DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.02.019

桩基施工对邻近既有地铁隧道影响的数值分析

丁智，张霄

(浙江大学城市学院 土木工程系，浙江 杭州，310015)

摘要：采用数值分析方法，建立桩-隧相互作用的三维有限元模型，通过改变桩-隧相对位置、隧道埋深、水平净距、桩基半径和考虑群桩因素，研究静压桩基施工对软土地区既有地铁隧道的影响。研究结果表明：桩基侧面施工引起的隧道变形较大，且随着桩身与隧道水平净距增大，变形在传递过程中不断衰减；浅埋隧道受扰动影响较为敏感，产生变形较大；桩基半径增大也会加剧隧道结构的变形；桩基邻近既有地铁隧道施工的影响区可划分为强影响区、一般影响区和弱影响区；群桩中的已存在桩对挤土效应具有阻挡效应。

关键词：桩基施工；盾构隧道；隧道变形；影响分区

中图分类号：U459；TU473             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)02-0390-10

Numerical analysis of influence of pile foundation construction on adjacent metro tunnel

DING Zhi, ZHANG Xiao

(Department of Civil Engineering, Zhejiang University City College, Hangzhou 310015, China)

Abstract: The method of numerical analysis was used to establish three-dimensional finite element model of pile-tunnel interaction, and the influence of static pressure pile foundation construction on existing metro tunnel in soft soil was studied by changing the relative position of the pile-tunnel, the tunnel depth, the horizontal distance, the pile radius, and considering the group piling effect. The results show that tunnel deformation caused by the side of pile foundation construction is large. With the increase of net distance between pile and tunnel, the tunnel deformation is continuously attenuated in the process of transmission, and the degree of influence is gradually weakened. The shallow tunnel is sensitive to disturbance and presents huge deformation. The increase of pile radius will also aggravate deformation of the tunnel structure. It is proposed that the influence of pile construction adjacent to the existing metro tunnels is divided into strong influence areas, general influence areas and weak influence areas. It has been verified that the existing piles in the pile group have a blocking effect on the squeezing soil effect.

Key words: pile foundation construction; metro tunnel; tunnel deformation; affected area

近年来，随着我国城镇化进程的不断推进，各省市不断加快地铁隧道的建设，地铁线路也日益网络化、规模化。同时，城市许多高层建筑物邻近地铁隧道建造的情况愈发常见，其桩基对邻近地铁隧道的影响问题也越来越突出。显然，桩基施工极易造成周围土体扰动，继而引发邻近隧道产生较大附加变形和内力，隧道发生环缝错台、管片破损、渗透漏水等危害，甚至影响到地铁的正常运营，从而造成较大的经济损失和社会影响。目前，关于桩基础与隧道相互影响的研究主要集中在新建隧道对已有桩基的影响，而关于桩基施工对已建隧道的影响研究则相对较少^[1-3]。早在20世纪40年代，英国伦敦皇家音乐厅建造时便考虑了该问题^[4]。吕宝伟等^[5-6]利用数值软件计算了桥梁桩基施工对隧道结构的内力及位移影响。路平等^[7]采用三维有限元模拟桥桩基础施工及运营期荷载对既有地铁隧道结构产生的影响，指出了桥桩和地铁隧道长期变形的问题。秦世伟等^[8]基于圆孔扩张理论和FLAC^3D有限差分软件，运用位移贯入法模拟静压沉桩的摩擦作用，分析了更贴近实际的邻近地铁隧道的沉桩全过程计算结果。张戈等^[9-10]通过邻近地铁隧道的应变、道床位移、结构竖向、水平位移及收敛变形等监测数据对桥桩邻近地铁隧道施工影响进行了深入的分析与讨论。总的来说，当前国内外针对邻近地铁隧道桩基施工影响的相关研究仍较为缺乏。因此，本文作者利用Plaxis有限元软件模拟软土地区邻近既有地铁隧道的静压桩基施工挤土效应，并根据既有地铁隧道在不同桩基施工工况下的变化特点，得到在不同桩-隧相对位置、隧道埋深、水平净距、桩径、群桩遮挡等因素影响下的既有地铁的变形规律，同时基于有限元分析结果对桩基施工影响分区进行探讨。

