群桩基础沉降对邻近轨道交通盾构隧道影响的数值分析

刘文艺，秦启强

（天津南站科技商务区发展有限公司，天津 300380）

0 引言

随着我国经济飞速发展，城镇化进程不断加快，城市轨道交通迎来高速发展期，全国各地都在大力发展城市轨道交通，国内多个城市轨道交通已然形成规模较大的网络化运营模式，这必然导致轨道交通保护区范围有大量工程建设出现[1-4]。

楼晓明等[5-6]采用群桩基础共同作用的分析方法，计算结果表明：桩基础在隧道轴线方向上引起的最大相对变形曲率发生在基础边缘附近；并对高层建筑桩基础沉降对邻近隧道可能产生的附加沉降进行计算分析。SCHROEDER F C等[7-9]利用有限元分析桩群荷载对已建成隧道的影响。国内外其他学者也做了大量关于群桩基础施工对隧道的影响分析工作[10-12]。

1 工程概况

苏州中心广场项目位于苏州工业园区金鸡湖西侧，毗邻东方之门，由10幢建筑构成，苏州中心广场位于苏州市域CBD核心位置，轨道交通1号线和6号线贯穿整个项目区域，项目整体占地21.1hm2，净用地面积13.9hm2，总建筑面积约182万m2，其中地上建筑面积130万m2、地下建筑面积52万m2。在苏州中心广场内设有国内单体规模最大的购物中心，总建筑面积达40万m2；此外，项目整体地下3层，部分地下4层，基坑占地面积达14万m2，开挖深度17～22m，开挖土方约220万m3，是目前国内规模最大的城市建筑基坑工程。苏州中心B-3区基坑距离运营中的轨道交通1号线中心位置为10.5m。

2 工程地质条件

根据勘察资料，该项目共包括11个工程地质层，各土层分布特征如表1所示。

表1 主要地层特征

3 群桩基础沉降对邻近隧道影响数值计算模型

苏州中心B-3区基坑尺寸58.1m×77.9m，0.8m厚地下连续墙作为临时分隔墙。坑内立柱桩直径均为0.8m，间距最小8.0m，最大18.1m。整个基坑均位于轨道交通1号线右侧，坑内立柱离隧道最近28.0m，最远69.0m。

3.1 模型建立

有限元模型尺寸根据桩与隧道的尺寸确定，采用桩长均为40m。计算模型的网格划分如图1所示，模型水平x方向根据桩位布置情况不同，自桩基边界及隧道边界向两侧延伸2.4倍桩长，即总长270m；水平y方向根据桩位布置情况不同，自桩基边界向外延伸2.8倍桩长，总长190m；高度z方向取桩长的3.75倍即150m。隧道横截面方向为xz平面，模型网格图正对的立面即为对称面，亦即桩基础中心位置剖面，在后续计算分析中均称该对称面为中心面，本模型不考虑地下水作用。考虑到数值模拟的主要目的在于分析桩基础在建筑物荷载作用下对隧道的影响，此次对于桩基础的模拟中，土体、隧道及桩均采用8节点四面体实体单元模拟，共284 298个实体单元[13-15]。

图1 有限元网格划分

3.2 参数选取

此次的模型参数包括桩与隧道的位置参数及桩与隧道的尺寸参数等，土体参数和结构参数：隧道直径取6.2m，衬砌厚度0.35m，隧道埋深8.4m，隧道混凝土强度等级C50，结构泊松比0.167，桩径0.8m，桩长40m，桩身强度C30，桩泊松比取0.169。土体本构模型采用莫尔-库仑模型，其中c、φ值采用固结不排水抗剪强度；隧道衬砌及桩基础均采用线弹性模型模拟。B-3区拟建6层裙楼，数值模拟中桩顶均布荷载根据单桩工作荷载1 762kN计算。

3.3 计算工况

模型初始条件为绿色场地，在原始地层条件下计算场地初始地应力。计算工况1为模拟隧道开挖，不考虑时间影响，在工况1中开挖隧道，并获得隧道开挖后场地应力状况，将隧道开挖引起的位移置零。计算工况2为模拟桩基础施工，桩基础施工不考虑施工过程影响，仅将桩基础所在位置土体单元置换为桩单元，并将桩基础材料替换引起的土体位移置零。计算工况3为模拟桩基础加载，激活桩顶均布荷载，并计算在荷载作用下的土体位移。

4 群桩基础沉降对邻近隧道影响结果分析

4.1 群桩基础沉降场

由荷载作用下地层整体变形云图、隧道及桩基础的变形矢量图可知，地表最大沉降值为18.25mm，发生在桩基础中心位置处；沉降以桩基础中心为中心向外以近似圆形衰减，但隧道一侧的土层沉降云图衰减明显快于无隧道一侧，这是受隧道刚度限制造成的。随着与桩基础中心距离的加大，桩基础荷载产生的土体沉降迅速衰减，而位于隧道上方的土体因受到隧道远大于土体刚度的限制，在沿隧道纵方向上沉降衰减速度较慢。

