目前地鐵隧道盾構(gòu)施工對(duì)建筑物的影響研究主要集中在對(duì)基樁和淺基礎(chǔ)的影響研究，而對(duì)于樁箱基礎(chǔ)建筑物的影響研究則較少。箱形基礎(chǔ)作為補(bǔ)償性基礎(chǔ)，基樁、箱形基礎(chǔ)和土三者共同作用調(diào)節(jié)變形，受力較為復(fù)雜，隧道、地基和建筑物是相互作用、相互制約的。進(jìn)行隧道、地基和建筑物的共同作用分析，所要考慮的影響因素很多，且三者的材料特性不同，將眾多的因素合成一個(gè)整體進(jìn)行研究，難以建立統(tǒng)一的受力和變形計(jì)算方程，很難從理論上建立此問(wèn)題的計(jì)算公式，一般采取模型試驗(yàn)[1-4]和數(shù)值模擬方法[5-12]進(jìn)行此類問(wèn)題的研究。解析法很難考慮眾多因素的影響，其計(jì)算結(jié)果只能作為參考。Motorn[1]采用模型試驗(yàn)研究了盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)樁基礎(chǔ)變形的影響；Loganathan[2]利用離心模型試驗(yàn)研究了隧道開(kāi)挖引起的土體變形對(duì)樁基的影響；Jacobsz[3]利用離心模型試驗(yàn)方法研究了隧道在密實(shí)干砂中施工對(duì)鄰近單樁的影響；Ong等[4]利用離心模型試驗(yàn)研究了隧道施工時(shí)隧道結(jié)構(gòu)和樁基的相互作用影響；Mroueh[5]采用數(shù)值方法模擬了隧道開(kāi)挖對(duì)上部建筑結(jié)構(gòu)的影響；Lee[6]采用三維有限元模擬研究了隧道施工中隧道結(jié)構(gòu)與樁基相互作用影響；朱逢斌[7-8]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)Ong的離心模型試驗(yàn)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證；Gordon[9]采用數(shù)值方法研究了敞開(kāi)式隧道開(kāi)挖面掘進(jìn)速度對(duì)周邊樁基的影響；方勇[10]采用數(shù)值模擬研究了隧道動(dòng)態(tài)掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)變化對(duì)鄰近樁基變形的影響；羅文林[11]針對(duì)數(shù)值模型中計(jì)算參數(shù)的研究，分析了隧道施工對(duì)鄰近樁基變形和內(nèi)力的影響；王炳軍[12]采用數(shù)值模擬研究了隧道與樁基不同距離對(duì)樁身受力和變形的影響；木林隆[13]采用兩階段法對(duì)層狀地基中樁筏基礎(chǔ)承載特性進(jìn)行了分析，討論了樁基變形對(duì)遮攔效應(yīng)的削減作用；吳勇華[14]利用ABAQUS建立剪力墻與樁筏基礎(chǔ)和地基共同作用的三維有限元數(shù)值模型，研究了跨越地鐵隧道的樁筏基礎(chǔ)受力和變形性狀；謝新宇[15]利用ABAQUS建立三維有限元數(shù)值模型，研究地鐵隧道穿越建筑物基礎(chǔ)時(shí)對(duì)樁筏基礎(chǔ)變形和內(nèi)力的影響；吳翔天[16]采用模型試驗(yàn)，根據(jù)隧道埋深的不同，選取不同的加載模塊以模擬隧道開(kāi)挖引起的土體水平和豎向位移模式。

前述學(xué)者雖然對(duì)隧道施工引起的樁基變化進(jìn)行了大量深入研究，但都集中在隧道施工對(duì)單樁或?qū)τ谐信_(tái)的多樁的影響研究，沒(méi)有考慮隧道、土、樁、箱形基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間的相互作用及復(fù)雜的邊界條件，因此有必要建立考慮多因素共同作用的計(jì)算模型來(lái)模擬仿真隧道施工對(duì)建筑物的影響。本文以雙線盾構(gòu)隧道下穿樁箱基礎(chǔ)建筑物為研究對(duì)象，利用ABAQUS有限元軟件，建立隧道盾構(gòu)下穿樁箱建筑物二維數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析，探討了隧道盾構(gòu)施工對(duì)臨近基樁及箱形基礎(chǔ)底板附加內(nèi)力變形的影響規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)計(jì)施工參數(shù)提供依據(jù)。