1  有限元模型建立

1.1  模型尺寸及参数选取

采用Plaxis 3D有限元软件对桩基邻近地铁隧道施工进行模拟。模型x方向取60 m，y方向(为隧道开挖方向)取120 m，z方向取60 m，地下水位线位于-4.0 m处。模型上表面为自由面，下表面和侧面设置为固定约束。桩基半径为0.6 m，桩长为30 m；既有地铁隧道内径为5.5 m，外径为6.2 m，埋深为19.0 m，衬砌厚度为0.35 m。

为了对桩基施工引起软土地区隧道变形的变化进行分析，假定土层为单一的均质淤泥质粉质黏土，土体本构模型采用小应变土体硬化模型(HSS模型)^[11]。由于近年来静压桩工程常采用高强度混凝土，本次模拟选用的是强度等级为C60的混凝土，弹性模量E为3.6×10⁴ MPa，泊松比v为0.2。土层的相关参数是依据工程地质勘查报告经过合理分析后选取的，符合工程实际。已建盾构地铁隧道环宽1.2 m，选取百环距离120 m作为研究区间，衬砌采用板单元模拟，土体收缩率取0.5%。地基土、桩基混凝土以及衬砌的物理力学参数分别如表1~3所示。

1.2  有限元模型建立

利用Plaxis软件中的隧道模拟器建立既有隧道和桩基模型。隧道侧面添加负向界面和面收缩的命令以模拟隧道开挖过程中土体收缩和相对位移的影响，然后激活衬砌。桩基模型在侧面构造负向界面模拟桩-土相互作用，施加面荷载模拟静压桩沉桩力，施加侧向荷载模拟侧向沉桩挤土效应。根据文献[12]和[13]，为更好地模拟桩基挤土效应引起的土体位移，本文基于试验调整参数，取正向压力为3.5 MPa，侧向压力为1.0 GPa。有限元模型网格划分如图1所示。有限元模型建立与计算操作步骤如下。

1) 计算初始应力场，对土体施加该应力场，模拟土体的初始应力和土体的初始平衡状态。

2) 开挖土体，激活负向界面、面收缩以及衬砌管片，形成已建地铁隧道。

3) 重置位移为0 mm，改变桩基材料属性为混凝土，激活面荷载、侧向荷载和负向界面，得到桩基静压荷载时的初始地应力(因本文主要研究的是桩基施工引起的既有隧道变形，故将隧道开挖引起的变形清除)。

4) 计算得到既有隧道的变形和内力等。

表1  地基土物理力学参数

Table 1  Physical and mechanical parameters of foundation soil

表2  桩基混凝土物理力学参数

Table 2  Physical and mechanical parameters of pile foundation concrete

表3  隧道衬砌物理力学参数

Table 3  Physical and mechanical parameters of tunnel lining

图1  有限元模型网格划分

Fig. 1  Grid partition of the finite element model

2  结果分析

将图1中划分网格后的有限元模型经分步施工步骤得到各工况下的有限元模拟结果，并且考虑桩-隧道相对位置(改变桩长)、桩-隧水平净距、桩基半径、隧道埋深、群桩因素，分析桩基邻近地铁隧道施工下隧道变形的形态特征、横向和竖向变形规律。

2.1  桩-隧相对位置对隧道变形的影响

不同桩-隧相对位置如图2所示。保持隧道埋深-19 m不变，通过改变桩长实现不同的桩-隧相对位置关系，总结不同工况下既有隧道的变形形态和规律。计算工况如表4所示。

2.1.1  工况A-0

当桩基位于已建地铁隧道侧面时，工况A-0下隧道的变形示意图及云图分别如图3~4所示。由图3可知：受桩基挤土效应影响，桩周土产生了侧向土层位移，继而引起隧道产生较大的横向变形，且朝远离桩基的方向发展。同时，由于桩基沉降所引发的负向摩阻力带动土体向下，既有地铁隧道发生竖向的形变位移。这是因为沉桩过程中土体孔隙水应力呈先升高后缓慢消散的趋势，桩周土会发生径向再固结现象，桩周的侧壁摩阻力也增大，从而导致桩侧土体受到向下的负摩阻力作用。总而言之，A-0工况下隧道特别是在邻居桩基的一定环区间内出现“斜漏斗式”变形。

图2  桩-隧相对位置

Fig. 2  The relative position between tunnel and pile

表4  不同桩-隧相对位置对应的工况

Table 4  Working conditions corresponding to different relative positions between pile and tunnel

图3  工况A-0隧道变形示意图(放大5 000倍)

