富水地层盾构掘进下近接桩-土力学响应分析

黄明辉,陈乐意

(南昌航空大学土木建筑学院,南昌 330063)

引言

盾构施工以其地质适用性强、施工快速及对地层扰动小等特点[1-3]，在隧道工程设计与施工中备受青睐。富水地层选用盾构技术进行隧道掘进，因开挖区域处于水位面以下，隧道临近桩-土受应力场与渗流场耦合作用，表现出地层损失、桩体变形及桩端承载力折减等负面影响，对隧道管片、地表土层及桩基安全产生较大影响[4-7]。

出于盾构隧道的施工安全考虑，以往许多学者对盾构隧道施工的桩土扰动影响展开过研究。张冬梅[8]等基于隧道围岩、衬砌与壁后注浆体三者相对渗透系数关系，分别分析隧道完全渗漏、完全不渗漏两种工况下围岩与隧道扰动影响，并建立了隧道注浆行为影响的评估方法，以预测渗水条件下围岩与隧道受力变形形式。陈书文等[9]以盾构隧道穿越区域的某建筑物桩基为研究对象，对盾构隧道侧穿下的桩基变形和内力影响展开分析，并提出隔离桩保护措施，研究表明有隔离桩保护的建筑桩基，其最大总位移和剪力均有较大程度减弱，验证隔离桩的合理性。刘厚全等[10]基于某有盾构隧道侧穿的立交桥群桩基础，利用有限元软件建立三维仿真模型，通过对各步骤下的隧道施工模拟，对群桩受力形式和变形趋势进行了细致的分析，得出盾构隧道掘进对群桩变形和内力的影响规律。

针对盾构隧道稳定分析的相关研究已有较多成果，然而目前的学术研究多数并未考虑渗流场作用下的盾构隧道扰动影响，且其研究多以单桩影响为主，针对群桩影响的相关研究还有很大不足，仍需展开进一步的探析。

1 隧道围岩应力-渗流耦合模型

图1为隧道修正惯用法受力模式[11]，盾构隧道掘进过程中，衬砌管片稳定受地层抗力及水土压力等多种因素叠加作用，由施工引发的围岩扰动不可避免地会对原应力场与渗流场分布产生影响。

图1 隧道受力模式

根据有效应力原理，盾构隧道施工中由地下水渗流引起的隧道周围土体孔隙水压力消减、有效应力增长，直接导致土骨架和土体孔隙变形，带动隧道管片与临近桩体与围岩变形。同时由土骨架压缩引起的土颗粒孔隙变化，反作用于土体渗透系数，对土层渗流产生交互影响。据有限元与工程相关经验，在富含地下水地层中采用非降水形式进行隧道掘进施工时，普遍存在着应力场、渗流场的耦合作用影响。作为应力-渗流耦合模型中重要参数，应力场与渗流场的总控制方程在数学模型中可表述为[12-14]

2 工程实例分析

2.1 项目概述

据国务院批复文件《南昌市城市快速轨道交通近期建设规划》，南昌市轨道交通将由5条规划线路交错组成，线路全长约168 km，并形成以1～3号线为主线路，4号、5号线为辅助线路的放射状分布体系[15]。依照现有理论与施工经验，盾构隧道下穿城市施工掘进势必对上部地层、建筑群造成扰动。为探明非降水支护下的隧道施工影响，依托南昌市某区间隧道工程，对南昌典型地质条件下的桩-土施工扰动形式展开探析。

该区间隧道采用盾构法施工，隧道形式为双孔圆形隧道，隧道外径6 m，内径5.4 m，管片宽1.2 m，厚度0.3 m。据隧道线路设计，盾构隧道主要穿越地层为砾砂、强风化与中风化泥质粉砂岩，并于该区间下穿某施工桩基，其中隧道左线距离桩体最近仅4.05 m。在盾构下穿区域内涉及的钻孔灌注桩中，抽取两排共计12根典型位置的桩体展开受力变形分析。各桩体均为已施工完毕状态，其中钻孔灌注桩直径328 mm，桩长8 m，每组桩体横向水平间距为1 m，隧道与前排桩位置关系剖面如图2所示。

图2 盾构隧道与桩体位置关系示意(单位：m)

2.2 地质及水文条件

盾构隧道区间内地貌类型为赣江冲积平原Ⅱ级阶地，区间隧道呈长条形分布，隧道穿越区域上部多为现有的市政道路与既有建筑物。根据隧道工程钻探揭示，盾构区间沿线勘探深度以内地层主要由杂填土、粉质黏土、中砂、圆砾、砾砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩7个地层单元组成。隧道沿线地下水埋藏较浅，水位埋深4.90～8.20 m，其中各砂砾层均处于饱和状态，土体渗透性较强。各地层物理力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数

