中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063
摘要：某区间侧穿一高层建筑物的裙楼，距楼桩基最小净距不足2m，盾构法隧道施工存在较大风险。利用有限元软件PLAXIS-GiD对比分析了加固前后盾构隧道对裙楼桩基变形的影响。分析表明，加固后盾构隧道对于桩基稳定更为有利，最大沉降减小幅度为29.76%，最大垂向倾斜度减小幅度为34.09%，最大水平倾斜度减小幅度为29.35%。研究成果不但对工程施工有重要的指导意义，而且丰富了盾构隧道侧穿既有建构筑物的研究。
关键词：轨道交通；盾构隧道；桩基；数值模拟
引言
随着我国城市化进程的加快和城市建设的蓬勃发展，以地铁为代表的轨道交通越来越受到人们的重视。盾构法以其独有的特点被广泛应用于地下铁道以及越江隧道的施工建设。然而，城市高楼密集地下构筑物分布复杂，人们尤其关心地铁隧道施工对城市已有构筑物的影响。准确预测及现场的量测由于施工引起的地层变形及其影响范围对施工安全和设计都是十分重要的[1-3]。
图1 区间与建筑物平面关系图
现有研究大多数集中于盾构施工对周边地表建筑物的影响，主要采用了有限元数值模拟方法进行研究[4]。对于盾构隧道施工对地下桩基影响的研究却鲜有报道。
本文利用PLAXIS数值模拟软件对某盾构区间隧道侧穿一高层裙楼进行了研究，对比分析了裙楼桩基加固与否的变形与位移开展情况。研究成果对于指导施工具有重要的实际意义。
1 工程概况
某区间隧道盾构施工侧穿一高层楼房的裙楼。楼房为框架结构，靠北侧为裙楼地上3层。裙楼桩基为人工挖孔桩，直径1.2m，长度约20~22m。区间隧道走向与该裙楼桩基布置基本平行，区间隧道整体位于裙楼北侧，侧穿长度约70m。与区间隧道距离较近近的裙楼桩基有9根，其最小净距不足2m，采用盾构法施工风险较大。因此必须分析区间隧道施工对裙楼的影响并提出相应保护措施、施工方案及应急预案，以确保盾构施工过程中区间隧道和上部建筑物的安全。
本段区间地面较平坦，为湘江Ⅲ级冲积阶地。区间左、右线为分离的两条单线隧道，间距12.0-17.0m，隧道纵断面均为单向坡。覆土厚度约为19.6-21.3m，洞身地层主要为粉质黏土、卵石层、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。区域土体分层及土体参数见表1所示。
勘察场地孔隙水稳定水位埋深2.6-8.0m，相当标高为65.0-72.82m。区域经验显示地下水动态变化较大，一般为1.5-3.0m。
2模型介绍及参数说明
2.1工况定义及模型介绍
PLAXIS-GiD是一款有限元计算软件，它以GiD作为前处理软件进行模型的建立，因此可以计算几何关系复杂的模型。
本文拟对两种工况进行对比分析：
工况1：区间隧道掘进前不进行地层加固；
工况2：区间隧道掘进前预先对桩身及桩端进行地层加固。
区间隧道与裙楼桩基二维有限元模型如图2所示，模型尺寸水平宽度为80m，垂直高度为40m。模型的两侧边界施加水平方向位移约束，模型底部同时施加水平与竖直方向位移约束。
在模拟之中尽量体现实际工程的施工步骤，模拟步骤如下：
（1）初始地应力：激活地层网格网格，激活自重，计算平衡后清零；
（2）施工桩基、地下室及施加建筑物荷载；
（3）进行盾构隧道开挖，严格控制地层损失率为5‰。
图2 盾构区间侧穿建筑物裙楼桩基模型
2.2参数设置
本文将采取PLAXIS土体MOHR-COULOMB 模型作为土体本构模型。
此外，对该模型进行了如下简化：
（1）土体为各向同性、均质的理想弹塑性体。
（2）初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力，不考虑地下水的影响；忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下，土体达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖。
（3）模型中所选用的地层参数，参照工程地勘报告中所给出的土体参数。
（4）计算中不考虑桩基扩大头及桩基倾斜。
（5）房屋楼面荷载按每层15kPa考虑。
结合地勘资料，数值模拟地层参数如表2所示。对于加固处理，依旧采用MOHR-COULOMB 模型。不同的是提高了土体的强度参数，土层加固后的参数参见表2中9-1层。桩基及管片材料采用弹性材料来模拟，参数见表3。
注：考虑管片纵向连接其刚度应适当折减，上表中其弹性模量为折减80%后的数值。
3 计算结果
3.1 工况1计算结果
