地铁盾构隧道穿越对建筑物桩基础的影响
2011-01-13 19:09
地铁盾构隧道穿越对建筑物桩基础的影响分析
【摘 要】针对上海虹桥综合交通枢纽工程地铁2号线和10号线地铁盾构隧道穿越对西航站楼桩基础的影响问题，采用两阶段分析方法对盾构隧道穿越对建筑物桩基础的影响进行分析研究。分别采用简化分析方法和位移控制有限元方法，对单隧道工况和多隧道工况下盾构隧道穿越对PHC桩基础的影响进行分析。结合分析结果提出相关工程设计措施，采用位移控制有限元方法进行多隧道工况下考虑工程措施的影响分析，并在实际工程中应用。盾构隧道穿越过程的相关监测结果表明，盾构穿越对西航站楼基础结构的影响都在安全可控的范围内。
【关键词】盾构隧道；上部结构；桩基础；两阶段分析方法；位移控制有限元
引言
随着沿海软土地区城市轨道交通建设的快速发展，城市的地铁盾构隧道穿越周围通常存在已建的建（构）筑物。特殊情况下，盾构隧道需穿越已建建筑物的桩基础。盾构施工产生软土地层土体损失，从而导致隧道附近土体应力场发生重分布，邻近桩基周边法向应力将有不同程度的释放，使得桩基的承载能力折减。同时，隧道施工引起隧道周围地层移动，其产生的自由土体位移场使得工作状态的桩基产生附加的弯矩和变形，对桩基础的使用安全产生风险。地铁盾构隧道穿越对邻近建筑物桩基础的影响分析成为当前城市地下空间开发中的热点问题。
在上海虹桥综合交通枢纽西航站楼工程中，根据地铁线路施工的工期安排，地铁2号线和10号线的地铁盾构隧道在西航站楼桩基础和上部结构施工完成后先后进行。地铁盾构隧道距离两侧工程桩的距离仅有约2.4～4.8 m，剖面关系图见图1。在盾构隧道穿越已建建筑物桩基础时，盾构的掘进会产生土体损失和应力释放，对邻近桩基产生不可忽视的影响，需要对盾构隧道穿越对桩基础的影响进行分析，并在西航站楼桩基础设计过程中采取相关技术措施。针对上海虹桥综合交通枢纽工程地铁盾构隧道穿越对西航站楼桩基础的影响问题，采用两阶段分析方法对盾构隧道穿越对上部结构桩基础的影响进行分析研究。分别采用简化分析方法和位移控制有限元方法，对单隧道工况和多隧道工况下盾构穿越对PHC管桩桩基础的影响。结合分析结果，提出减小盾构隧道对桩基础影响的相关工程设计措施。采用位移控制有限元方法进行多隧道工况下考虑工程措施的影响分析。
1、相关分析方法
桩和盾构隧道之间的相互作用是一个复杂的土和土中结构物相互作用问题，隧道施工对临近桩基础影响的实质是一种被动桩的问题。被动桩承受盾构隧道穿越导致的周围土体位移和应力释放，而产生附加的桩身位移和内力。当前，国内外对于被动桩的分析方法大致分为两类：整体分析法和两阶段分析法。
1.1整体分析方法
整体分析法就是将桩与周围土体以及引起土体位移的隧道施工视作一个整体，通常采用三维整体有限单元法或有限差分法进行整体数值分析，计算隧道施工荷载引起的土体位移作用下被动桩的力学反应。
Mroueh和Shahrour[1]采用三维有限元程序PECPLAS模拟隧道施工的真实过程分析隧道施工对桩基及上部结构的影响，土体采用非相关联的Mohr-Coloumn准则理想弹塑性模型。卿伟宸和廖红建[2]基于黄土地层情况，采用邓肯—张的非线性本构模型,建立了隧道、桩与土相互作用的二维有限元模型，讨论了黄土地层中盾构隧道穿越对邻近桩基础的影响规律。整体分方法计算量大且建模复杂，往往需要专业的软件，不易被工程设计人员接受，另外真正准确模拟隧道施工的全过程和各个环节是很困难的。
1.2两阶段分析方法
两阶段分析方法就是将土体位移对被动桩的影响过程分为两个阶段：第一阶段，采用经验方法、解析法或有限元法估算无桩时外荷载引起的自由位移场；第二阶段，将第一阶段得到的自由位移场施加于桩身，得到桩基的力学反应。相对于整体分析法，两阶段分析方法意义明确，计算简便，易于工程设计人员所接受。常用的两阶段分析方法有简化分析方法和位移控制有限元方法。
（1）简化分析方法
