隧道開挖對樁基的影響

王 紅，吳文釵

(1.江西贛粵實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，江西 南昌 330046；2.豫章交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

0 引 言

隨著國家城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大量的人口向大城市遷徙，逐漸形成“城市綜合征”，主要表現(xiàn)在城市車輛多，人流量大，行車緩慢。根據(jù)相關(guān)研究，在北京、上海一線城市，每公里道路上汽車的擁有量約為350輛、505輛，超過發(fā)達(dá)國家好幾倍[1]，因此為解決地面交通問題，地下空間的利用將成為城市建設(shè)發(fā)展的趨勢，地下空間進(jìn)行開發(fā)提高不僅能解決路面的交通問題，還能充分利用土地的利用率，節(jié)約土地資源、改善城市的環(huán)境污染及生態(tài)環(huán)境。目前我國許多城市都已經(jīng)在大量開發(fā)地下工程，我國已成為世界上地下空間的利用大國[2]。但是當(dāng)?shù)叵滤淼篱_挖到一定的深度后，地層的變形將會(huì)加大，當(dāng)超過規(guī)定范圍時(shí)將會(huì)危及到鄰近建筑物的安全。近年來因隧道開挖而導(dǎo)致的工程問題日益增多，尤其是隧道開挖對既有建筑樁基的影響。

目前我國在這方向的研究較少，本文對隧道開挖過程中引起土體變化的機(jī)理及土體位移進(jìn)行分析；對隧道開挖過程中單樁與群樁的內(nèi)力及變形進(jìn)行分析研究。

1 隧道開挖對土體的影響

在隧道的開挖過程中，無論是采用盾構(gòu)法、新奧法還是其它的施工方法，都會(huì)對周圍巖土體產(chǎn)生影響，引起巖土體的運(yùn)動(dòng)或破壞。研究表明，隧道開挖而引起周圍土體的位移，可以分為橫向斷面的沉降和縱向方向的變形。許多研究學(xué)者對土體位移展開研究，其中Peck[3]基于大量的地表沉降數(shù)據(jù)并對大量的實(shí)際工程進(jìn)行分析后，首次提出了關(guān)于地表沉降所呈現(xiàn)的狀態(tài)曲線，即正態(tài)分布曲線的概念；詹美禮等人[4]根據(jù)有限元分析理論建立計(jì)算公式和分析方法，通過粘彈塑性雙屈服面流變模型，對地表的實(shí)測沉降值與數(shù)值模擬計(jì)算沉降值進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明所建立的模型具有一定的正確性；鐘小春[5]通過具體的試驗(yàn)，對盾構(gòu)隧道管片壓力進(jìn)行研究，提出接頭剛度雙直線模型，為接頭構(gòu)造的選擇提供依據(jù)；楊敏等人[6-7]對長期重復(fù)加卸載作用下土體與臨近樁基相互作用進(jìn)行系統(tǒng)分析,探討了長期重復(fù)加卸載作用下有樁和無樁時(shí)土體沉降和側(cè)移的變化規(guī)律,研究得到軟土屈服面衰減系數(shù)、臨界重復(fù)應(yīng)力水平、臨近樁基剛度等變化時(shí)與樁土變化的關(guān)系；孫慶等人[8]對隧道開挖時(shí)對隧道的瞬時(shí)影響及長期影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：樁基反應(yīng)都是隨著隧道與樁間距的增加而減小，隧道開挖引起的樁身最大軸力和彎矩出現(xiàn)在隧道起拱線附近，隨著時(shí)間的推移，樁身彎矩和側(cè)向變形、地面的沉降都逐漸增加，因此隧道開挖對樁基的長期影響不可忽略；李早等人[9]利用有限元軟件分析隧道開挖對群樁位移與內(nèi)力的影響，提出具體的分析計(jì)算方法。

1.1 隧道開挖對土體水平位移的分析

隧道開挖對土體的影響是全面的，包括水平的位移及豎向的位移。

利用有限元軟件分析隧道開挖對土體水平的位移的影響，本文以模擬實(shí)際工程隧道進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的過程中隧道的參數(shù)選取如表1所示。