3 有限元数值分析

3.1 模型建立

为探讨盾构区间内桩土破坏机理，采用有限元分析软件MIDAS/GTS NX建立盾构隧道开挖支护的有限元仿真模型，并对此种关系下的桩土位移及沉降展开分析。为保证仿真数值模型精度和稳定性的前提下能有效地提高有限元运算速率，模型划分采纳了以隧道管片为起始由密到疏的网格渐变划分形式，整体生成以高质量、稳定性强的六面体网格单元为主、局部五面体和四面体网格单元为过渡的组合网格体系。模型共计生成43 271个共用网格节点和70 829个网格单元。隧道与桩位置关系有限元划分模型如图3所示。

图3 隧道与桩-土有限元模型

根据以往工程经验及数值分析结果：盾构隧道施工的影响范围约为盾构隧道直径的3～5倍。因此模型建立依照隧道孔径大小，在考虑有限元模型边界效应影响下，确定模型的划分尺寸为70 m(X轴)×60 m(Y轴)×40 m(Z轴)范围大小，并根据地质钻探成果进行分层计算。模型考虑地下水作用影响，水位线取地表以下5.38 m参与运算。假设隧道隔水性能优良，土体介质中由渗流引起的水力梯度、水头、流速大小和方向不随时间发生改变，对隧道模型进行稳态渗流分析。

3.2 模型位移、渗流边界

(1)位移边界设置底部为全约束，限制水平向位移及竖向位移；侧面仅限制水平向位移；模型顶面为自由面，不设置位移约束。

(2)渗流边界设置底部为不透水边界；考虑隧道两侧地下水渗流补给，在模型两侧边界处按照水位高程设置节点水头；模型底部为不透水边界。隧道防水失效下，衬砌管片与围岩之间接触面(开挖面)为透水边界。模型初始孔隙水压力参照静水压力分布。

3.3 材料参数

土体材料选用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型[16-18]进行计算分析，隧道围岩和注浆材料采用实体单元进行分析，并通过隧道支护分析步中改变围岩力学属性来模拟壁后同步注浆行为；结构单元采用弹性模型进行分析，其中灌注桩选用梁单元模拟，因建筑桩基处于施工状态，不考虑承台约束及上部载荷影响。盾壳和衬砌管片采用板单元进行模拟。各单元材料参数如表2所示。

表2 结构材料参数

3.4 施工阶段划分

为对比性分析桩土变形机理，利用有限元单元网格的“激活”与“钝化”功能依据施工条件，将盾构隧道施工划分为左线隧道施工贯通与全线施工贯通两种工况，其中左右线隧道均为一次性贯通与支护，对各工况下的盾构施工进行分步模拟，以探析桩基与邻近土体随盾构掘进的变形发展趋势，各阶段下的计算步骤为：

①地下水影响下的渗流场分析；②地层自重应力场分析；③灌注桩施工，消除桩基施工过程的位移影响(激活桩单元，桩体位移清零)；④左线隧道开挖、盾壳预支护(钝化开挖区域土体单元、激活盾壳单元)；⑤左线隧道支护(激活衬砌管片与注浆层单元，钝化盾壳单元)；⑥左线隧道开挖支护完毕后的稳定渗流与水力耦合分析(先后运行渗流场、应力场耦合分析)；⑦右线隧道开挖、盾壳预支护(钝化开挖区域土体单元、激活盾壳单元)；⑧右线隧道支护(激活衬砌管片与注浆层单元，钝化盾壳单元)；⑨右线隧道开挖支护完毕后的稳定渗流与水力耦合分析(先后运行渗流场、应力场耦合分析)。

4 数值结果分析

为探明盾构施工过程中桩体变形影响趋势，取盾构隧道左线贯通与双线贯通两种工况分别展开分析，经有限元数值计算结果显示，前后两排桩体在隧道施工扰动下的受力形式与变形趋势近似，故简化数值模型后处理结果，只取前排桩变形进行分析，并参照图2所示坐标轴正方向变形为正值绘制关系曲线。

4.1 近接桩体内力位移影响

4.1.1 盾构对桩体水平位移影响

根据有限元数值结果，提取图4所示建筑桩体随深度变化的水平位移关系曲线。左线盾构隧道掘进过程中，受土体开挖卸荷引起的围岩应力释放影响，周围岩土体朝向隧道一侧发生移动，由于桩体水平向受力不均导致其朝向左线盾构隧道方向产生偏移，且桩1～桩6最大水平位移均出现在桩顶位置处。

