng)土體位移的控制， 建議運(yùn)用微擾動(dòng)施工辦法。 參照樁-隧水平凈距的差異，樁基鄰近既有隧道施工時(shí)盡可能地選擇4.0D 之外范圍，借此方式使整個(gè)地鐵結(jié)構(gòu)的安穩(wěn)性得到一定保障。