1 工程概況

南京地鐵某區(qū)間隧道下穿待建建筑物，該建筑物先于地鐵隧道建成，該建筑物為區(qū)間隧道預(yù)留了可穿越條件，隧道與建筑物平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。該待建建筑物為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)一層地下室，地下室箱形基礎(chǔ)埋深為6.30 m，樁基采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁徑為0.50 m，設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)27.0 m，為摩擦樁，靠近隧道的3排樁基采用鉆孔灌注樁。待建地鐵隧道為平行雙線盾構(gòu)，外徑為6.20 m，內(nèi)徑為5.50 m，隧道左右兩線的軸線間距為12.08 m。隧道頂距待建建筑物地下室基礎(chǔ)底板底的最小凈距約為9.20 m，隧道與建筑物剖面位置關(guān)系見(jiàn)圖2。隧道采用預(yù)制拼裝式單層圓形管片襯砌，襯砌管片內(nèi)徑為5.50 m，壁厚為0.35 m，寬度為1.20 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P10，分6塊錯(cuò)縫拼裝，采用螺栓連接。盾構(gòu)機(jī)采用具備切割基樁并具可靠穿越能力的加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，先施工左線隧道，再施工右線隧道。

圖1 隧道與建筑物基礎(chǔ)平面關(guān)系

從圖1和圖2可以看出，隧道邊緣距最近的鉆孔灌注樁距離2.20 m，隧道盾構(gòu)施工將對(duì)已建成基樁及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。本文在已知隧道埋深h=9.20 m不變的條件下，通過(guò)變化隧道附近的鉆孔灌注樁長(zhǎng)度、樁徑及隧道盾構(gòu)施工土體損失率，探討箱形基礎(chǔ)底板及基樁變形、內(nèi)力變化規(guī)律。

圖2 隧道下穿建筑物剖面(單位：m)

2 有限元模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

采用有限元ABAQUS建立隧道、土、樁、地下室及上部結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，模擬隧道盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)基樁、箱形基礎(chǔ)地下室底板附加內(nèi)力位移的影響。由于隧道下穿建筑物為進(jìn)深方向，因此可把該問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維平面計(jì)算分析模型。選取計(jì)算區(qū)域?yàn)椋河?jì)算深度70.0 m，頂部取至地表面，底部取至中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，滿足設(shè)計(jì)深度計(jì)算要求；計(jì)算寬度取230.0 m，約為隧道埋深的13倍以上，滿足盾構(gòu)隧道施工影響區(qū)的要求，模型計(jì)算厚度取為1.0 m。模型兩邊邊界為法向約束，豎向自由，底面全約束(法向、切向均約束)。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，盾構(gòu)穿越區(qū)域地層分布如圖2所示，盾構(gòu)隧道埋藏在②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

序號(hào)層號(hào)層厚/mγ/(kN/m3)C/kPaφ/(°)Es/MPaμ1①-12.018.419.017.53.750.302②-2b46.018.417.017.14.010.313②-2c33.019.713.031.36.590.284②-2b415.018.417.017.14.010.315②-4d25.018.92.032.08.740.276②-5d121.019.39.030.912.690.287③-4d18.019.59.032.213.00.308K2P-24.020.030.035.020.00.259K2P-36.021.060.040.030.00.23

鉆孔灌注樁、承臺(tái)、底板及上部結(jié)構(gòu)均采用C30混凝土，彈性模量E=30 MPa，泊松比為0.2。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁采用C50混凝土，彈性模量E=50 MPa，泊松比為0.2。管片襯砌采用C50混凝土，考慮到襯砌間連接方式導(dǎo)致襯砌變形不連續(xù)，將襯砌混凝土的彈性模量進(jìn)行折減，取襯砌的彈性模量E=40.0 MPa，泊松比為0.2。