Fig. 3  Diagram of tunnel deformation displacement in case of A-0

此外，由图4可知桩基挤土效应造成既有地铁隧道变形的范围，通过测量后计算出桩基施工处地铁隧道±20 m区间内即为受影响变形范围。因此，在工程实际施工中，应加强对该区域的实时监测和安全防控。

工况A-0下盾构掘进方向上隧道竖向和横向位移曲线如图5所示。由图5可知：既有地铁隧道纵向表现为中部明显沉降，尾部和头部稍有抬起，且根据不同结构位置的位移图可知隧道截面拱顶向左，拱底向右，左侧拱腰向下，右侧拱腰向上，整体发生由“圆形”向“斜椭圆形”的变化。这是因为邻近桩基底部侧向土压力较大，引起变形作用更为突出，隧道呈现远离桩侧的逆时针旋转变形。另外，由图5(a)可知：拱顶的竖向位移在60环(即桩基位处)出现凸起，表明地铁结构受侧向土体挤压而呈类似于“竖鸭蛋”状。

图4  工况A-0隧道变形云图

Fig. 4  Tunnel deformation clouds in case of A-0

图5  工况A-0下隧道竖向及横向位移曲线

Fig. 5  Vertical and transverse displacement curves of tunnel in case of A-0

2.1.2  工况A-1

当桩基位于已建地铁隧道中部(即工况A-1)时隧道竖向及横向位移曲线如图6所示。由图6可知：A-1工况下地铁结构也出现了类似工况A-0中的“斜漏斗式”变形，且隧道中段发生竖向拉伸变形，形似“竖椭圆”结构。这是因为此时隧道位于桩基底侧，桩底应力集中导致邻近地铁隧道的中段区域挤压效果显著，因此隧道中段竖向位移也比工况A-0中的隧道中段竖向位移更大。由此可见，工况A-1下隧道变形趋势均与工况A-0的一致且其影响范围几乎相同。

图6  工况A-1下隧道竖向及横向位移曲线

Fig. 6  Vertical and transverse displacement curves of tunnel in case of A-1

2.1.3  工况A-2

当桩基位于已建地铁隧道斜上部(即工况A-2)时隧道竖向及横向位移曲线如图7所示。由图7可知：A-2工况下既有地铁隧道纵向表现为中部明显沉降，尾部和头部稍有抬起，横截面呈“斜椭圆形”，但已建隧道的竖向和横向变形均减小。这是因为此时桩基底部高于隧道顶，隧道处于桩基斜下方处，很大程度上只受到桩底的应力作用和桩侧负摩阻力带来的土体竖向位移，而桩侧的侧向挤土效应几乎无影响，故此工况下竖向位移占主要影响^[14]。

桩-隧不同相对位置隧道横向收敛变形曲线见图8。基于上述3个工况的分析结果并结合图8可知：工况A-0引起的隧道变形比工况A-1和A-2引起的隧道变形大，隧道出现明显的横向收敛变形，而工况A-2下隧道变形出现反向收敛，分析其原因：当桩基位于隧道斜上方时侧向挤土压力小，而桩底应力集中后期孔隙水压力消散，导致隧道发生了偏向桩基侧的二次变形。

图7  工况A-2下隧道竖向及横向位移曲线

Fig. 7  Vertical and transverse displacement curves of tunnel in case of A-2

此外，由图8还可以看出：隧道的收敛变形在影响区间内增长幅度明显，故应加强桩基附近隧道区间的保护监测。

图8  桩-隧不同相对位置隧道横向收敛变形曲线

Fig. 8  Lateral convergence deformation curves of tunnels with different relative positions of pile-tunnel

2.2  隧道埋深对隧道变形的影响

针对不同埋深(即隧道拱顶至地面的距离)的隧道，分析邻近桩基施工对其变形形态及规律的影响，不同隧道埋深对应的工况如表5所示(其中D为隧道直径)。

表5  不同隧道埋深对应的工况

Table 5  Working conditions corresponding to different tunnel depths

图9~11所示分别为不同埋深影响下既有地铁隧道的竖向和横向位移曲线。由图9~11可知：隧道横向和竖向位移均随着埋深增大而逐渐减小，即深埋隧道受影响程度小，表明土层既是传递变形的介质也提供了变形不断衰减的路径。因此，对于工程上的浅埋隧道变形应着重加以探讨和研究。此外，隧道变形形态都与工况A-0中的一致：工况B-1，B-2和B-3下隧道横向位移均出现明显的侧向移动，这与侧向挤土效应的压缩有关。而浅埋隧道中段的竖向拉伸变形十分明显，拱顶和拱底的相对位移差达1.5 mm，可见浅层土体敏感度较高，受扰动后产生的土体侧向变形较大。因此，对于浅埋隧道的近接施工要特别注意控制土体位移，宜采用微扰动施工。