表1 隧道參數(shù)表

對水平位移的模擬研究結(jié)果如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)在隧道的中軸線以上，土體的水平位移大致呈現(xiàn)出半拋物線的性狀，在隧道的中軸線以下，土體的水平位移值較小，直到后面趨近與零，并且發(fā)現(xiàn)隨著隧道埋深的增大，土體的水平位移將隨深度的增加而減少。當(dāng)隧道埋深為15 m時(shí)，土體的理論水平位移最大值約為5 mm，離心試驗(yàn)水平位移最大值約5 mm；當(dāng)隧道埋深約為21.5 m時(shí)，土體的理論水平位移最大值約為3.75 mm，離心試驗(yàn)水平位移最大值約6 mm；當(dāng)隧道的埋深適中時(shí)，其理論值與試驗(yàn)值最為接近。

圖1 隧道開挖時(shí)土體水平位移變化圖

1.2 隧道開挖對土體豎向位移的分析

隧道開挖對土體豎向位移的影響曲線大致呈現(xiàn)正太分布曲線，具體如圖2所示。

圖2 隧道開挖時(shí)土體豎向位移示意圖

分析隧道開挖對土體豎向位移的變化，本文以模擬實(shí)際工程隧道進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的過程中隧道參數(shù)選取同表1。

根據(jù)表1的參數(shù)結(jié)合相關(guān)的豎向位移計(jì)算公式，對土體的豎向位移進(jìn)行計(jì)算，分別計(jì)算隧道埋深為11 m，9 m，7 m，5 m，3 m，0 m情況下的土體豎向位移。

當(dāng)隧道的埋深為0 m時(shí)，隧道的地表豎向位移最大，隨著隧道的埋深加大，地表的豎向沉降逐漸減少，當(dāng)隧道埋深大于7 m時(shí)，甚至出現(xiàn)“正”的豎向位移，即出現(xiàn)向上的位移，出現(xiàn)這種情況，可能與所使用的施工方法有關(guān)。

2 隧道開挖對單樁與群樁的影響分析

2.1 隧道開挖對單樁內(nèi)力及變形的影響分析

隧道開挖對單樁的影響包括對單樁的豎向影響及水平影響。

對于單樁的豎向影響可以根據(jù)公式(1)來計(jì)算，該公式是在Winkler的地基模式上，通過假定樁與土體之間不發(fā)生滑移，將樁與土體之間的相互作用用連續(xù)的分布彈簧來進(jìn)行模擬。而單樁的水平影響可以根據(jù)公式(2)來進(jìn)行計(jì)算，在進(jìn)行樁身的水平內(nèi)力及變形計(jì)算時(shí)，需對樁及土體等進(jìn)行假定。如需將樁假定為彈性地基來進(jìn)行計(jì)算，將土體按連續(xù)均質(zhì)的彈性體進(jìn)行考慮，土與樁之間采用連續(xù)分布的彈簧模擬，保證土樁不分離，還需要不考慮樁頂?shù)呢Q向荷載。

(1)

(2)

式中：Wz為隧道開挖所引起的樁基沉降；λ為Winkler水平向的地基參數(shù)。

本文以某隧道工程實(shí)例為背景，對隧道開挖導(dǎo)致的單樁內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，隧道的參數(shù)同表1，樁身的參數(shù)如表2所示，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

表2 樁身參數(shù)表

圖3 隧道開挖時(shí)土體沉降、樁基沉降及樁基的軸力圖

從圖3中可以看出，當(dāng)不考慮樁基的影響時(shí)，對于埋深為10 m的隧道，土體的最大位移將發(fā)生在隧道的中軸線之上，最大值約為23.5 mm。而中軸線以下的土體沉降很小，接近于0。并且發(fā)現(xiàn)對于樁基的豎向沉降而言，其沉降的最大值約為13.5 mm，同樣是發(fā)生在隧道的中軸線上方。但整體上樁基的豎向沉降變化不大，這主要是因?yàn)闃蹲陨韯偠鹊挠绊?。在樁軸力方面，樁基軸力由樁頂?shù)剿淼乐休S線附近逐漸增大；當(dāng)過了隧道中軸線之后，樁基的軸力又開始逐漸減小，一直減小到樁底。樁身的最大軸力約為780 kN，最小值在樁底，大約為115 kN。

