摘要：为研究桩基对邻近地铁隧道变形的影响，文章详细论述了地铁隧道在桩基施工影响下的变形机理。文章在工程实例的基础上，各种影响条件下，对桩基础施工各个阶段造成地铁结构的影响进行深入分析。将分析结果与相关理论逐一校验，从而确保结论的指导性，并针对分析结果进一步提出合适的管控措施。
关键词：桩基础；地铁隧道结构；变形；
1、桩基作用下隧道受力和变形分析
1.1 桩基础受力分析
隧道的开挖过程使隧道周围的土体应力重分布，所以隧道的存在对桩周围的应力场是有影响的，加之隧道的衬砌结构对桩在土中的荷载传递有阻挡作用，势必会或多或少地对桩的内力和位移造成影响。从桩的位移场和隧道的变形图可以分析得出隧道断面的受力图，见图1-1。
图1-1 隧道断面受力图
隧道衬砌断面在单侧单桩荷载作用下的受力图可近似简化为土中阴影部分，偏向桩的一侧拱顶受力最大，另一侧拱脚受力最小。
桩基础荷载是通过周围土体传递给隧道的，隧道衬砌周围土体的位移等值线如图所示，在遇到隧道衬砌时由于衬砌的刚度远远大于土体的刚度，位移等值线有小的拐弯。桩周土体的位移线“V”字形是由里而外扩展的，当某一条最靠里的位移等值线与隧道衬砌相切时，此处就是隧道断面的最大受力点（图1-1中qmax所在的位置）。
最大受力点的位置与下列因素有关：
1、桩长L：桩长L决定了桩端所处的水平位置，决定了土体位移等值线与隧道衬砌相切点的位置。当桩长L小于隧道埋深dm时，最大受力点在拱腰和拱顶之间，并随着桩长的增加而下移；当桩长L处于隧道埋深dm和隧道最低深度dz之间时，隧道最大受力点随桩长的增加而下移；当桩长L大于隧道最低深度dz时，随桩长的增加最大受力点上移。
2、桩隧距S1：桩隧距越大，与衬砌相切的土体位移等值线越平缓，隧道的最大受力点越低。
3、桩项荷载P：桩顶荷载P越大，位移等值线的位移越大，与衬砌相切的土体位移等值线坡度越陡，最大压力qmax作用位置越高。
1.2 隧道位移分析
1、隧道位移与桩位移的关系：图1-2为隧道位移与桩位移关系曲线，其中桩位移为不同桩长的桩在其容许荷载下的桩顶最大位移。桩位移与隧道位移大致呈线性比例关系，隧道位移隧桩位移线性增加。
2、影响因素：衬砌厚度、衬砌刚度及断面形式对隧道的位移影响不大，桩长桩径及桩顶荷载的影响最大，其次是桩隧间距，当两侧有桩时，隧道整体下沉，下沉量将近为单侧的两倍，几乎没有水平位移。
图1-2 隧道位移与桩位移关系曲线
1.3 隧道断面变形分析
1、变形特征：
变形特征是指变形后的断面形状特征，不考虑位移的大小，因为后者与桩顶荷载的大小直接相关。图1-3为隧道在右侧受到桩基础荷载影响时的变形图，灰色框架是变形前隧道衬砌的网格框架，从变形后的云图可以看出，靠近桩基础一侧的拱顶、拱腰都有明显变形。
图1-3 隧道在右侧受到桩基础荷载影响时的变形图
2、影响因素分析
①衬砌厚度与衬砌刚度：衬砌厚度与刚度对变形特征的影响最大，衬砌厚度或刚度小的隧道会发生扭曲变形，变形严重的后果是轨道扭曲、衬砌开裂渗水甚至破坏。
②桩与隧道的垂直距离：从桩长影响分析可以看出，桩端所处水平面分别在隧道拱顶、拱腰和下部时，隧道衬砌的变形特征有所不同，但是主要变形还是靠近桩基一侧的拱顶的竖向位移。
当隧道衬砌的厚度和刚度均匀时，桩与隧道的垂直距离对形变特征的影响不是很明显，是山于桩的沉降场呈“V”字形，浅层土的沉降大于深层土的沉降，所以上部上体的位移对隧道的影响占主导地位，即使桩端在隧道底部，它给隧道底部土体带来的位移还是比上部土体给的位移小。但是，对于矿山法的隧道，有的隧道底面的混凝土厚度或强度等级要小于拱部，这时桩端位于隧道底部会引起隧道底面隆起，引起轨道倾斜，对隧道结构造成不利影响。
2、工程实例
2.1 工程概况
某立交桥工程位于雅瑶路与迎宾大道东延线交界处，上跨G106国道。迎宾大道正下方是地铁9号线区间盾构隧道及1#风井等附属设施。该立交工程设四条线，A匝道桥梁长度606m，引道长度251.2m；B匝道桥梁长度390.5m，引道长度304.3m；C匝道桥梁长度468.7m，引道长度128.6m；D匝道桥梁长度378.0m，引道长度244.4m。
该立交工程A、B匝道桥上部结构采用现浇预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用板式墩，截面为带倒角的矩形；C、D匝道桥上部结构采用预制预应力混凝土简支箱梁，下部结构采用薄壁板式墩，墩顶采用圆弧形曲线变化的造型。匝道桥桩基采用直径1.3m，1.5m，1.8m及2.0m的钻（冲）孔灌注桩，与地铁盾构区间较近范围内桩基全部采用旋挖桩，并应采用钢护筒等施工措施，尽量减小对地铁结构的影响。桥梁桩基入微风化岩层1D，中风化岩层2D，桩底标高按低于地铁区间隧道的底部3D（D为桩基直径）以上控制，采用端承桩设计。
