摘要：现阶段，更多的城市建设开始考虑新建地铁，隧道开挖作业成为了新的技术难点。本文认真探讨了隧道开挖可能导致地层位移或影响邻近单桩竖向受力的相关研究成果，积极建立隧道开挖条件下的被动单桩基本方程，并积极完成方程求解。通过结果对比，验证方程在探讨邻近单桩竖向受力的适用性，并分析了隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响规律。
关键词：隧道开挖；邻近单桩；竖向受力特性
地铁工程离不开隧道建设，其开挖作业成为了系列工程的基础与重要内容。地铁工程通常采用盾构隧道方式，但其施工对周围建筑构造体等环境也带来了更多的不利影响，很可能直接影响邻近建筑结构的桩基出现盈利变化，从而影响整个建筑的稳定性。如何能够确保整个隧道开挖工作取得良好的安全质量，还有赖于认可加强对各种应力作用的分析。
1隧道开挖相关课题的研究成果
多年来，国内外众多学者就如何分析隧道开挖导致地层位移或邻近单桩竖向受力变化的相关课题方面进行了诸多研究，取得了理论与实践结论。
如在理论方面，学者们认为可以从两方面来进行分析：一方面就是采用建模思想，通过对隧道整体工程状况、桩基受力采集分析、土层结构情况分析等内容的研究，基于数值开展模型构建，用于模拟隧道开挖过程。数学建模的思想，运算量大且建模复杂，操作性不强；另一方面就是按分阶段分析的思想，首阶段以经验方法为主，运用有限元估算法或解析解来确定桩基为打入时所受外荷载的自由位移场；第二阶段将前一阶段的自由位移场整体作用在需要研究的目标体系上组织求解。此方面，学者们在探讨中提出了诸多方法，如边界元法，广泛适用于单桩及群桩场合，主要视桩周土体为弹性体，因而对于土体的具体质量缺少认知与分析，在非线性探讨方面缺乏扩展性，故而无法准确提供对深度效应的高效模拟；如基于地基梁模型的两阶段分析法，可以直接考虑地基地层所呈现的不均匀性，通过专业的MATLAB等软件，在掌握差分法的情况下实现计算。
在实践试验方面，学者们层在室内开展模型试验，积极还原隧道工程场景，并就隧道开挖过程中所产生的各种地层位移、邻近桩基承载力变化规律等方面做出积极的探索与实践验证。特别是大功率离心机械装置的利用，学者们能够通过离心机试验的方式进一步研究如黏性土等特有土质隧道开挖对周围桩基所产生的特性影响。
2隧道开挖条件下的被动单桩基本方程
2.1由开挖所致的土体自由场竖向位移
在隧道开挖中，周围土体必然出现自由场竖向位移，这种位移的计算可由经验法、解析法、数值法求得。根据某些理论研究可知，利用非等量径向土体移动模式可以提出隧道开挖引起的土体自由场位移估算解析解，虽然此解析解具有线弹性，不能包含土体的非线性特性，但仍能够较为合理地表示开挖所成断面的收敛位移，并有与实际情况近乎吻合的计算结果。
2.2隧道开挖条件下的被动单桩基本方程建立
基本方程的建立，需提前进行必要的假设：研究单桩为弹性体，且周围土体为弹塑性较突出的连续变形体，单桩体与土体之间所产生的相互作用可近似用弹簧模拟表示，作用是连续分布的，两个接触体之间不出现脱离，并满足变形协调原则。
图1 隧道工程单桩竖向受力示意图
由图1所示可知，隧道工程开挖后桩体的受力平衡条件为：
式子中的Up代表桩体的界面周长，P（z）表示处于z深度的桩体所具有的轴力，而t（z）表示处于z深度的桩体所受到的土体侧摩擦阻力。经微分处理，可得竖向应变效力为：
式子中的Ep代表桩体的弹性模量，Ap代表桩体的横截面积，Wp（z）代表处于z深度的桩体位移量。将上述两个式子进行合并处理，可得到关于单桩桩身的位移方程为：
隧道开挖时处于z深度的桩体所受到的土体侧摩擦阻力可表现为
综上所述，可知土体的竖向位移对单桩产生影响可用沉降控制方程表现为：
2.4隧道开挖段的被动单桩基本方程的求解
一般情况下，若遇到介质并不均匀的地基条件，单桩周围的土体所形成的竖向弹性刚度就不会呈常数态，因此对于上文提出的沉降控制方程而言就无法得到准确的解析解，因此只有积极采用有限差分的方法才能进一步完成求解。在迭代求解的过程中需要注意几个要点：