图4 隧道施工对桩身水平位移影响

桩1、桩2位于左右线盾构隧道之间，左线隧道施工影响下，桩身受力失衡并朝向左隧道方向倾斜。右线隧道贯通后，右线施工对岩土体扰动与左线隧道施工影响部分抵消，桩身整体产生较大程度回弹。桩3、桩4位于右线隧道拱顶以上，右线隧道的贯通对其在水平方向的影响较小，桩体平均回弹量仅为0.09 mm。而余下两桩均位于双线隧道右上方，隧道施工对桩体水平向位移呈叠加影响，右线隧道施工对两桩变形平均贡献了1.24 mm的位移增值，增幅达46%。桩体穿越4个不同地层，由于各地层性质不同，对桩体水平位移限制也略微有所不同。

在上述分析模型的基础上考虑渗流场作用，揭示图5所示桩身变形关系。图中数据明显可见各桩体差异性变化。桩1、桩2另受水压力附加作用，右线隧道施工使两桩较于未涉水时产生右向小幅偏移，渗流场对两桩水平向变形整体贡献较小。桩3、桩4受力性质异于各桩，就桩体水平向附加变形而言，两桩分别处于左右线隧道的强、弱扰动区域，右线隧道掘进施工及地下渗流场未对该桩偏移造成强烈扰动。桩5、桩6除受围岩应力推挤之外，桩身变形受水压力附加作用，使其侧向变形趋势进一步扩大。地下水稳定渗流场对建筑桩基水平向变形影响程度有限，近接桩-土水平向侧移防护可适当而行。

图5 渗流影响下桩身水平位移

4.1.2 盾构对桩体沉降影响

图6 隧道施工对桩身沉降影响

图6所示为两线隧道贯通后的桩体沉降关系曲线，在盾构隧道施工过程中，桩体沉降持续产生，因桩身竖向刚度较大且桩端与围岩表现为协同沉陷，故桩身各处沉降值相差微弱。桩体沉降与隧道轴线净距离呈现密切相关。

两线隧道贯通后，各桩体沉降均有所增加，右线隧道施工对桩体沉降表现为程度不一的叠加效应。桩3、桩4位于右线隧道拱顶正上方，且与隧道管片相距较近，右线隧道施工造成的土层损失对其沉降影响最为显著，其附加沉降值为6.93 mm，沉降增幅高达55.35%。余下两组桩体沉降影响稍逊，右线隧道掘进产生的沉降影响均值分别为5.02，5.10 mm，增幅为40.97%与48.90%，右线隧道施工对桩基沉降表现为积极推动作用。

与前种工况相比，考虑渗流场影响的桩基沉降明显加剧。模型运算状态下，通过渗流分析得到的孔隙水压力，作为初始条件作用在应力场分析中，一方面降低围岩黏结力、摩擦力等强度参数，另一方面经物理化学以及力学等作用给围岩施加静、动水压力，对隧道临近围岩结构产生影响[19]，加重隧道管片变形程度。在水压力叠加作用下，隧道管片与壁后注浆体变形呈现可观增长。由地层损失理论，为填补由水压力叠加引起的这部分深层围岩损失，直接带动拱顶上方桩土产生进一步的协同附加沉降。

由图7所示应力渗流场下双隧道贯通后的桩身竖向位移曲线可知，桩1至桩6均产生较大程度的附加位移。

图7 渗流影响下桩身沉降

图8 钻孔灌注桩内力分布形式

其中桩1、桩2平均沉降值增量为4.7 mm，桩3～桩4、桩5～桩6则分别达4.81 mm与4.95 mm，3组桩体在渗流影响下的沉降幅度分别达到27.72%，27.76%与32.18%，对桩基稳定已有鲜明影响。为减小因桩基沉降对建筑物的影响，应在允许范围内合理保证盾构掘进速度[20]，严格控制注浆工艺[21]，并及时采取其他加固、隔离措施，保证上部主体结构性能安全。

4.1.3 盾构对桩体内力影响

区间隧道施工状态下，因地层损失而释放产生的部分地层应力被桩体吸收，直接表现为桩体内力的改变与重分布，进而对其附加变形产生深远影响。由于各桩均处于隧道施工断面以上，盾构影响区域内每组桩体之间内力变化趋势相似，选取桩2、桩4、桩6进行内力影响分析，探讨未涉水状态与顾虑渗流场影响两种情况下，两线隧道贯通后的桩体内力变化差异。

图8所示为灌注桩附加轴力与附加摩阻力沿围岩深度的变化曲线。由图中数据可知，桩身轴力在桩顶以下一定位置处发生突变。盾构施工扰动下，上部桩体正摩阻力发挥作用，桩身轴力随深度近似呈线性减小。下部桩体因处于盾构强扰动影响区域，近接围岩相对桩体发生急剧下沉而产生负摩阻力，此时桩周围岩已难以扩散桩身轴力，并对桩体产生下拉荷载，导致桩身下部轴力增大和桩基承载能力的削弱。桩身受力中性点约在桩基埋深6 m左右，其中地下水的渗流作用对桩负摩阻力起到明显促进作用，致使桩体下部轴力与负摩阻力拉大，影响桩体性能的正常发挥。

