盾构隧道与码头桩基近接施工相互影响分析

罗士瑾，于旭东，吕媛媛

（1.舟山市铁路建设中心，浙江 舟山 316021；2.舟山市新城公路与运输2 理中心，浙江 舟山 316021；3.杭州交通投资建设管理集团有限公司，浙江 杭州 310024）

伴随我国城镇化进程不断加快，地下空间大力建设成为城市可持续发展的必然趋势。然而，由于地理位置与经济性限制，不少新建地下结构施工将无法避免地近接既有地下建构筑物。常见的如盾构隧道穿越桩基或桩基作业邻近已建隧道，都会破坏周围地层土体，导致既有结构产生不同程度的变形与附加应力，存在不可忽视的安全隐患[1-3]。

针对这一问题，众多学者开展了相关研究。周鑫等[4]针对杭州地铁3 号线工大站—留和站盾构区间工程，研究了盾构开挖过程对邻近桥梁桩基影响规律；黄戡等[5]基于流固耦合理论，分析了盾构施工引起的桩身位移应力变化；王超雄等[6]运用小孔扩张－收缩理论，研究了下穿隧道开挖对邻近桩基产生的作用；舒畅等[7]依托常州市朝阳大沟中桥工程上跨地铁一号线隧道项目，结合现场监测总结了小净距桩基施工对既有地铁隧道的影响；卞荣等[8]通过数值方法，划分了预制桩静压施工时隧道变形强、弱影响区。由此可见，上述研究主要集中于盾构隧道或桩基单方面施工造成的影响，涉及盾构隧道与桩基相互近接施工情形的研究较少。

鉴于此，依托甬舟铁路金塘海底隧道工程，选取其沿线码头桩基分布特征区段，采用有限元软件依次建立平面应变与三维地层－结构精细化模型，分析铁路与公路盾构隧道开挖对既有码头桩基的影响以及规划桩基施作对既有盾构隧道结构的影响，得到隧道与桩基相互近接施工变形情况与应力特征，为类似工程设计施工提供参考。

1 工程概况

甬舟铁路金塘海底隧道沿线情况复杂，穿越冠保码头、木岙作业区、北仑侧相关企业厂房、青峙河桥涵、石油管道等既有或规划中建筑，需考虑相互近接施工影响。

2 盾构隧道与码头桩基近接施工数值模拟

本文以隧道开挖邻近冠保码头既有桩基以及木岙码头预制桩施工邻近既有隧道为代表，展开具体数值模拟分析。

2.1 隧道开挖对既有桩基影响模拟方案

冠保码头系船柱排桩桩长61m，警示灯承台桩桩长67m，桩基采用直径1200mm，壁厚150mm 的管桩，铁路隧道管片内径12.8m，厚0.6m，环宽2m，顶部覆土厚度为42.65m，铁路隧道与码头系船柱排桩基水平距离为5.7m，与警示灯承台桩基水平距离为7.56m。公路隧道侧穿冠堡码头既有桩基和铁路隧道，与既有桩基和铁路隧道的最近水平距离分别为13.2m 和51.05m，两条公路隧道覆土厚度均为14.72m，两隧道水平距离为11.1m，管片外径均为15.2m。

隧道开挖将引起地层位移，本文平面应变模型采用地层收敛形式有均匀收敛和不均匀收敛。分析时对注浆圈外壁土层施加径向强制位移，模拟地应力释放时地层变形。

2.2 预制桩施工对隧道结构影响模拟方案

木岙码头桩基模型中，第一排桩基与隧道净距为50m，沿隧道轴向桩间距为5.9m，垂直于隧道轴向桩间距为10.5m，共计五排桩。本文采用圆孔扩张法进行模拟桩施工挤土作用，即对参考面施加径向位移，使得参考面由管桩内径位置扩张至外径位置。考虑到边界效应，对隧道产生影响的有效挤土量仅为靠近隧道的半根管桩挤土量在水平方向的投影，经计算得到桩在水平方向上的挤土位移为0.023m。