图9  工况B-1隧道竖向及横向位移曲线

Fig. 9  Vertical and transverse displacement curves of tunnel in case of B-1

图10  工况B-2隧道竖向及横向位移曲线

Fig. 10  Vertical and transverse displacement curves of tunnel in case of B-2

图11  工况B-3隧道竖向及横向位移曲线

Fig. 11  Vertical and transverse displacement curves of tunnel in case of B-3

不同埋深隧道横向收敛变形曲线见图12。由图12可知：埋深较深的隧道(工况A-0和工况B-1)产生的横向收敛较小，而埋深较浅的隧道(工况B-2和B-3中)则有较大的收敛变形。这是由于浅层变形衰减较小，深层变形经长路径消耗较大，才导致不同埋深隧道对于土体变形影响的反应程度不同。因此，工程中应尽量避免在浅埋隧道附近施工，并加强危险区域的安全防控。

图12  不同埋深隧道横向收敛变形曲线

Fig. 12  Lateral convergence deformation curves of tunnels with different tunnel depths

2.3  桩-隧水平净距对隧道变形的影响

本文水平净距D定义为桩基中轴线至隧道邻近桩基侧外壁的距离。因地铁大多沿着城市道路建设，且实际施工中邻近桩基础的建设情况也较符合工况A-0的侧面施工，因此，本文针对不同桩-隧水平净距情况(桩长为30 m，桩基半径为0.6 m)，研究其对既有隧道的变形的影响。

图13所示为不同桩-隧水平净距下隧道的最大变形曲线。由图13可知：随着水平净距增大，既有地铁隧道的变形逐渐减小，而且由曲线幅度可知在较近距离时改变净距可有效减缓桩基施工的影响，而较远距离时由净距影响引起的变形差异则较小^[15-16]，特别在2.0D范围外曲线趋于平缓。这是因为，土体作为桩-隧道相互作用的媒介，承担着传递地层变形的效果。随着桩-隧水平净距不断增大，变形在传递过程中不断衰减，桩基施工的影响程度逐渐减弱。同时，不同埋深隧道由于受表层土体扰动影响不同，从而对净距改变引起变形的敏感性表现不尽相同，但变化趋势是一致的。

图13  不同桩-隧水平净距下隧道最大变形曲线

Fig. 13  The maximum deformation curves of tunnel under different horizontal distances between pile and tunnel

为了减轻邻近桩基施工的影响，通常情况下桩基础需要远离地铁隧道并限定施工方式^[17]。例如，在伦敦，要求非挤土桩和挤土桩距离隧道的最小距离分别为3和15 m；在新加坡，根据构筑物距离地铁隧道的距离在隧道两侧40 m范围分区域对待；在上海，按照距离隧道的距离分为3 m和30 m这2个区域分别对待。但总的来说，国内乃至国外尚未提出适用于不同土质条件的桩基邻近既有地铁施工的分区分级规定，导致其在实际工程中的应用缺乏灵活性。

2.4  影响分区

因数值仿真模拟与实际工程工况略有差异，考虑到若仅以数值计算变形结果进行分区暂无工程参考价值，故本文以深埋-19 m和浅埋-6 m工况为例，将0.5D净距影响下的隧道变形作为基准，计算其他净距影响下的隧道相对变形作为评判该工况下的影响程度，如表6所示。

由表6和图13可知：桩基邻近既有地铁隧道的影响分区可以桩-隧水平净距1.0D和2.0D为界，划分为强影响区、一般影响区和弱影响区。当水平净距小于1.0D时，邻近桩基施工引起的变形较大，当水平净距大于2.0D时，变形则相对减小。既有隧道周边区域的影响分区示意图如图14所示。在实际工程中，应尽量避免邻近既有地铁隧道2.0D范围内存在施工扰动行为，最优选择4.0D以外范围，以保证地铁结构的安全稳定。

表6  不同桩-隧水平净距下隧道相对变形

Table 6  Relative deformation of tunnel under different horizontal distances between pile and tunnel