匝道桥桩基与地铁区间隧道水平关系如下：A10-A21轴桩基与地铁区间隧道净距为4.9～9.4m；CO-C19轴桩基与地铁区间隧道净距为4.6～11.2m，其中C13轴桩基与地铁风井结构最小水平净距为3.8m；DO-D14轴桩基与地铁区间隧道净距为4.6～5.4m，其中D14轴桩基与地铁风井结构最小水平净距为2.3m。
图2-1 某立交桥建设场地周边环境图
图2-2 某立交桥工程平面图
图2-3 该工程交桥桥梁横断面图
2.2 宾大道立交桥桩基施工对邻近地铁结构影响分析
综合考虑不同类型的桥梁承台和桩基、引道附加荷载、与地铁结构的水平净距、地铁埋深和工程地质情况等因素。为进一步深入分析迎宾大道立交桥建设近距离旋挖灌注桩施工对下方地铁结构位移的影响，考虑桩基旋挖成孔过程可能诱发桩孔周边土体的软化效应，并结合迎宾大道立交桥与下方地铁结构的空间关系，建立相应的三维有限元精细模型，分析承台基坑开挖、近距离钻孔桩施工、引道附加荷载及后期运营阶段对下方地铁结构可能产生的不利影响，进而评估地铁结构的安全状态。
鉴于CO～C5、D0～D5轴桥桩施工范围是对地铁结构影响最大的区域，通过考虑土体软化效应对下方地铁结构影响的三维精细模拟分析：地铁结构的位移主要由引道附加荷载和运营期间荷载作用引起，地铁结构的最大总位移均发生在运营期间的荷载作用。由于土体软化从开挖桩孔土体这一施工阶段开始，所以这一施工阶段之前各工况产生的位移较接近。地铁结构的最大总位移随桩孔周围土体软化范围的增大而增大，桩孔周围土体软化90%D范围时地铁结构的最大总位移为3.8mm。
同理，我们可以模拟其余桩基对地铁隧道结构的影响。A14-B14轴施工及运营诱发地铁隧道的最大位移量为3.9mm；A18轴施工及运营诱发地铁隧道的最大位移量为2.9mm；A21轴施工及运营诱发地铁隧道的最大位移量为4.4mm。
同时，相应范围内的地铁区间隧道位于岩溶发育区域，桩基施工时可能需要进行溶洞处理，从而对地铁结构周围的地层产生扰动，分析时应充分考虑溶洞处理对地铁结构的影响。
2.3 管控措施
⑴邻近地铁隧道两侧的基础桩应采用端承桩，且桩底应深于隧道底2m。
⑵地铁隧道结构外边线10m范围内的桩施工前须对各桩位加密钻探，发现溶、土洞应立即采取有效措施进行处理。
⑶邻近地铁结构的桩基施工前须经设计、监理、施工单位三方确认无误后方可实施，且须严格控制桩身垂直度，制定有效的防塌孔措施。
⑷在地铁结构上方及两侧10m范围内不得插、拔钢板桩；在距离地铁既有结构边线20m范围之内，不得采用冲孔、挤土桩施工。
⑸严格控制现浇梁施工对地铁既有结构的附加荷载，设计须制定有效的应对措施确保附加荷载不得大于20kPa。
⑹施工前，须委托有资质和地铁监测业绩的第三方监测单位对相邻地铁进行结构变形监测，遵循先监测后施工的原则。
3、结论与建议
①随着桩长、桩径和桩顶荷载的增大，隧道的位移值也增大。桩长的影响与隧道的埋深有关，当桩长与隧道埋深的比值为1时，隧道的位移最大，也就是说，桩端与隧道垂直距离越大，桩对隧道的影响越小。
②随着桩隧间距的增大，隧道的位移值逐渐减小，拟合曲线显示呈指数变化。随着桩隧间距的增大，隧道的位移越来越小。当间距小于10m时，位移减小的速率很大，而大于10m时位移的减小速率是很小的。
③两侧有桩时隧道整体下沉严重，最大位移增加量很大，但最大位移和最小位移差值较小；相对而一言，单侧有桩时衬砌的两拱脚的位移差很大，会使地铁轨道倾斜。
④邻近地铁隧道两侧的基础桩应采用端承桩，且桩底应深于隧道底2m，这样能有效地减少桥梁荷载扩散到地铁结构上方；在距离地铁既有结构边线20m范围之内，不得采用冲孔、挤土桩施工，这能有效地控制施工产生的振动及土体侧向压力对地铁结构产生影响。
⑤地铁隧道结构外边线10m范围内的溶洞处理，须控制好注浆压力，确保对地铁结构产生附加荷载不得大于20kPa，以防注浆压力过大而影响地铁结构安全。
参考文献：
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论文作者:丁德高1,王仁轩2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/22
标签：隧道论文; 位移论文; 地铁论文; 结构论文; 荷载论文; 桩基论文; 匝道论文; 《基层建设》2018年第6期论文;