2.3 有限元計(jì)算模型

數(shù)值分析計(jì)算模型采用二維平面有限元分析，土體采用Mohr-Coulomb模型(MC)本構(gòu)關(guān)系，土體單元采用平面四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元CPE4。鉆孔灌注樁、管樁、地下室、上部結(jié)構(gòu)和隧道襯砌采用實(shí)體單元模擬，地下室和隧道襯砌采用平面4節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元CPE4I。土體與基樁接觸面采用面與面接觸的指令contact Pair進(jìn)行分析，接觸面無(wú)厚度，小滑移，采用Mohr-Coulumb friction摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.3，應(yīng)用罰函數(shù)運(yùn)算法則。隧道襯砌結(jié)構(gòu)、地下室與土的接觸面采用面與面接觸的指令Tie進(jìn)行分析。

根據(jù)隧道盾構(gòu)實(shí)際施工工況，并基于有限元分析收斂要求，采用8個(gè)分析步模擬整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程。首先是初始地應(yīng)力平衡過(guò)程，此步中除掉原始土體之外的所有單元以及相應(yīng)接觸；第二步激活基樁、地下室、上部結(jié)構(gòu)單元及其所有接觸關(guān)系，移除地下室土體單元，并對(duì)上部結(jié)構(gòu)施加體力至工作荷載(結(jié)構(gòu)自重25 kN/m3+樓面活荷載2.5 kN/m2)；第三步對(duì)先行開(kāi)挖的左線隧道內(nèi)的土體進(jìn)行軟化；第四步激活左線隧道管片襯砌及其接觸關(guān)系；第五步移除左線隧道內(nèi)土體；第六步對(duì)后開(kāi)挖的右線隧道內(nèi)的土體進(jìn)行軟化；第七步激活右線隧道管片襯砌及其接觸關(guān)系；第八步移除右線隧道內(nèi)土體。

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同樁長(zhǎng)的影響

圖3為鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)為37 m時(shí)，隧道開(kāi)挖結(jié)束后整體模型豎向變形位移云圖，圖4為隧道附近3排鉆孔灌注樁采用不同樁長(zhǎng)時(shí)的基礎(chǔ)底板豎向附加位移曲線，圖5為不同樁長(zhǎng)時(shí)基礎(chǔ)底板附加彎矩圖。從圖4可以看出，當(dāng)隧道埋深、樁徑和土體損失率一定時(shí)，隨鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)增加，底板豎向附加變形逐漸減小，在隧道中心處底板附加變形最大，右線隧道中心處底板附加變形大于左線隧道中心處，樁頂處底板附加位移出現(xiàn)極小值。從圖5可以看出，隧道開(kāi)挖加大了基礎(chǔ)底板附加彎矩，最大附加彎矩達(dá)646.8 kN·m/m，隨鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)增加，基礎(chǔ)底板附加彎矩略有減小，底板在3號(hào)樁樁頂處出現(xiàn)最大值，在4號(hào)樁和5號(hào)樁樁頂處出現(xiàn)極大值，在其他樁處底板附加彎矩較小。由此可見(jiàn)，增大樁長(zhǎng)是減小基礎(chǔ)底板附加變形的有力措施，同時(shí)還可以減小一部分基礎(chǔ)底板附加彎矩。

圖3 整體模型豎向位移云圖(L=37 m)

圖4 不同樁長(zhǎng)時(shí)基礎(chǔ)底板豎向附加變形

圖5 不同樁長(zhǎng)時(shí)基礎(chǔ)底板附加彎矩

圖6～圖8為鉆孔灌注樁不同樁長(zhǎng)時(shí)3號(hào)樁附加水平位移、附加彎矩和附加軸力圖。從圖6可以看出，不同樁長(zhǎng)時(shí)，樁身附加水平位移曲線形式基本一致，樁身最大附加水平位移隨樁長(zhǎng)略有減小，最大附加水平位移點(diǎn)并不是隧道水平中心高程處，而是位于隧道水平中心線以下2.0 m處，樁頂由于受底板約束作用，其水平向附加位移很小，樁底水平位移隨樁長(zhǎng)增加略有減小。從圖7可以看出，隨樁長(zhǎng)增加，樁身附加彎矩略有減小，樁頂附加彎矩出現(xiàn)最大值，樁深8.45 m處出現(xiàn)極大值，位于隧道上方。從圖8可以看出，隨樁長(zhǎng)增加，樁身附加軸力有減小的趨勢(shì)，在樁深12.7 m處，即隧道中心高程處，樁身附加軸力達(dá)到最大值，這主要是由于隧道開(kāi)挖土體下沉對(duì)樁身附加負(fù)摩阻力引起的結(jié)果。由此可見(jiàn)，隧道開(kāi)挖加大了3號(hào)樁的水平位移、彎矩和軸力，增大樁長(zhǎng)是減小樁自身附加水平變形、附加彎矩及附加軸力的一項(xiàng)措施。