采用简化解析方法进行两阶段分析，首先采用Loganathan和Poulos[3]提出的解析解估算由于隧道开挖引起的土体自由位移场：其次，基于Winkler地基模型，建立单桩在被动位移下的控制方程及其差分形式矩阵；考虑群桩中“被动桩”的存在对土体自由场的约束作用，通过剪切位移法及Mindlin解得到竖向和水平向土体位移传递系数，以考虑被动群桩的桩桩相互作用，计算群桩的遮拦位移；最后通过叠加原理计算群桩由于隧道施工产生的位移和内力。简化分析方法相对于整体分析方法来说，意义明确且计算简单，但仅能分析单个隧道工况下的土体位移场，无法考虑多个隧道等复杂情况。
（2）位移控制有限元方法（DCM）
位移控制有限元方法依照应力释放的思想[4-5]，考虑利用现场监控数据或预期隧道断面的变形，将位移加载边界引入隧道施工有限元模拟中，采用有限元方法分析邻近桩基础的受力和变形。具体方法利用位移荷载代替隧道边界的释放载荷，直接将隧道的位移值施加到隧道边界，进而求得周围土体的位移变化。根据实际监测结果，隧道断面径向变形在短期内呈现的是径向非均匀收缩变形，而不是径向均匀收缩变形，本文采用位移边界条件采用径向非均匀收缩变形模拟，如图2所示。位移控制有限元的优点是基于隧道开挖的地层损失比给出精确的土体位移范围限制，不需要精确模拟盾构施工开挖的过程，可以考虑多个隧道等复杂情况。
针对本工程地铁2号线和10号线多条盾构隧道穿越对西航站楼桩基础的影响问题，本文采用两阶段分析方法进行盾构隧道穿越对桩基础的受力和变形的影响分析。
2、单隧道工况分析
分别采用简化分析方法和位移控制有限元方法（DCM），对单隧道工况盾构穿越对邻近西航站楼PHC桩基础的影响进行分析，并对比2种方法的计算结果，验证结果的合理性。
2.1简化分析方法
（1）计算模型和参数
西航站楼桩基础拟采用Ф600PHC管桩，桩长为72.5 m，桩径600 mm，壁厚110 mm，桩身采用C80混凝土。根据现场勘察资料，选取典型剖面进行分析，计算模型如图3所示，沿隧道轴线方向桩间距为2.57m，垂直隧道轴线方向桩间距为3.38 m；隧道中心线距地表约12.76 m，隧道中心纵轴线距近桩轴线6.31m，隧道中心纵轴线距远桩轴线9.69 m。如图3所示。土层条件和参数如表1所示。
（2）计算结果
采用Loganathan和Poulos[3]提出的解析方法计算单个隧道施工引起的土体位移场，考虑盾构隧道穿越的地层损失比分别为2.5%。首先计算土体自由位移场，得到土体自由位移场作用下桩身竖向和水平向位移控制方程，利用有限差分方法计算单桩的力学反应；最后利用位移传递系数计算群桩的反应。采用简化分析方法计算得到的单个隧道穿越对邻近桩基础产生的附加水平位移和附加弯矩结果如图4所示。
如图所示，单个隧道施工导致邻近桩基础的最大水平位移约9.1 mm，盾构隧道穿越导致临近桩基础产生最大附加弯矩约为107.6 kN·m。最大水平位移和最大弯矩发生在隧道中心线附近。
2.2位移控制有限元方法（DCM）
（1）计算模型
为了验证简化分析方法的计算结果，采用位移控制有限元方法进行单隧道工况下盾构穿越对桩基础的影响分析。采用图3隧道和桩基础平面和竖向布置，进行模型简化，建立隧道、桩基础和分层土体三维模型，尺寸为40 m×40 m×87 m。如图5所示。
模型的边界条件为底面完全约束，侧面水平向约束，顶面则为自由面，考虑到简化分析，土体采用实体单元，桩采用梁单元，承台采用实体单元，桩和承台的材料采用混凝土材料。土层参数按照表1所示。
（2）计算结果
采用位移控制有限元方法进行单隧道工况下邻近桩基础的影响分析。考虑盾构隧道穿越阶段的地层损失比分别为2.5%，采用隧道的不均匀变形模式，直接将隧道的位移值施加到隧道边界，模拟单个隧道施工对临近桩基础的影响。采用位移控制有限元法方法计算得到的单个隧道穿越对邻近桩基础产生的附加水平位移和附加弯矩结果如图6所示。
如图所示，单个隧道施工导致邻近桩基础的最大水平位移约9.0 mm，单个盾构隧道穿越导致隧道位置临近桩基产生附加弯矩约为144.5 kN·m。最大水平位移和最大弯矩发生在隧道中心线附近。
2.3计算结果对比
分别对比简化分析方法和位移控制有限元方法计算得到的单隧道工况下的PHC桩基础的附加水平位移和水平弯矩，单个盾构隧道穿越导致隧道位置临近桩基产生的最大桩身附加弯矩约为100～140 kN·m。桩基础的最大水平位移约为10 mm。最大水平位移和最大弯矩均发生在隧道中心线附近。