2.2 隧道開挖對群樁內(nèi)力及變形的影響分析

隧道開挖對群樁而言存在問題比單樁要復(fù)雜的多，不僅要考慮荷載因素，還與土體的性質(zhì)有關(guān)，并且還與樁的樁數(shù)，樁之間的樁距，樁的布置情況等因素有關(guān)系。目前隧道開挖對群樁影響的研究法主要包括數(shù)值計(jì)算方法和解析法。

本文通過實(shí)例研究隧道的開挖位置對群樁樁基的影響，采用解析法進(jìn)行分析，解析法的分析模型如圖4所示。隧道及群樁的參數(shù)如表3及表4所示。

表3 隧道參數(shù)表

圖4 群樁解析分析模型圖(單位：m)

表4 群樁參數(shù)表

(1)近樁與隧道中心間距離對群樁樁基的影響分析

本文研究在隧道的埋深不變情況下，計(jì)算群樁中樁中線與隧道中線距離不同時(shí)，隧道開挖對群樁的影響，不同的距離分別包括15 m、12.5 m、10 m、7.5 m及5 m。

當(dāng)隧道的埋深一定時(shí)，隧道的開挖將會(huì)使樁基的樁身軸力呈拋物線的變化趨勢，也就是說樁的軸力將出現(xiàn)兩頭小中間大的情況，并且從圖中還可以發(fā)現(xiàn)隨著樁與隧道中心線距離的增大，樁身的軸力將逐漸的減小，并且群樁的近樁中的樁身軸力要比單樁時(shí)的樁身軸力小的多，這主要是因?yàn)樵谌簶吨校鱾€(gè)樁之間會(huì)相互作用。

(2)隧道的埋深對群樁樁基的影響分析

本文研究在樁與隧道中心間距離保持不變的情況下，計(jì)算隧道埋深不同時(shí)，隧道開挖對群樁的影響，不同的埋深距離分別包括20 m、15 m、10 m、及5 m。

隧道的開挖將會(huì)使樁基的樁身軸力呈拋物線的變化趨勢，并且隨著隧道埋深的增大，拋物線的特征將越不明顯。當(dāng)隧道埋深為5 m時(shí)，樁身軸力拋物線最明顯，樁身軸力也最大，出現(xiàn)在隧道中心線附近，約為380 kN；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下，近樁的樁身軸力將比遠(yuǎn)樁的樁身軸力大1.1～1.6倍，當(dāng)隧道的埋深大于樁長的1倍時(shí)，樁身的軸力值大約是樁頂豎向承載力設(shè)計(jì)值的0.1倍；同時(shí)發(fā)現(xiàn)在相同的條件下，群樁中的樁身軸力要比單樁時(shí)的樁身軸力小，這主要還是因?yàn)樵跇度褐?，各個(gè)樁之間所存在的相互作用。

3 結(jié) 論

本文在國內(nèi)外現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的研究方法，對隧道開挖引起土體變化的機(jī)理及土體位移進(jìn)行分析；對隧道開挖引起的單樁與群樁的內(nèi)力及變形進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明:隧道的開挖將會(huì)引起土體的水平及豎向的位移，隧道的埋深對位移的影響較大，當(dāng)隧道埋深過淺將會(huì)導(dǎo)致土體水平位移及豎向位移加大，當(dāng)埋深過大，對施工及施工機(jī)具的選擇都將帶來困難；同時(shí)隧道開挖對樁基的影響也較大，會(huì)導(dǎo)致樁受到水平力作用，對樁基不利，因此對于樁基的設(shè)計(jì)以及隧道的開挖設(shè)計(jì)需采取措施設(shè)防。