赵文艺， 翟世鸿， 蒲诃夫， 郑俊杰

(1.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074; 2.中交集团第二航务工程局有限公司， 湖北 武汉 430014)

目前，隧道开挖对邻近桩基础的影响以及桩基托换方面的研究已越来越多，相应的工程实例也屡见报道。凌燕婷[1]以上海轨道交通7号线下穿明珠线盾构隧道施工为依托，利用有限元软件分析了盾构隧道开挖对邻近桩基的影响；杨明举、刘波等[2]利用有限元软件对深圳地铁1期工程国贸—老街区间的隧道施工及桩基托换进行了研究；杨哲峰[3]结合广州地铁2号线穿越一栋11层住宅楼基础的工程实例，分析介绍了桩基托换的实施方案、施工步骤、施工监测及评定等情况；王世君[4]结合广州市轨道交通3号线沥滘至厦滘区间桩基托换工程实例，介绍了托换体系的设计方法、施工步骤和监测方面的内容。

目前已有的工作大多是在研究较单一的地层中或各地层的性质差异不大的地质条件下，隧道的开挖对邻近桩基的影响及桩基托换效果分析，对复合地层中盾构施工的研究不多，而且对桩基托换施工中各影响参数敏感性问题的分析较少。本文结合广州至佛山城际地铁下穿西朗总站车库桩基的工程实例，利用有限差分软件FLAC3D分析了上软下硬复合地层情况下地铁隧道掘进对邻近桩基的影响，讨论了桩基托换的加固效果，并对托换参数的敏感性进行了分析。

1 工程概况

广州—佛山地铁菊村至西朗区间盾构隧道在里程DK20+207.67处的附近需下穿西朗总站车库桩基础，该区间地层条件较为复杂，有很软弱的人工填土层和淤泥质土层，也有土质稍好的全风化岩层和强风化岩层，还有非常坚固的中风化岩层和微风化岩层。要穿越的这段地层上部较软，下部较硬，上下土层的性质差异非常大，在这类复合地层中掘进时，掌子面压力不好调整，掘进姿态很难控制。里程DK20+207.67处地层分布情况、车库桩基、托换桩以及隧道所处位置示意见图1。由于该车库附近建筑物密集，因此该地段的地表沉降控制标准较高，隧道施工造成的地表沉降不得超过±10 mm[5]。盾构掘进会引起周围地层的变形，从而降低车库下部桩基础承载力，因此对地层变形的控制成为该工程的施工重点。

图1 隧道与桩基相对位置

2 数值计算模型及参数

2.1 计算模型

数值模拟以盾构机下穿西朗总站车库桩基础过程为研究对象，采用的计算步骤与实际施工步骤相同。盾构的掘进过程采用跳跃式向前推进的方式来模拟，每一荷载步推进一环衬砌的距离，用改变单元材料属性的方法(即刚度迁移法)反映盾构的前进以及注浆材料的硬化过程和衬砌的安装。模型中一共有两条隧道，中心相距约15 m，右边的隧道先掘进，右隧完全挖通之后再掘进左边的隧道，左右两条隧道的掘进方向相反。

根据广佛线隧道工程实际情况，该模型尺寸为：隧道横向90 m，纵向共81 m，计算深度为距地表60 m，竖直向上取至地表，隧道拱顶上覆土体厚度13.15 m。右隧斜上方和左隧正上方均是2×2的群桩，各四根。桩基础为混凝土桩，长度6.7 m，直径0.42 m。计算模型共划分52458个单元，54870个节点，网格划分如图2所示。四周采用水平约束，底部采用竖直约束。各层土体的本构模型分别为：人工填土、淤泥质土、全风化岩层和强风化岩层采用Mohr-Coulomb准则，中风化岩层、微风化岩层、管片和桩基采用线弹性模型，具体参数见表1。土体、盾构机壳、管片、注浆层、承台等均采用实体单元模拟，桩体采用桩单元模拟，承台与土体之间的接触问题忽略，各桩编号如图3所示。

图2 数值计算模型

图3 桩基分布及编号

2.2 土层及支护结构物理力学参数

各层土体及支护结构的物理力学参数见表1。

表1 材料主要物理力学参数

盾尾空隙采用杀死注浆层单元的方式来模拟，在杀死注浆层单元的同时，沿径向在土体内壁施加注浆压力；在下一个计算步中将该注浆层和管片单元激活，并撤销对应位置的注浆压力。考虑到注浆材料的硬化有一个时间过程，在参考了相关文献[6,7]之后，本文将不同位置的注浆层赋予不同的材料参数，详见表2。

