牛书耘
（山西省高速公路集团有限责任公司，山西太原030031）
摘要：为研究盾构隧道开挖对临近桩基稳定性影响，本文基于ABAQUS数值模拟，系统地分析桩长、桩径、桩隧距离等因素对桩基影响。结果表明：①桩长小于20m时，桩的横向位移与埋深呈线性关系。且最大值均出现于桩端位置。当增大桩长为30m时，桩的横向位移表现出非线性的关系。实际工程中，盾构隧道施工时桩隧间距大于3.5D时，基本可以保证桩基的稳定性；②桩的横向位移随桩径增大逐渐减小。此外，端承桩和摩擦桩横向位移变化趋势基本相同。但摩擦型桩的横向位移和竖向沉降均大于端承桩；③随桩的埋深增大，桩的轴向位移变大。实际工程中，对于盾构施工应尽量避免下穿桩基施工，或者在施工前对桩基做好支护工作。
引言
采用盾构法开挖隧道是目前隧道开挖的重要手段，该方法具有施工进度快及适应性强的优点。但盾构隧道开挖过程中不可避免地会对周围环境造成一定的影响，如岩土体位移及桥梁桩基变形等。既有的相关研究主要包括理论分析、物理模型试验及数值模拟方法。Chen等[1]基于理论手段详细地分析隧道开挖对桩基变形的影响。Loganathan等[2]开发GEPAN计算程序，研究了盾构隧道开挖对单桩和群桩的变形影响。冯国辉等[3]基于两阶段理论方法分析了盾构掘进引起的邻近群桩水平位移变化规律。结果表明，群桩水平位移随地层损失率和隧道开挖半径增大而增大。路德春等[4]依托北京地铁桩基的工程及大型物理模型，研究了卵石地层隧道开挖对邻近桩基的影响。结果表明，桩基的沉降、弯矩和轴力均与隧道水平距离呈反相关。孙庆等[5]采用离心机试验研究了在隧道与桩的间距因素对桩的变形效应影响。魏焕卫等[6]采用物理模型试验研究了在桩长和隧道间距变化对盾构隧道开挖所导致的桩基的变形规律。数值研究方面，黄戡等[7]基于渗流应力耦合建立数值计算模型研究了桩身的竖向、水平向和沿隧道纵向的位移过程及桩身应力变化趋势。结果表明，桩身竖向位移、上部桩身沉降及下部桩身向上位移呈现出S形分布规律。
考虑盾构隧道开挖过程中对邻近桩基影响非常复杂，理论计算较为困难。本文建立ABAQUS数值计算模型，在此基础上系统地分析隧道开挖过程中桩隧间距、桩长及桩径等因素对桩基础内力及变形影响。本文的研究对于相似工程具有参考价值。
1工程概况与数值模型
本文依托某地铁盾构隧道穿越桥梁桩基工程。研究区覆土层厚度介于10～22m。隧道为单线圆形断面。隧道衬砌采用错缝拼装，管片外径为6.2m。根据钻探资料显示，场地地层由上到下分别为人工填土、冲积粉质黏土和中砂。其中，粉质黏土层呈浅灰色，湿，稍密，局部相变为黏土。本平均标贯击数N＝6.6击，物理力学性质一般。中砂层呈灰色-灰黑色，颗粒大部分分散小部分胶结，粒径大于2mm的颗粒含量占总质量25％～50％，稍湿-饱和，中密状态。根据勘察资料，研究区降雨量充沛，降水多数以地表径流方式汇入河沟，其余降水沿第四系基岩孔隙渗入地下，是地下水补给主要来源。
建立数值计算模型如图1所示。计算模型长度为26m，宽度为28m，高度为20m。模型的边界条件为底部施加竖向和水平向固定约束，两侧分别为水平向定约束。根据现场勘测，地下水位位于地表，模型的上表面为自由边界。桩体采用C3D8R减缩单元模型，数值模拟计算中材料参数见表1和表2。计算中，岩土体采用摩尔-库伦本构模型，注浆、衬砌及桩基采用线弹性本构模型。
2计算结果与分析
2.1桩长的影响
考虑桩A长度为14m、桩B长度为20m和桩C长度为30m工况下，盾构隧道施工对桩内力和变形的影响见图2和图3。图2结果表明，当桩的长度为14m和20m时，桩的横向位移与埋深呈线性关系。且最大值均出现于桩端位置。当增大桩长为30m时，桩的横向位移表现出非线性的关系。且最大位移出现在桩身20m位置处。图3为桩顶位移随盾构的开挖深度的变化图。结果表明，随桩长度增大，桩的隆起程度增大。这是因为，长度最大的桩C位于隧道底部，因此开挖所受到的卸荷作用最大，而其余两根桩位于隧道底部以上，因此受到的影响较小。实际工程中，当桩基础端部位于隧道轴线位置时，应注意加强桩体保护措施。