（1）求解过程中需要提前了解桩长、桩径和桩基弹性模量等单桩基本参数；（2）按照相关计算公式及方程，代入有关土体参数，求解出单桩在桩侧与桩端所具有的摩擦阻力极值；（3）分别设单桩沿长度方向的桩侧与桩端土体弹簧刚度，求出土体自由场位移，并求出竖向位移量；（4）根据相关t-z及Q-z曲线重新得到对应的一组桩侧与桩端土体弹簧刚度，求出新的单桩竖向位移量；（5）比较前后两种竖向位移量，在满足精度的同时可直接将所求得的竖向位移量作为单桩桩身实际竖向位移；（6）如前后两种竖向位移量存在差值，不符精度要求，则将（4）步得到的位移量代替（3）步得到的位移量，并重复（4）、（5）两步，当精度达到要求后即满足所需计算量；（7）桩身竖向位移量确定后可进一步求出桩身轴力。
3计算结果验证分析
本文所采用的方法在短期情况求出的土体自由场竖向位移能够与试验结果保持接近与统一，因而可以直接用文中方法来求得短期土体自由场土体位移。长期情况下，土体自由场竖向位移量无法运用有效公式计算，需要通过多次短期的竖向位移量计算进行拟合。文中轴力变化计算结果与单桩的离心试验结果较接近。离心试验结果中，桩顶的长期沉降计算值比试验值大，而短期情况下则较为接近。分析计算与试验结果出现偏差的原因主要有几点：一是计算所选土体荷载传递关系与试验所选土体荷载传递关系存在差异性；二是短期到长期的土体强度变化是充满动态增强过程的，需要多加考虑。总的来看，本文的方法可以作为一种简单快速的计算方法，在实际工程加强适用。
4隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性的影响规律
4.1隧道中心线距地表不同距离的影响
因埋深的不断增加，单桩周围的土体自由场竖向位移、沉降量、轴力值大小均会出现先增后减的变化。隧道中心线距地表距离达到30m后，桩端与桩顶的土体自由场竖向土体位移要大。此情况的致因是较低埋深时地表的沉降槽沉陷区面积较小，规格较窄，当埋深增大，沉陷区面积随即增大但沉陷量在减小。
4.2隧道中心线距桩轴线不同距离的影响
当隧道中心线距离桩轴线之间的长度在不断变大时，单桩周围的土体自由场竖向土体位移会不断降低，而且桩身沉降量也在减弱。一旦隧道中心线距离桩轴线的长度由4m增至10m中，桩轴力持续加大；隧道中心线距离桩轴线的长度大于10m后桩轴力将不断降低。
4.3单桩桩长的影响
桩长大于40m后，桩身竖向沉降变得相对稳定。桩长增加后桩身同时受到上部拉力与下部压力。道中心线深度区域将出现轴力最大值，桩轴力随桩长而增加，桩长过50m后桩轴力增幅变小趋于稳定。
4.4单桩桩径的影响
桩身沉降将虽桩径的增加而减小，但幅度不明显。当桩径增加后，桩轴力也会同时增大，所受应力降低，一旦桩径达2.5m后应力基本稳定。
4.5单桩桩身刚度的影响
桩身沉降将随桩身抗弯强度增加而减小，且变幅度较小。桩身轴力会随着桩身抗弯强度增加而增大，强度超603.2单位时桩轴力增幅降低。
结束语
参考文献
[1]熊巨华,王远,刘侃,等.隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响[J].岩土力学,2013,34(2):475-482.
[2]郑熹光.盾构隧道施工对邻近桩基础位移和受力特性的影响研究[J].北京交通大学,2015.
[3]田晓艳.刘静.非均质地基中隧道开挖对被动单桩受力特性的影响[J].武汉科技大学学报,2016,39(2):134-139.
论文作者:李文
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/9/11
标签：位移论文; 隧道论文; 桩基论文; 方程论文; 受力论文; 中心线论文; 自由论文; 《基层建设》2019年第11期论文;