临近隧道盾构施工对桩基影响的影响分析

　　摘要：我国工程建设最近几年随着我国整体经济建设的快速发展而发展迅速。随着我国城市的高速发展，地铁已成为缓解城市交通的最有效工具之一。而地铁往往穿越城市密集建筑物群，需要在已有建(构)筑物下或附近进行施工，由此隧道施工将不可避免地对临近桩基产生影响。

　　关键词：临近隧道盾构施工;桩基影响

　　引言

　　科学技术的快速发展带动我国道路建设发展迅速，很多先进技术运用其中，使其发展更为快速。为进一步研究临近隧道盾构开挖过程中桩基所受到的影响，参考某市地铁下穿已建成的地铁双线隧道的实际地下工程，建立三维模型，运用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析。

　　隧道施工论文投稿刊物：《岩土力学》杂志创刊于1979年，中华人民共和国新闻出版总署、正式批准公开发行的优秀期刊。由中国科学院武汉岩土力学研究所主办，中国科学院主管，国际标准刊号：1000-7598，国内统一刊号：CN42-1199/O3，国外发行代号：Q4097，联合征定代号：LD421199，每季末20日出版，国内外公开发行。

　　1工程概况

　　1.1工程周边环境

　　本文以某市地铁5号线下穿1号线盾构施工段为工程背景，基于盾构施工对临近桩基的影响进行模拟分析。1号线为既有的双线隧道，隧道外径为6m，两线之间的距离设置为11m，5号线为盾构开挖段，外径也为6m，两线距离为3m，1号线和5号线垂直距离为3m，此时研究5号线盾构施时与1号线的平行段。

　　1.2数值计算模型

　　结合工程地质条件及工程特点，采用有限元方法分析隧道开挖对临近桩基的变形受力影响。计算模型考虑隧道-土体-桩基三部分的相互作用。隧道直径设定为6.88m，埋深16m。建筑物基础为1.2m×1.2m摩擦型桩，桩长16m，桩间距4m。采用空间8节点实体单元(C3D8)进行模拟，桩底与土体绑定，防止桩与土体断开。建筑物采用等效荷载替代方法计算，即地应力平衡后，在复合桩基顶部施加大小为300kPa的均布荷载，模拟既有建筑物的存在。模型空间尺寸为80.0m(x方向)、100.0m(y方向)、50.0m(z方向)，隧道开挖方向为x轴负向。4个侧面边界条件为法向约束，底部为全约束，上表面为自由面。岩土体强度准则采用Mohr-Coulomb准则。

　　1.3数值计算结果分析

　　1桩基水平位移计算结果，不同开挖方式情况下桩基的水平位移曲线变化趋势基本相同。桩顶的水平位移在两隧道同时开挖的情况下桩顶最大，水平位移沿着桩身逐渐减小，在隧道埋深中心线处为水平位移最小值，双线同时开挖时此处水平位移值最小，而右线隧道先开挖的最大，左线隧道先开挖的居中。过了隧道埋深的位置后，桩身水平位移逐渐增大，该位置在右隧道先开挖时水平位移最大。2.桩基竖向位移计算结果，先开挖右线隧道时竖向位移最大，最大沉降量为8.6mm。

　　其次是左右两隧道同时开挖，而左线隧道先开挖引起的竖向位移最小，最大沉降量为8.57mm。3.桩基轴力计算结果3种开挖方式引起的桩基轴力变化趋势都是沿桩身先增大后减小，右线隧道先开挖时引起的轴力值最大。其次是两隧道同时开挖。左线隧道先开挖时引起的桩基轴力最小。由此可见隧道开挖的方式的选择引起的桩基附加轴力差异不大，这点同桩基竖向位移的变化情况类似。

　　2桩体与施工线路距离对桩顶的沉降影响

　　桩体与施工线路的距离不同，桩顶的沉降发展规律也不同，当桩体与施工线路的距离在3倍洞径的范围以内时，桩体的沉降发展仍然可以看作三个过程，对桩体沉降影响最大的仍是5号线初期开挖，而5号线的二次开挖对桩顶沉降影响较小，且桩体的沉降随着距离的增加而减小，在3倍洞径范围内时，桩顶的沉降对距离的改变不敏感，而超过3倍洞径时，桩顶的沉降对距离的改变非常敏感。