表2 不同位置处注浆材料参数

3 掘进对桩基影响及托换效果分析

3.1 地表沉降

地表沉降随盾构掘进的发展变化过程如图4所示，图中，右-1D表示右边隧道盾尾离监控断面(即承台中心对应的地表横断面)还有1倍隧道直径(即6 m)的距离；右+0D表示右边隧道盾尾刚刚抵达监控断面时的情况；右+1D表示右边隧道盾尾已穿过监控断面，远离监控断面1倍隧道直径(即6 m)时的情况；后面的其他情况依此类推。该图中的地表各点为图3中1-1断面上地表各点。

可以看出：地表沉降主要发生在盾尾穿过监测断面的前后1倍隧道直径范围内；盾尾脱出监测断面后，表现为6 mm左右的快速沉降，这一期间的沉降速率较大，沉降量也较大。在两条隧道相距15 m的情况下，其中一条隧道的掘进对相邻隧道的影响很小。当右隧挖通时，左隧上方的土体才发生了1 mm左右的沉降。当左隧在掘进时也主要是左隧上方的土体在发生沉降，而右隧上方的土体没有发生新的沉降。右隧上方土体的沉降最大值并没有出现在拱顶的正上方而是出现在稍微偏左的地方，这主要是因为右隧上方的桩基础位于隧道正上方稍微偏左的地方。右隧上方沉降最大值出现的地方正好是桩基所在之处，由此可见，桩基上部的既有荷载对地层沉降有较大的影响。左隧上方的土体沉降比右隧上方土体的沉降大约多4 mm，这主要是因为左隧上方的桩基是位于隧道正上方，而右隧上方的桩基位于隧道的斜上方。根据Peck[8]沉降槽理论，正上方土体受到的扰动是最大的。

图4 地表沉降随掘进过程的变化

相关研究成果[9,10]也表明，沉降主要发生在盾构机盾尾穿过的前后1倍隧道直径范围内，本文的研究成果显示出同样的规律。

图5 托换加固效果对比

当没有托换桩加固时，地表最大沉降量大约为16 mm，已经超过了相关规范[5]的规定，必将严重影响上部建筑物的安全使用。为确保西朗总站车库的安全性，车库的既有桩基须采取托换加固的措施。托换桩采用钻孔灌注桩的方式成桩，桩径0.8 m，长度18 m，桩端已进入坚固的微风化层。在实施了托换桩加固措施之后，地表最大沉降量约为4 mm(图5)，隧道掘进对上部建筑物的影响显著降低。由此可以看出，桩基托换加固的效果是令人满意的。

3.2 桩身沉降

桩身的沉降值随盾构机的掘进而逐渐增大，然后再逐渐趋于稳定，以1#桩为例，其发展变化过程如图6所示。桩基的沉降主要发生在盾尾离桩基前后1倍隧道直径的范围内，表现为大约10 mm的沉降，这期间沉降速率大，沉降量也较大。当盾尾远离桩基超过6 m之后桩身沉降变缓并逐渐趋于稳定，左隧的开挖对1#桩产生的附加沉降很小，只有0.5 mm左右。

图6 1#桩沉降历程

各桩的最终沉降量如图7所示。由于对称性，1#和2#桩的最终沉降相同，3#、5#、7#桩分别和4#、6#、8#桩相同，因此图7只给出了1#、4#，5#和8#桩。左隧上方的桩基比右隧上方的桩基沉降量更大，大约大3～5 mm，因为左边的群桩位于左隧正上方，受隧道开挖的影响更大。

图7 各桩最终沉降及加固效果对比

由于5#和8#桩对称分布于左隧中心线两边，所以其沉降量几乎相同。1#和4#桩的最终沉降量并不相同，存在1.4 mm的差异沉降，两根桩的间距为1.4 m，因此，建筑物的倾斜角为0.057°。

在图7中，图例右侧的曲线是没有托换桩的情况下各桩的最终沉降，图例左侧的曲线是进行托换之后各桩的最终沉降。可以看出，进行桩基托换之后，各桩的最终沉降显著降低，托换效果较理想。