4.2 地层扰动影响

4.2.1 单线隧道贯通地层扰动

为直观地分析盾构施工对场地内围岩扰动状况，取表层土体沉降展开分析。图9所示为左线隧道贯通后的地表土层沉降状况。图中数据表明盾构隧道施工对地层有较大程度扰动，施工前后地表各处发生不均匀沉降。左线隧道施工过程中，隧道上方土体产生明显的“V”形沉降槽，拱顶上方地表土层出现沉降峰值，沉降影响沿背离隧道位置逐渐消散。在考虑渗流影响前后，土体沉降峰值分别为9.36，13.24 mm，沉降增幅达到29.31%，可见地下水渗流对地层沉降起到较大程度影响。

图9 左线隧道贯通地表沉降

4.2.2 双线隧道贯通地层扰动

图10所示为双线隧道贯通后的地表土层沉降状况，地表土体沉陷随右线隧道施工持续发生，其沉降范围进一步增宽，沉降峰值由左隧道拱顶上方转移至双隧道拱顶上方，沉降形式由“V”形分布转变为“W”形分布。右线贯通后，地表沉降增幅最大达到36.02%，进一步验证了施工力学行为对桩-土沉降的叠加影响。

由于场地内有较大厚度的砂砾石层，地层土体松散且自稳能力弱，当有地下水渗流影响时，土体受扰易发生变形，产生明显的沉降加剧。在考虑渗流影响前后，双线隧道贯通下的土体沉降峰值分别为14.63 mm与21.50 mm，渗流影响下的沉降增幅达到31.95%。为防止地基过大变形对既有建筑物造成损伤，应采取地面预注浆、在隧道与既有建筑之间的地基采取有效加固措施，将地基变形保持在可控范围内。

4.3 孔压分布影响

4.3.1 隧道隔水良好

作为隧道密封防水的重要防线，衬砌管片与壁后注浆因具备稳定有效的防水与加固功能而在隧道工程渗漏控制中常被采用。在该项目隧道工程中，将隧道注浆层与衬砌管片的组合体系视为理想封闭体，经计算可得渗流场下的孔隙水压力分布等值线、隧道中心竖向与中心水平向孔隙水压力分布如图11所示。因模型土介质流体中的总水头由位置水头与压力水头构成，设定模型总水头保持不变。而水位面以上区域因位置水头大于总水头，造成水位面以上压力水头出现负值。图中数据可知，当隧道隔水效果良好时，孔隙水压力在水平方向呈层状分布。而与水平方向孔压变化相比，孔隙水压力在竖直方向呈现出明显的线性关系，其随着土体深度增加而持续增大。

图11 强隔水效果孔隙水压力分布形式

4.3.2 隧道防水失效

富水地层中进行盾构隧道施工，由于注浆孔、管片间隙的水土渗透，将导致隧道临近土体渗流场改变及孔隙水压力的持续变化。为探析隧道防水失效衬下围岩孔隙水压力分布规律，定义隧道衬砌管片与围岩之间接触面(开挖面)为完全透水边界，将其视为渗流自由面参与水力耦合分析，此时隧道注浆层与衬砌管片渗透系数与其接触的围岩属性一致。隧道防水失效下的孔隙水压力分布见图12。

图12 防水失效下孔隙水压力分布

由图12可知，隧道渗漏打破原渗流场初始平衡，隧道开挖完成之后，孔隙水压力分布有较大程度改变，渗流场以隧道拱顶为中心呈“双漏斗”分布状态，孔隙水压力沿1倍隧道直径范围内呈现剧烈衰减，此时地下水透过注浆层与管片间隙排出土体，导致隧道四周各测点孔隙水压力消散，形成明显的“环形”降压带。防水失效下孔隙水压力改变将直接促进临近围岩固结，不利于隧道稳定支护，施工时应采取有效措施增加衬砌防水效能和隧道抗渗能力，以增强隧道安全性能。

5 结论

采取有限元分析方法，对应力-渗流耦合作用下孔压分布、临近桩-土扰动进行研究和论述，得出结论如下。

(1)盾构隧道下穿桩基施工时，桩基产生较大程度的附加变形，桩体下部轴力增长并产生负摩阻力，抑制桩体性能发挥。

(2)考虑流固耦合影响下的桩基与土体沉降明显增加，沉降量最大增幅分别达到32.18%，31.95%；左右线隧道施工后，隧道拱顶上地表出现明显沉降槽，分别呈“V”形、“W”形分布，其沉降影响沿背离隧道方向逐渐减小。

(3)隧道防水失效下，隧道施工内壁形成渗流自由面，周边围岩内部孔隙水压力分布呈现明显衰减，并沿隧道水平向出现孔压降压带。