桩基础在荷载作用下造成地层位移以竖向位移为主，水平方向位移相对很小，靠近隧道边的水平位移3.79mm略大于群桩另一个方向的水平位移3.48mm。由于模型的对称性，y方向位移也与群桩基础对称，也向桩基中心运动。整体上，群桩在y方向的位移较小，最大处发生在群桩边上4.36mm。

地表沉降自桩基础中心向3个方向的扩展情况如图2所示，同样显示，沿x方向向左由于隧道的存在，地表沉降收敛快于向其他2个方向的扩展；对于沿y方向扩展的情况，由于隧道与y轴平行，隧道沿y轴的刚度对于沉降的扩展影响较小，故此与沿x轴向右方向的沉降曲线形态相似，沉降位移较大；沿z方向的沉降位移衰减大致呈双曲线的形态，位移收敛较其他2个方向慢。

图2 桩基础中心向3个方向扩展的地表沉降

4.2 隧道变形结果

结合隧道纵向位移图及隧道中心面截面的整体位移矢量图可知，隧道最大位移为6.03mm，发生在中心面位置。从整体位移趋势上，隧道以竖向沉降为主，水平位移仅占沉降的2.0%～26.3%，隧道有微弱沿顺时针方向转动的趋势。在中心面上，隧道整体位移最大。远离中心面隧道的位移逐渐降低。水平位移数量上，隧道上半部分向桩基础方向水平移动，隧道顶部与底部为水平位移最大值点。隧道水平位移最大处发生在模型桩基中心对应位置，而不是中心面处，这主要是因为在该处桩基的水平位移最大，隧道受桩基水平沉降的影响。竖向沉降而言，在中心面处沉降值最大，并沿隧道边线向远离桩基础方向递减，在横截面上，隧道竖向位移最大处发生在隧道靠近桩基位置。

图3给出了隧道4个关键点（拱顶、拱底、两侧拱腰）沿纵轴线的沉降曲线，水平坐标0处为中心面位置。隧道沿纵向沉降收敛速率较慢，在130m位置处隧道沉降基本为0，沿着纵向位移继续增加，隧道位移略有增加。右拱腰沉降为整个隧道沉降最大处，左拱腰位移最小。隧道沉降点沿纵向沉降规律基本相同。

图3 隧道纵轴线变形

4.3 隧道衬砌结构受力结果

结合隧道结构在桩基础施加荷载后Mises应力云图，在中心剖面处受边界条件的影响，应力较其他部位大，隧道顶部应力最小，应力增长率为8.1%，隧道右下脚的应力最大。这主要是因为该处受群桩中心影响很大，群桩运动带动隧道位移，使隧道拱脚位置应力集中。

4.4 桩基础荷载水平的影响

在上述标准模型分析中，选用的单桩工作荷载为1 765kN，为考察桩基础荷载对隧道变形及受力的影响，分别计算桩顶荷载为1.5倍及2.0倍工作荷载的情况。隧道拱腰两点和底部位移随桩基工作荷载的影响如图4所示。

图4 隧道特征点变形值随桩基础工作荷载的变化

从图4可见，隧道变形随荷载几乎为线性变化，即增长1倍的工作荷载，隧道沉降亦随之增长1倍。这主要是由于楼层较低，桩工作荷载较小，即使在2倍工作荷载情况下，桩基仍基本处于弹性工作状态。

5 结语

基于数值建模方法，对苏州轨道交通1号线保护区范围内苏州中心B-3区群桩工程进行计算分析，得出以下主要结论。

1）工作荷载下，群桩沉降造成土体位移以桩基础中心向外以近乎圆形衰减，桩基中心沉降最大值达18.25mm；土体产生的水平位移最大值为4.36mm。

2）隧道纵向位移图以及隧道中心面截面的整体位移矢量图表明隧道最大位移为6.03mm，发生在中心面位置。隧道以竖向沉降为主，水平位移仅占沉降的2.0%～26.3%，隧道有微弱沿顺时针方向转动的趋势。

3）隧道结构在桩基础施加荷载后Mises应力云图表明在中心剖面处受边界条件的影响，应力较其他部位大，隧道顶部应力最小。应力增长率为8.1%，隧道右下脚的应力最大。

4）保护区范围群桩基础施工及后期荷载作用后，对近距离轨道交通隧道结构有较大的影响，随着桩基荷载水平提高，其影响逐步呈线性增大；隧道结构沉降累计值发生较大位置为靠近基坑一侧的隧道拱腰位置，在2倍工作荷载情况下，拱腰沉降达14.0mm。