对于工况1，在隧道开挖结束后，裙楼桩基最大竖向变形6.62mm，最大水平位移4.69mm。
从地层竖向位移云图可以看出，左右隧道竖向最大位移均出现在洞正上方。从地层水平位移云图来看，由于右洞受建筑物桩基荷载影响，最大水平位移出现在靠近桩基一侧，在隧道中心斜上方45°处，且明显大于受桩基荷载影响较小的左洞。从桩基竖向及横向位移图可以看出，不加固地层条件下，盾构施工过程中桩基最大竖向位移6.62mm，最大水平位移4.69mm。
3.2 工况2结算结果
对于工况1，盾构法开挖隧道穿越地层后，位移网格变形如图3所示。从图3中可以看出，裙楼桩基最大竖向变形4.65mm，最大水平位移3.09mm。
图3 位移网格变形图（变形放大50倍）
从地层竖向位移云图可以看出，左右隧道竖向最大位移均出现在洞正上方。从地层水平位移云图来看，最大水平位移仍出现在靠近桩基一侧，但由于对桩基进行了加固处理，最大水平位移出现在隧道靠近桩基一测，且和隧道中心近似水平，显然水平位移也明显大于受桩基荷载影响较小的左洞。从桩基竖向和横向位移图图中可以看出，加固条件下，盾构施工过程中桩基最大竖向位移4.65mm，最大水平位移3.09mm，桩基内力（轴力、弯矩）变化不大。
3.3模拟结果与规范要求对比
根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），综合考虑各种因素，本区间框架结构最大沉降差或倾斜度不得大于0.002L或0.002。
工况1模拟条件下，垂直于线路方向相邻桩基竖向位移2.30mm，垂直线路方向结构倾斜度i1=（6.62-2.30）mm/9.9m=0.44‰，沿着线路方向结构倾斜度i2=6.62mm/7.2m=0.92‰。最大倾斜度0.92‰小于2‰的控制值。工况2模拟条件下，垂直于线路方向相邻桩基竖向位移1.77mm，垂直线路方向结构倾斜度i1=（4.65-1.77）mm/9.9m=0.29‰，沿着线路方向结构倾斜度i2=4.65mm/7.2m=0.65‰。最大倾斜度0.65‰小于2‰的控制值。将2种工况模拟条件下，桩基的倾斜角与要求值进行对比见表4所示。
从表4中可以看出，两种工况下盾构隧道侧穿裙楼桩基产生的理论变形值均在规范允许范围之内。但进行加固处理后，最大沉降差和最大倾斜度均大幅降低，其中最大沉降差减小幅度为29.76%，最大垂向倾斜度减小幅度为34.09%，最大水平倾斜度减小幅度为29.35%。因此，增加桩基加固处理，对于建筑物结构稳定更加有利。
4 结论
利用PLAXIS-GiD有限元计算软件，对某区间盾构法开挖隧道侧穿高层建筑物桩基位移进行数值模拟研究。获得主要结论如下：
（1）桩基未加固处理条件下，在隧道开挖结束后，隧道侧方建筑物桩基最大竖向变形6.62mm，最大水平位移4.69mm并呈现左右隧道竖向最大位移均出现在洞正上方，最大水平位移出现在靠近桩基一侧。桩基最大竖向位移为6.62mm，最大水平位移4.69mm。
（2）桩基加固处理条件下，建筑物桩基最大竖向变形4.65mm，最大水平位移3.09mm。左右隧道竖向最大位移仍均出现在洞正上方，但最大水平位移出现在隧道靠近桩基一测，且和隧道中心近似水平。桩基最大竖向位移4.65mm，最大水平位移3.09mm。
（3）对比加固处理前后模拟结果：加固处理后的垂向位移、水平位移均明显减小，并且最大水平位移区域由靠近桩基一侧与隧道中心呈45°处变为水平位置处，说明加固处理对于建筑物安全稳定更为有利，其中最大沉降差减小幅度为29.76%，最大垂向倾斜度减小幅度为34.09%，最大水平倾斜度减小幅度为29.35%。数值模拟研究结果可为盾构法开挖隧道施工提供技术支持。
参考文献：
[1]陶龙光，刘波. 盾构过地铁站施工对地表沉降影响的数值模拟[J]. 中国矿业大学学报，2003，32（3）：236–240.
[2]施仲衡，张弥. 地下铁道设计与施工[M]. 西安：陕西科学技术出版社，1997.
[3]黄俊，张顶立. 地铁重叠隧道上覆地层变形的数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2176-2182.
[4]黄宏伟，黄栩，Schweiger F．Helmut. 基坑开挖对下卧运营盾构隧道影响的数值模拟研究[J]. 土木工程学报，2012，45（3）：182-189.
论文作者:王俯标
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/4
标签：桩基论文; 位移论文; 隧道论文; 盾构论文; 倾斜度论文; 水平论文; 地层论文; 《基层建设》2016年6期论文;