3.3 桩身轴力

还是以1#桩为例，其轴力的分布以及轴力随盾构掘进的变化过程如图8所示，隧道开挖使得轴力逐渐减小，引起的轴力损失为20%～37%。这30%左右的轴力损失主要发生在盾尾离桩基6m的范围以内，当盾尾离开桩基超过6 m之后，轴力趋于稳定，只在一个很小的范围内变化。

当左右两条隧道都掘通之后，上部桩基的最终轴力如图9所示。由于1#、5#和8#桩相对4#桩而言离隧道中心线更近，受隧道开挖引起的扰动更大，因而其轴力损失大于4#桩。

图8 1#桩轴力历程

图9 各桩最终轴力

4 桩基托换加固参数分析

影响桩基托换加固效果的因素有很多，如托换桩的成孔方法、托换桩与原桩的交接方式、托换桩的直径、托换桩桩底所处的深度、托换桩的桩间距等，本文主要研究托换桩的直径、长度与间距对托换效果的影响。

4.1 桩长对托换效果的影响

结合实际工程，这里主要考虑四种情况：(1) 桩端位于隧道拱顶之上(L=7 m)；(2) 桩端平行于隧道拱顶(L=10 m)；(3) 桩端平行于隧道中心(L=13 m)；(4) 桩端位于隧道仰拱下方(L=18 m)。经数值计算可得到托换桩桩长与被托换桩桩顶沉降的关系如图10所示(以1#桩为例)。

图10 1#桩桩顶沉降与托换桩桩长关系

结果显示，当托换桩桩端位于隧道中心线及以下的位置时，被托换桩桩顶的沉降较小，托换效果较好，这主要是因为此时的桩端是位于很坚硬的土层，可以获得更大的端阻力和桩侧摩阻力；当托换桩桩端位于隧道上方时，被托换桩桩顶的沉降显著增大，托换效果不理想。可以看出，托换桩桩长越大，被托换桩桩顶的沉降就越小，并呈现出非线性的关系。

4.2 桩径对托换效果的影响

这里主要考虑5种桩径的情况，分别为0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m和1.2 m，计算结果如图11所示。随着托换桩桩径由0.4 m逐渐增大到1.2 m，1#桩桩顶沉降逐渐减小，但减小的幅度并不大，总的来讲减小值不到1 mm。由此可见，托换桩的直径对托换效果的影响有限。

图11 1#桩桩顶沉降与托换桩桩径关系

4.3 桩间距对托换效果的影响

这里主要考虑了5种托换桩间距的情况，分别为9 m、12 m、15 m、18 m和21 m，当桩间距为9 m时托换桩距离隧道外侧仅1.5 m。

图12 1#桩桩顶沉降与托换桩桩间距关系

从图12可以看出，随着托换桩桩间距的逐渐增大，被托换桩桩顶的沉降先减小然后又逐渐增大。这主要是因为：当桩间距很小时，托换桩离隧道过近，隧道的开挖对周围土层扰动很大，继而会影响到托换桩的承载力；当桩间距逐渐增大时，桩身附近土体受到的扰动变小，桩的沉降也就变小；当桩间距继续增大时，虽然桩身附近土体受到的扰动变得更小，但此时托换梁变得很长，因而会发生较大的挠曲变形，最终使得被托换桩桩顶的沉降变大。但总的来讲，桩间距从9 m增大到21 m的过程中，被托换桩桩顶沉降的变化不大，只有不到2 mm的变化幅度。由此可见，对于该工程的地质情况而言，桩间距的变化对托换效果的影响并不大。

5 结 论

(1)上软下硬地层中，盾构近距离穿越既有桩基时会引起桩基较大的承载力损失，对上部建筑物的安全构成威胁。

(2)盾构掘进对地层位移和邻近桩基变形的影响主要发生在盾尾离监控断面前后1倍隧道直径的距离内，所以盾构机在这段范围内掘进时应当做好严密的监控。

(3)进行桩基托换时，需注意到托换桩桩长对托换效果具有很大的影响。确定托换桩桩长时，建议应当保证桩端进入较硬的土层，以达到较好的托换效果。

(4)托换桩桩间距对托换效果的影响较小，考虑到经济合理性，建议托换桩距离隧道侧边1倍隧道直径左右较合适。

[1] 凌燕婷. 盾构隧道施工对临近桩基影响数值分析[J]. 广东公路交通, 2009, (3): 69-71.

[2] 杨明举, 刘 波, 关宝树. 深圳地铁施工及桩基托换技术的数值分析[J]. 特种结构, 2001,18(4): 47-49.

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