图14  既有地铁隧道影响分区示意图

Fig. 14  Diagram of affected areas adjacent to existing metro tunnel

2.5  桩基半径对隧道变形影响

不同桩基半径对应的工况如表7所示。不同桩基半径下隧道最大变形曲线如图15所示。由图15可知：既有地铁隧道结构变形随桩基半径增大而变大，且隧道埋深较浅时这种影响更为突出。这是因为当桩基半径较大时，与土体的接触面积增大，相应的对土体的侧向位移影响也增大，造成挤土效应也更为显著。由此可见，在邻近既有地铁的桩基设计选型时，既要充分考虑桩基的竖向承载力，又要合理调整桩基半径和长度与隧道结构相适应，以达到减轻既有地铁变形的作用。

表7  不同桩基半径对应的工况

Table 7  Working conditions corresponding to different pile radius

图15  不同桩基半径下隧道最大变形曲线

Fig. 15  The maximum deformation curves of tunnel under different pile radius

2.6  群桩阻挡效应对隧道变形的影响

因实际工程中桩基一般都是以群桩的形式出现，有必要考虑群桩效应下已压入桩的阻挡作用。本文通过数值模拟比较既有桩基存在对地铁隧道结构的变形遮拦影响，结果如表8所示。由表8可知：在无压入桩基的1.0D工况下，隧道最大变形为0.986 6 m，而存在已压入桩基后的隧道变形减小为0.563 4 m，变形相对减小42.9%，其余工况下隧道变形也有一定程度的减小。

由此可见，群桩中的已存在桩对挤土效应有明显阻挡作用，即为对土体水平位移、竖向位移的遮拦效应^[18]。对于已建隧道，邻近群桩施工过程中，由于已压入的桩基作为一种高强混凝土结构，在土体中充当了挡土墙，即在桩-土交互面存在软硬连续的隔离面，当土层变形到达此处时，混凝土结构便可抵挡或削减一部分传递，从而消除了一定的土体水平位移。而且后桩受到前桩压入引起的土体摩擦作用加强，其周围土体的水平位移与竖向位移变小。所以，后施工的桩基对已建隧道的影响程度较小。在实际施工中，从经济角度考虑，可着重对首桩施工时的土体变形数据进行监测，并合理安排桩基的施工顺序和排列。

表8  群桩遮挡影响工况

Table 8  Working conditions affected by shelter of group pile

3  结论

1) 桩基位于隧道侧面施工时引起的隧道变形较大，隧道纵向表现为中部明显沉降，尾部和头部稍有抬起，横截面呈“斜椭圆形”，整体逆时针旋转；变形影响范围为桩基施工处隧道的±20 m区间，实际工程中应加强对该区域的实时监测和安全防控，以降低施工所带来的影响。

2) 既有地铁隧道各项变形与隧道埋深成反比，与桩基半径成正比，与桩-隧水平净距成反比，且浅埋隧道敏感度较高，受扰动变形影响大，故对于浅埋隧道的近接施工要特别注意控制土体位移，采取微扰动施工，同时应控制桩-隧水平净距的大小和桩基的合理选型。

3) 根据桩-隧水平净距的不同，桩基邻近既有地铁隧道的施工影响区可划分为强影响区、一般影响区和弱影响区；在实际工程中，应尽量避免邻近既有地铁隧道2.0D范围内存在施工扰动行为，最好是选择4.0D以外范围，以保证地铁结构的安全稳定。

4) 群桩中的已存在桩对挤土效应有明显的阻挡作用，即对土体水平位移、竖向位移的遮拦效应，故后施工桩对已建地铁隧道的影响相对较小。因此，实际施工过程中可着重对首桩施工时的土体变形进行监测，并合理安排桩基的施工和排列顺序。

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(编辑  伍锦花)

收稿日期：2018-03-22；修回日期：2018-05-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51508506，51778576)；浙江省重点研发计划项目(2017C03020)；浙江省交通运输厅科研计划项目(2017006)；杭州市科技计划项目(20160533B94，20172016A06，20180533B06，20180533B12)(Projects(51508506, 51778576) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017C03020) supported by the Key Research and Development Program of Zhejiang Province; Project(2017006) supported by Research Program of Zhejiang Provincial Department of Transportation; Projects (20160533B94, 20172016A06, 20180533B06, 20180533B12) supported by the Science and Technology Program of Hangzhou City)

通信作者：丁智，博士，副教授，从事地铁施工及运营对周边环境影响研究；E-mail：dingz@zucc.edu.cn