圖6 不同樁長(zhǎng)時(shí)3號(hào)樁附加水平位移

圖7 不同樁長(zhǎng)時(shí)3號(hào)樁附加彎矩

圖8 不同樁長(zhǎng)時(shí)3號(hào)樁附加軸力

從不同樁長(zhǎng)時(shí)底板的附加變形和附加彎矩以及基樁本身的附加水平位移、彎矩和軸力的變化量來(lái)看，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，以鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)37.0 m為宜。

3.2 不同樁徑的影響

圖9為鉆孔灌注樁樁徑分別為D=0.8、1.0、1.2 m時(shí)，隧道開(kāi)挖引起的基礎(chǔ)底板豎向附加位移圖，圖10為不同樁徑時(shí)隧道開(kāi)挖引起的3號(hào)樁附加彎矩圖。從圖9可以看出，當(dāng)隧道埋深、樁長(zhǎng)和土體損失率一定時(shí)，隨樁徑增大，底板豎向附加變形有減小的趨勢(shì)。從圖10可以看出，隨樁徑增大，3號(hào)樁附加彎矩逐漸增大，主要原因是樁徑越大其承擔(dān)的附加荷載越大，因此其附加彎矩也隨之增大。因此為控制建筑物附加變形與內(nèi)力，可適當(dāng)增加隧道附近基樁的直徑，本工程鉆孔灌注樁樁徑設(shè)計(jì)為1.0 m可滿足要求。

圖9 不同樁徑時(shí)基礎(chǔ)底板豎向附加變形

圖10 不同樁徑時(shí)3號(hào)樁附加彎矩

3.3 不同土體損失率的影響

圖11為土壓平衡盾構(gòu)隧道施工開(kāi)挖不同土體損失率δ=1%、2%、3%時(shí)，箱形地下室基礎(chǔ)底板豎向附加位移圖，圖12為不同土體損失率時(shí)隧道開(kāi)挖引起的3號(hào)樁附加彎矩圖。從圖11可以看出，當(dāng)隧道埋深、樁長(zhǎng)和樁徑一定時(shí)，隨隧道盾構(gòu)施工土體損失率增大，底板豎向附加變形逐漸變大。從圖12可以看出，隨土體損失率增大，3號(hào)樁附加彎矩逐漸變大。因此為減小建筑物附加變形與內(nèi)力，應(yīng)嚴(yán)格控制土體損失率，本工程土體損失率控制在δ=1%以內(nèi)底板附加變形較小。

圖11 不同土體損失率時(shí)基礎(chǔ)底板豎向附加變形圖

圖12 不同土體損失率時(shí)3號(hào)樁附加彎矩

3.4 不同工況下群樁水平變形規(guī)律

圖13 左線隧道施工結(jié)束各樁體附加水平位移

圖14 雙線隧道施工結(jié)束各樁體附加水平位移

圖13為樁長(zhǎng)均采用L=27 m時(shí)，左線隧道施工完畢后各樁體附加水平位移，圖14為雙線隧道均施工完畢后各樁體附加水平位移。從圖中可以看出，在雙線隧道施工完畢后，除4號(hào)樁外，其余各樁水平變形規(guī)律為靠近隧道的兩排樁累積水平變形量最大，離隧道越遠(yuǎn)樁體水平變形越小，11號(hào)樁與15號(hào)樁位移基本一致。4號(hào)樁位于兩隧道之間，樁體最大水平位移在左線隧道施工完畢后達(dá)到最大值，在右線隧道施工完畢后又逐漸減小，樁體最終附加水平變形傾向于先期開(kāi)挖的左線隧道。