2种不同方法计算得到的桩的最大水平位移和附加弯矩结果得到了较好的一致性，单个隧道穿越对结构PHC桩基础影响明显，同时也验证了两种计算方法的合理性。如考虑双盾构隧道穿越的叠加影响，盾构隧道穿越对邻近桩基础的影响将更大。
3、双隧道工况分析
简化分析方法无法分析多个隧道穿越的复杂工况，本工程需要考虑盾构穿越的叠加效应，分析多个隧道穿越的实际工况下桩基础受力和变形的变化情况。因此，在单隧道工况分析的参数基础上，采用位移控制有限元法进行双隧道工况下桩基础的受力和变形的计算分析。
3.1 PHC桩基础影响分析
（1）计算模型
桩基础采用Φ600PHC管桩，桩长、桩径和桩身强度和单隧道工况计算模型相同。两个隧道直径均为6.2 m，中心线距地表约12.76 m，结合西航站楼盾构穿越区域桩基平面和竖向布置，进行模型简化，计算剖面示意图如图7所示。建立隧道、桩和分层土体的三维模型如图8所示。三维模型的边界条件、单元类型和材料参数同前。考虑盾构隧道穿越阶段的地层损失比均为2.5%，采用隧道的不均匀变形模式，将隧道的位移值施加到双隧道边界，进行双隧道施工对邻近PHC桩基础的影响。计算得到距离右侧隧道最近的PHC管桩的水平位移和附加弯矩结果如图9所示。
（2）计算结果
由图可知，考虑到双隧道施工影响的叠加效应，盾构隧道穿越导致临近PHC桩基础产生桩身最大水平位移约18.9 mm。最大附加弯矩约为180 kN·m。
3.2工程设计措施及相关分析
（1）工程设计措施
在双隧道工况下隧道穿越导致PHC管桩基础最大附加弯矩约为180 kN·m，同时桩顶产生18.9 mm的附加水平位移；如考虑上部结构竖向荷载作用，盾构施工过程中，Ф600PHC桩基础还将承受上部竖向荷载在附加水平位移情况下产生的弯矩，二者叠加，盾构穿越产生的附加弯矩已超过了单桩的抗弯承载力，是不安全的。因此需要在西航站楼盾构穿越区域的桩基设计中采取相关工程措施，确保盾构隧道穿越过程中桩基和上部结构的安全。
结合理论分析结果，在西航站楼桩基础设计中采取下列工程措施：邻近盾构隧道的桩基础桩型调整由Φ600 PHC管桩调整为Φ850钻孔灌注桩，增加桩体水平刚度；在盾构隧道与邻近桩基间设置单排三轴水泥土搅拌桩隔离措施。
（2）相关计算分析
采用位移控制有限元方法，对双隧道工况下考虑相关工程设计措施的分析，采用图8的三维有限元模型，桩基础采用Φ850 mm钻孔灌注桩，桩身材料为C35混凝土。桩基础和隧道之间的隔离搅拌桩采用实体单元模拟，水泥土搅拌桩的模量根据相应位置土层的弹性模量，放大15%选取。隧道不均匀变形模式同前，采用位移控制有限元方法进行计算，结果如图10所示。
如图所示，盾构隧道穿越导致邻近Φ850钻孔灌注桩产生桩身最大水平位移约11.5 mm。最大附加弯矩约为80.8 kN·m。对比“Φ600PHC管桩＋无搅拌桩隔离”和“Φ850钻孔灌注桩＋单排搅拌桩隔离”2种工况下相同位置桩基础的受力和变形，采取工程设计措施后，桩基础的最大附加水平位移减小了39.5%，最大附加弯矩减小了54.8%。计算结果表明，考虑到桩身刚度加强并采取三轴搅拌桩隔离的措施，可以有效的减小了隧道施工对桩基础附加受力及变形的影响，桩基础的附加受力满足单桩的抗弯承载力。
4、结语
本文针对上海虹桥综合交通枢纽工程地铁2号线和10号线地铁盾构隧道穿越对西航站楼桩基础的影响问题。分别采用简化分析方法和位移控制有限元方法，进行单隧道工况和多隧道工况下盾构穿越对PHC桩基础的影响，盾构隧道穿越产生的附加弯矩已超过了PHC桩的抗弯承载力。结合分析结果提出了相关工程设计措施，采用位移控制有限元方法进行相关的影响分析，工程设计措施有效的减小了隧道穿越对桩基础附加受力及变形的影响。结合本文的分析结果，在西航站楼桩基工程设计中，采用邻近隧道区域桩身刚度加强和设置搅拌桩隔离的工程设计措施，并在盾构穿越过程中对西航站楼进行了相关监测。相关监测结果表明，盾构穿越对西航站楼基础结构的影响在安全可控的范围内。
参考文献：
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