2.3 模型设置

模型土体采用摩尔－库伦本构，管片采用塑性损伤本构，螺栓与钢筋采用理想弹塑性本构。管片混凝土等级为C60，管片间连接螺栓为M36、8.8 级高强斜螺栓，管片配筋采用HRB400 级钢筋。管片接触面法向采用硬接触，切向采用摩擦接触，摩擦系数取0.3。

3 盾构隧道与码头桩基受力变形影响分析

3.1 隧道开挖对冠保码头既有桩基的影响

经有限元软件计算，得到不同收敛模式下冠保码头桩基位移情况，如图1 所示。由图1(a)可知，隧道右边第1 根桩最大位移为19.84mm，第2 根桩最大位移为11.24mm，隧道左边桩最大位移为9.87mm。由图1(b)可知，隧道右边第1 根桩最大位移为10.24mm，第2 根桩最大位移为7.7mm，隧道左边桩最大位移为9.7mm。总体上，地层均匀收敛模式工况的位移计算结果偏保守。应力方面，以均匀收敛模式计算结果为例，邻近桩在隧道开挖前后均处于受拉状态，且桩应力值变化不明显，最大主应力为0.33MPa 左右，隧道开挖对桩基应力影响较小。

图1 隧道与冠保码头桩基位移云图(m)

为进一步探讨隧道开挖引起的桩基整体受力变形特征，建立图2 所示“地层－隧道－承台桩”三维计算模型，得到铁路隧道先开挖后既有桩基位移、公路隧道后开挖后既有桩基与既有铁路隧道位移情况，如图3～图5 所示。

图2 “地层－隧道－承台桩”三维计算模型

图3 铁路隧道开挖后桩基位移云图(m)

图3、图4 揭示了在铁路隧道开挖后，警示灯承台桩整体向铁路隧道方向偏移，最大位移为12.13mm；公路隧道开挖后，警示灯承台桩整体反向偏移，最大位移为12.03mm。而码头系船柱排桩在两隧道同侧，因此两隧道开挖后桩基位移均有一定程度的增加，但公路隧道距离较远，其开挖对码头系船柱排桩影响较小。图5 表明了公路隧道开挖使铁路隧道整体向靠近公路隧道的方向偏移，铁路隧道拱腰最大水平位移为0.8mm，拱顶最大沉降量为0.31mm，拱底上浮0.01mm，均符合安全要求。

图4 公路隧道开挖后桩基位移云图(m)

图5 公路隧道开挖后铁路隧道位移云图(m)

3.2 木岙码头预制桩施工对隧道结构的影响

不同位置桩基施作对隧道变形的影响见图6，图中P1 至P5 分析步依次施作第一排桩到第五排桩。由图6 可知，铁路隧道开挖完成后呈横鸭蛋状，竖向压缩7.23cm、水平扩张6.99cm；群桩施作后，在挤土作用下隧道表现出远离桩基的运动趋势，水平方向被压缩。

图6 铁路隧道不同部位位移变化曲线图

对于管片受力方面，经统计计算结果可知，隧道开挖完成后，混凝土拉、压应力峰值分别为2.8Mpa、-24.4Mpa，分布在隧道拱腰外侧和拱腰内侧；群桩桩基施作完成后，混凝土拉、压应力峰值分别变为2.47Mpa、-20.2Mpa。总体上，桩基施工对管片混凝土应力影响不大。同样，桩基施工对螺栓与钢筋的应力影响亦较小，螺栓最大主应力由48.2Mpa 变为31.8Mpa，钢筋最大、最小主应力由29.7Mpa、-20.2Mpa 变为27.9Mpa、-20.1Mpa，均处于安全状态。

4 结语

采用有限元数值方法，研究了铁路公路盾构隧道与桩基近接施工相互影响，得到以下主要结论：

盾构隧道开挖会使得码头桩基整体向隧道的方向偏移，偏移程度与两者距离间成正比，但对桩基最大主应力影响较小。

码头群桩的施作会产生挤土作用，导致邻近盾构隧道表现出远离桩基的趋势，同时隧道在水平方向上的变形逐渐由扩张转为压缩状态。

桩基施工对盾构隧道管片混凝土、螺栓与钢筋的应力影响不明显，管片受力安全易保障。