熊 剛，黃思勇，項(xiàng)敬輝

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 濱海分院，天津 300051)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，城市用地緊張的問題逐漸突顯，使軌道交通等地下空間的開發(fā)利用應(yīng)運(yùn)而生。地下空間開發(fā)所帶來的環(huán)境問題近年來受到廣泛關(guān)注，其中隧道穿越既有建筑和橋梁基礎(chǔ)的問題尤其突出［1-2］。隧道“近接施工”會引起周圍地層的變形，從而引起隧道頂部或臨近樁基的附加變形和內(nèi)力，并可能降低其承載能力［1-3］?？茖W(xué)地預(yù)測和評估近接施工引起的樁基附加變形和內(nèi)力變化，有利于保障既有結(jié)構(gòu)的安全［1-3］。

隧道近接施工影響的預(yù)測與控制，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和工程界普遍關(guān)心的課題。王成等［1］研究了隧道近接施工樁基的安全系數(shù)，總結(jié)了安全系數(shù)的變化規(guī)律。黃茂松等［2］在 Chen和 Loganathan等人研究的基礎(chǔ)上，提出了近接施工影響分析的二階段解析法，并被王鑫和劉小兵［4］用于確定不同地層條件下的樁隧臨界距離。楊超［5］，何川［6-7］，楊永平［8］和楊曉杰［9］等通過三維數(shù)值分析方法研究了深圳地鐵一號線、廣州地鐵二號線和上海地鐵11號線等隧道近接施工對既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響。

本文將總結(jié)國內(nèi)外近接施工影響的研究進(jìn)展和研究成果，并分析目前研究的局限性，提出今后的研究需重點(diǎn)關(guān)注的問題。

1 主要研究方法

目前主要的研究方法有經(jīng)驗(yàn)判斷法、理論解析法、數(shù)值分析法以及模型試驗(yàn)法［1-2］等幾種。

1.1 經(jīng)驗(yàn)判斷法

經(jīng)驗(yàn)判斷法主要根據(jù)本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，在相同地層環(huán)境及相似的穿越凈距情況下，對同類工程近接施工影響做出一個(gè)基本判斷。經(jīng)驗(yàn)法簡單，但存在一定的局限性，只有在特定的條件下使用，其結(jié)果才有參考價(jià)值。

1.2 二階段理論解析法

近接施工影響的計(jì)算分析方法，主要有二階段分析法和整體數(shù)值分析法兩大類［2-4］。其中二階段分析法的本質(zhì)為理論解析法，即把隧道施工對樁基的影響分為兩個(gè)階段來分析:第一階段分析隧道施工引起的樁周土體變形;第二階段將樁周土的變形施加到樁上，分析樁的變形及內(nèi)力變化。

根據(jù)同濟(jì)大學(xué)黃茂松［2］等人的研究，第一階段首先采用Loganathan等(1998)提出的解析公式估算隧道開挖引起的土體自由位移場，并用三次曲線進(jìn)行擬合。采用等效平均地層損失比ε0來衡量隧道斷面形狀的改變［4-5］，地層損失比是隧道半徑和隧道半徑縮減間隙系數(shù)的函數(shù)。

第二階段分析是基于Winkler地基模型，假定樁與土之間保持彈性接觸而不發(fā)生滑移，用連續(xù)分布的彈簧來模擬樁土之間的相互作用。根據(jù)豎向深度處樁身位移與樁側(cè)土位移相等原則，可得到土體豎向沉降對樁身位移影響的沉降控制方程，從而建立樁在被動位移下的荷載傳遞方程，計(jì)算單樁由于隧道開挖引起的位移和內(nèi)力。對于群樁基礎(chǔ)，尚需考慮群樁基礎(chǔ)的遮攔效應(yīng)。

二階段解析法概念明確，易于接受。當(dāng)穿越地層較為簡單，無特殊地質(zhì)狀況時(shí)，可用該方法估算近接施工對既有樁基變形和內(nèi)力的影響。這種方法的不足之處在于不能考慮土體的非線性，并且當(dāng)?shù)貙訐p失比較大時(shí)，土體位移擬合誤差較大［2］。

1.3 整體數(shù)值分析法

盡管二階段解析法易接受，但是整體數(shù)值計(jì)算方法能夠模擬隧道的實(shí)際施工過程［5］，考慮樁—土相互作用和被動群樁中樁—樁相互影響，以及土體各向異性和復(fù)雜的邊界條件［2］。隨著數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展和各種商業(yè)軟件的開發(fā)與普及應(yīng)用，數(shù)值計(jì)算越來越多地應(yīng)用于設(shè)計(jì)和研究中。常用軟件有 Ansys、Abaqus［12］、Midas/GTS、Flac 及 Plaxis。其中 Ansys［7］和Abaqus是國際上最先進(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件，Midas/GTS、Flac及 Plaxis是巖土與隧道領(lǐng)域?qū)Ｓ梅治鲕浖?/p>

三維模型計(jì)算既能準(zhǔn)確反映樁、隧之間的復(fù)雜位置關(guān)系，也可以考慮地層分布情況和土體的非線性特征。對于上部結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜的情況，三維模型還可以考慮各個(gè)方向的彎剪扭等結(jié)構(gòu)荷載。

