【摘  要】 隧道开挖不可避免的会影响围岩的变形，从而对周围的既有基础及结构物产生复杂的影响，且多为不利影响。本文针对某市地铁区间盾构的设计及施工方案，运用有限元计算方法，分析了双洞盾构施工情况下，隧道开挖对邻近桩基础的影响规律，得到了桩基位移及内力变化的最不利时刻，进而寻找到在桩基最不利的位移及内力的变化特征，能够为类似的工程设计及施工提供参考。

【关键词】 盾构; 桩基础; 围岩; 有限元

 

      随着我国城市轨道交通飞速发展，人们对地铁隧道开挖对周围环境的影响日趋关注。其中，隧道施工引起地面变形和对周围建筑结构物的影响是主要环境问题。隧道施工引起地面变形可分为两个部分: ①开挖产生的沉降，主要是因为隧道开挖时开挖面土体向隧道内移动所引起的地表沉降、支护变形引起的沉降和隧道结构整体下沉引起沉降; ②固结沉降，主要是由于隧道施工导致含水地层的固结沉降。地铁开挖对地面及桩身内力及位移的研究有过一些研究，但大多只考虑了单线隧道开挖对桩基的影响。本文拟结合某市地铁施工建设，应用数值模拟的方法对不同条件下，隧道双洞开挖对邻近桩基的变形研究。

 

      某市地铁施工段，起点里程 CK11 +370，终点里程CK14 + 661，全长近 2. 3km，区间隧道采用土压平衡盾构机施工。该区段上层为粘土层、碎石层，下层为钙质板岩，岩体较为完整。该地区气候属温带季风气候，并具有海洋影响的特点。冬季气温较低，降水较少。夏季气温较高，降水集中，较多。气候和降雨量随冬夏季风的转换而变化。每年 5 ～9 月为雨季。

 

      数值模拟的思路是应用 abaqus 有限元分析软件，分析模拟隧道开挖的过程。在此基础上，针对双洞之间的距离、桩基和隧道的距离和桩基埋深的不同，研究地面变形的变化规律和桩基内力及位移规律，并对类似工程提出了控制建议。

      模型埋深 H =27m，洞径 D = 6m，混凝土衬砌厚度h = 0. 15m，桩径 d = 1. 0m，围岩长 120m，高 60m。两洞的间距分别取 2D，3D，4D，5D。桩的位置均取在两洞中间处。土体变形模量为 20MPa，泊松比为 0. 35，粘聚力为 0. 1MPa，内摩擦角取 30°，重度取 16kN·m^{－ 3}，采用摩尔库伦弹塑性本构模型进行计算分析。

 

      为了研究桩基内力及位移的变化规律，我们需要找到内力及位移变化的最不利时刻，见图 1 ～ 图 4。

      从图 2、图 4 可以看出，桩基在整个过程中，轴力基本保持不变，而竖向位移则随着整个过程做非线性的变化，所以桩基在整个开挖过程中为整体沉降。由图 5 可知，沉降在开挖后阶段会剧烈变化，在支护起作用后，又会有向上隆起的倾向，可以理解为支护强度比周围围岩大得多，出现过支护现象。根据桩基沉降的特点，我们选取了第二洞开挖阶段，围岩开挖失去强度的时刻作为最不利时刻。

      从图 1 可知，中点和桩底的剪力变化规律不相同。在桩底，剪力呈 S 形变化，其中最大值在第二次洞开挖阶段。同时发现第一洞开挖阶段，剪力值逐渐减少，并有反向的趋势，所以在桩基加固时，需充分考虑是否会出现方向剪力的可能性。在中点，剪力最大值出现在支护强度完全发挥的时刻，说明在支护阶段，桩基中点的剪力依然在增加。同时当第二洞开挖时，中点的剪力逐渐减少。因此，选取第一洞支护强度完全发挥的阶段和第二洞开挖阶段作为最不利时刻。

      从图 3 可知，桩基水平位移最大值出现在第一洞开挖阶段，而且水平位移增加速度非常快。在支护阶段水平位移会有所减少，原因如沉降分析中所述，此阶段出现过支护现象。同时在第二洞的开挖阶段出现了负方向的水平位移。因此，我们选取第一洞开挖阶段作为最不利时刻。

 

      通过时间历程分析所选择的最不利时刻，分别对轴力、沉降、剪力以及水平位移进行分析。

      由图 5 可知，轴力在桩的长度范围内呈线性变化，且随着桩与隧道的距离增加而增加。当两洞的间距达到 4D 后，轴力增加的并不明显。可以认为当桩基与隧道间距大于 2D 时，轴力保持不变。

      由图 6 可知，沉降在桩身长度范围内呈线性变化，且随着桩与隧道的距离增加而减少。同时，沉降沿长度范围内变化率仅为 1/10000，也验证了在时间历程分析中的结论，桩基在整个开挖过程中为整体沉降。

      由图 7、图 8 可知，桩的剪力主要集中在从底端向上的 6m 范围内，且桩端附近数值最大。还可以发现，桩基与隧道距离较近时，负向剪力比较大; 桩基与隧道距离较远时，会产生比较大的正向剪力。所以在进行桩基加固时，需要对桩端格外重视。

      由图 9 可知，在上半部分，桩的水平位移以弯曲变化为主; 在下半部分，桩的水平位移变化较大，随着桩基与隧道的距离增加而减少，且呈刚性变形，表现为整体倾斜。从桩的倾斜程度考虑，随着桩与隧道距离的增加，其倾斜程度也增加。可以认为由于隧道的开挖，其周围土体向隧道方向辐射状收缩，使得桩的下半部分整体倾斜; 而地表土体由于远离开挖面，其约束表现为使桩的上半部分呈弯曲变化的趋势。

      综上所述，本文采用了有限元计算的分析方法，研究了在地铁施工对邻近桩基的影响问题，探索了在双洞开挖对桩基的内力及位移的影响规律。研究表明: ①双洞开挖条件下，桩表现为整体下沉的趋势，轴力随着桩与隧道的距离增加而增加，达到 2D 距离后，轴力趋于稳定; ②桩的水平位移分成两个部分特征，其上部成弯曲变化特征，下部成整体倾斜的特征; ③桩的剪力主要集中在桩底 6m 范围内，且在底端附近有较大的变化，甚至产生相反方向剪力，对桩的安全非常不利，需要格外注意。

 

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