　　可以看出在距离为20m后，5号线的初期开挖对桩顶沉降的影响减小，而5号线的二次开挖对桩体沉降的影响增加，从曲线距离为21m可以看出，二次开挖的桩顶沉降的斜率明显大于初期开挖的斜率，这说明了，在3倍洞径范围内时是隧道开挖引起的应力释放及土体强度降低的主要区域，初期开挖时，桩体与开挖线路的距离超过3倍洞径，所以影响较小;而在二次开挖中，桩体与开挖线路的距离小于3倍洞径，但是由于初期开挖的影响，土体的塑性区已经有发育，后期的开挖对土体强度降低不明显，所以发展速度没有过快。以上都说明了，在隧道周边3倍洞径范围内时隧道开挖主要的影响范围，这也是为什么在一般数值计算中，模型的大小一般取为隧道洞径的3倍。

　　3对桥桩进行注浆加固

　　盾构从铁路桥桩边穿过，距离桥墩基础很近，为确保桥桩稳定，保证隧道施工的顺利进行，在相应桥墩周围施打复合锚杆桩对原有桥桩进行加固注浆，维护整体结构的稳定。复合锚杆桩加固范围宽度为1m，距离隧道水平距离最小为1m，孔径150mm，孔内安装锚杆(3根直径20螺纹钢)，并采用注浆管进行压密注浆操作。岩土加固范围及位置同设计资料相同，模型各结构尺寸均按设计参数选取。

　　4桩体入土深度对桩顶的沉降影响

　　桩长的增加对桩顶沉降有抑制作用但不明显，这主要是由于土层的原因，桩体周边的土体普遍较为软弱，主要为黏土，没有良好的持力的效果，桩长的增加对摩擦效果增加不明显，所以没有达到良好的效果，可见在软弱地层较厚的地区，通过增加桩长的方式来减小桩顶的沉降经济效果往往不理想。在临近桩基盾构施工中，已有很多成功的案例，其主要通过超长锚杆对桩周土体进行注浆处理，注浆能提高土体的固结程度，间接提高了土层的强度，使得桩与土体的接触更加可靠，例如北京地铁三号线，近距离穿越高层建筑时，采用的就是超长锚杆对桩基附近的土体进行注浆，效果明显，将高层建筑的不均匀沉降控制在了3mm以内。

　　5模型网格划分

　　为贴近施工实际，本文对土体模型的底部施加了竖向位移约束，对模型周围4个侧面施加了水平位移约束，模型表面为自由面，不施加约束。施工步骤模拟1.第一步。建立几何模型，分割实体单元。划分各部分网格并赋予材料属性。2.第二步。施加土体自重及定义约束边界条件，定义土体的初始应力场并使其位移清零。3.第三步。第1环隧道核心土开挖面处施加掌子力，激活第1环隧道衬砌管片，并挖除第1环隧道核心土。4.第四步。清除第1环掌子力，施加注浆压力，改变第1环间隙土的材料属性。在第2环开挖面处施加掌子力，激活第2环衬砌管片，并挖除第2环隧道核心土。5.第五步。清除除第2环掌子力，并注浆压力，改变第2环间隙土的材料属性。在第3环开挖面处施加掌子力，激活第3环衬砌管片，并挖除第3环隧道核心土。按照上述步骤循环进行隧。

　　结语

　　桩体的沉降主要与三个因素有关，桩的入土深度、桩离开挖线路的距离以及盾构施工过程中与桩的相对位置。其中桩离开挖线路的距离时影响桩体沉降的主要因素，距离开挖线路越近，桩体的沉降就越大，距离在3倍洞径范围内时，沉降随距离的改变尤为敏感，当距离超过3倍距离时，沉降对距离的改变不再敏感。

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　　作者：石庆滨

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