2.2隧道与桩距离的影响
为进一步研究桩隧间距对桩基的影响。本文计算了不同桩隧间距工况下桩的横向位移和桩顶沉降变化规律如图4和图5。图4结果表明，桩基的横向位移随桩隧间距的增大而减小，且当桩隧间距大于3.5倍桩径时，桩基水平位移基本可以忽略。图4结果表明，当桩与隧道轴线的距离大于2倍桩径以上时，桩顶沉降基本相同保持不变。实际工程中，盾构隧道施工时桩隧间距大于3.5倍隧道直径时，基本可以保证桩基的稳定性。
2.3桩径的影响
图6为不同桩径下（桩a直径为0.6m，桩b直径为0.8m，桩c直径为1.0m，桩d直径为1.2m），桩的横向位移变化规律。结果表明，随桩径的增大，桩的横向位移逐渐减小。这是因为，当桩径增大时，桩身的刚度随之变大，从而可以有效控制桩的横向变形。图7为不同桩径时，桩顶竖向沉降变化曲线。结果表明，桩顶的竖向沉降随桩径的增大而减小。当桩径由0.6m增大至0.8m时，桩径沉降显著减小了0.45mm；当桩径由0.8m增大至1.0m时，桩径沉降显著减小了0.40mm；当桩径由1.0m增大至1.2m时，桩径沉降显著减小了0.23mm。由此可见，桩顶沉降变化速率随桩径的增大而逐渐减缓。此外，桩径增大，桩底受土体卸荷回弹的影响较大。
2.4摩擦桩和端承桩的工作性能对比
改变桩端土体弹模分析端承桩和摩擦桩的受力性能差异。增大桩端土体弹模至0.15GPa，密度为2000kg/m³，泊松比为0.2。最终得到摩擦桩和端承桩横向位移和桩顶沉降差异曲线见图8和图9所示。
图8结果表明，端承桩和摩擦桩横向位移变化趋势基本相同。但摩擦型桩的横向位移大于端承桩的横向位移。前者的最大值为4mm，而后者的最大值为5.4mm。这是因为端承桩对桩基的约束作用较大，因此土体回弹作用较小所导致的。图9结果表明，端承桩和摩擦桩桩顶竖向沉降位移变化趋势基本相同。但摩擦型桩的竖向位移大于端承桩的竖向位移。前者的最大值为4mm，而后者的最大值为0.5mm。
2.5盾构下穿对桩基的影响
图10为桩顶和桩周土竖向位移结果。结果表明，当盾构隧道穿越桩基之前，桩和土体的竖向位移基本一致，但当盾构隧道越来越靠近桩基时，桩和土体均产生少量隆起位移，且在盾构穿越桩基时，桩顶和地表的沉降显著增加，最终当盾构隧道远离桩时，桩土土体的位移均有所缓和，最终表现出桩顶位移大于桩周土体位移。其中桩顶位移最大值为17.2mm。桩周土体位移最大值为12.4mm。图11为桩的轴向位移变化规律。结果表明，随桩的埋深增大，桩的轴向位移变大，且轴向位移变化速率越来越小。这是因为，桩受隧道开挖的影响较大所导致的。实际工程中，对于盾构施工应尽量避免下穿桩基施工，或者在施工前对桩基做好支护工作。
3结论
1）当桩的长度为14m和20m时，桩的横向位移与埋深呈线性关系。且最大值均出现于桩端位置。当增大桩长为30m时，桩的横向位移表现出非线性的关系。且最大位移出现在桩身20m位置处。此外，实际工程中，盾构隧道施工时桩隧间距大于3.5倍桩径时，基本可以保证桩基的稳定性。
2）随桩径的增大，桩的横向位移逐渐减小。此外，桩顶沉降变化速率随桩径的增大而逐渐减缓。端承桩和摩擦桩横向位移变化趋势基本相同。但摩擦型桩的横向位移大于端承桩的横向位移。前者的最大值为4mm，而后者的最大值为5.4mm。
3）当盾构隧道穿越桩基之前，桩和土体的竖向位移基本一致，但当盾构隧道越来越靠近桩基时，桩和土体均产生少量隆起位移。随桩的埋深增大，桩的轴向位移变大，且轴向位移变化速率越来越小。实际工程中，对于盾构施工应尽量避免下穿桩基施工，或者在施工前对桩基做好支护工作。
转载文献来源：中国知网-交通世界
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