1.4 模型試驗(yàn)法

由于巖土問題的復(fù)雜性和實(shí)際條件的限制，現(xiàn)階段開展大型的試驗(yàn)研究困難較大。目前室內(nèi)離心機(jī)模型試驗(yàn)已經(jīng)開始用于模擬隧道施工。西南交通大學(xué)的仇文革［10-11］等人通過離心模型試驗(yàn)?zāi)M雙孔盾構(gòu)隧道近接施工，研究了襯砌結(jié)構(gòu)橫向內(nèi)力的量值、分布規(guī)律以及隨盾構(gòu)推進(jìn)距離和兩隧道相對位置的變化規(guī)律［10］。通過定量控制隧道外套的水囊注放水的方式模擬盾構(gòu)隧道的地層損失，研究了橫斷面地表沉降的量值、分布規(guī)律以及隨盾構(gòu)推進(jìn)距離的變化規(guī)律，并提出了相應(yīng)防護(hù)措施［11］。目前國內(nèi)尚無離心機(jī)試驗(yàn)直接用于模擬隧道近接施工對樁基影響研究的報(bào)道。但是已有的室內(nèi)離心模型試驗(yàn)的順利開展，為隧道近接施工試驗(yàn)研究提供了一種新的研究手段。

2 近接施工影響研究

2.1 穿越特點(diǎn)分析

隨著城市軌道交通事業(yè)飛速發(fā)展，近年來各地出現(xiàn)了大量的隧道近接施工問題，如上海地鐵11號線穿越上海交大海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大樓［8］，成都地鐵一號線穿越機(jī)場高速立交橋，還有天津地鐵三號線穿越鐵東路立交橋等。上述近接施工案例具有以下3個(gè)特點(diǎn):

1)被穿越結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣。如廣州地鐵二號線穿越新南方購物中心下部樁基［8］;成都地鐵一號線下穿某短樁基—框架結(jié)構(gòu)［3］;天津地鐵三號線下穿某立交橋。既有樁基底部穿越，也有樁基側(cè)向穿越。下部基礎(chǔ)既有單樁基礎(chǔ)，也有群樁基礎(chǔ)，甚至是超大群樁基礎(chǔ)。

2)近期的工程與過去相比，不僅隧道工程規(guī)模大，而且與既有地下結(jié)構(gòu)的距離更小［8-12］。如深圳地鐵一期工程天虹—崗廈區(qū)間隧道與民房樁基近接距離僅為 0.31 m［7］。

3)近距離穿越的隧道既有直徑6 m左右的單孔單線隧道，也出現(xiàn)了單孔雙線隧道這樣的大直徑隧道近距離穿越既有建筑的新情況。

2.2 影響因素分析

隧道近接施工對既有樁基礎(chǔ)的影響，主要受以下因素制約:

1)樁隧間距，包括樁基與隧道的豎向位置關(guān)系和水平位置關(guān)系。值得注意的是，并非相對較近的工程可以安全穿越，就以此推斷凈距稍遠(yuǎn)一些的工程也可以安全穿越。

2)被穿越構(gòu)筑物的上部荷載和下部基礎(chǔ)的布置形式。根據(jù)黃茂松等人的研究［2］，由于群樁的遮攔效應(yīng)，單樁受到的影響大于群樁基礎(chǔ)。

3)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如襯砌管片的剛度和環(huán)寬、隧道掘進(jìn)過程中的出土速度、注漿量和注漿壓力的控制等因素。這些因素直接影響著圍巖荷載在各階段的釋放比例和速率。

2.3 今后需重點(diǎn)關(guān)注的問題

1)計(jì)算方法的取舍。對于隧道穿越地層情況比較復(fù)雜，土體非線性特征明顯以及既有構(gòu)筑物樁基分布特殊等情況，解析法和平面有限元法均不能準(zhǔn)確反映近接施工的影響，采用三維數(shù)值計(jì)算，可以更準(zhǔn)確地掌握施工的影響情況。

2)土體屈服準(zhǔn)則和本構(gòu)模型的確定。建模時(shí)土體本構(gòu)模型的選擇對結(jié)果的影響較大，現(xiàn)階段分析多數(shù)采用Mohr-Coulomb模型［1-5］。不同的地質(zhì)條件應(yīng)選用不同的土體屈服準(zhǔn)則。如劍橋本構(gòu)模型可以更為準(zhǔn)確地模擬北方地區(qū)的軟土地質(zhì)條件。

3)數(shù)值計(jì)算時(shí)，不同的本構(gòu)模型，所需要的土體參數(shù)是不一樣的。如M-C模型需要輸入土層的黏聚力和摩擦角，而修正劍橋模型則需要輸入固結(jié)指數(shù)、固結(jié)比、回彈指數(shù)等參數(shù)。

4)施工工況的模擬。盾構(gòu)施工過程中，襯砌剛度的折減程度、土壓力的分步釋放系數(shù)［12］、頂進(jìn)壓力的取值大小、注漿壓力與注漿量的控制均在不同程度上影響著模擬分析的結(jié)果。

5)開展反分析。將施工監(jiān)測的結(jié)果與理論分析的結(jié)果進(jìn)行對比分析和反分析，可以進(jìn)一步修正和完善計(jì)算方法和計(jì)算理論。隨著檢測手段和方法的進(jìn)步，現(xiàn)場施工監(jiān)測和試驗(yàn)研究將變得越來越便利，這也有利于開展反分析研究。

6)運(yùn)營階段影響分析。目前極少對隧道運(yùn)營階段對樁基的影響展開研究。當(dāng)隧道與周邊建筑結(jié)構(gòu)距離較近時(shí)，其運(yùn)營階段對鄰近結(jié)構(gòu)的安全影響也應(yīng)成為關(guān)注的重點(diǎn)。

7)大直徑盾構(gòu)隧道已逐步在國內(nèi)應(yīng)用，如上海長江隧道盾構(gòu)直徑為15 m;天津地下直徑線隧道盾構(gòu)直徑為11.6 m。目前對于大直徑盾構(gòu)隧道近接施工影響的研究還比較少，值得今后重點(diǎn)關(guān)注。

8)評估隧道近接施工對既有建筑的安全影響。現(xiàn)有的大部分研究集中在研究隧道近接施工對既有樁基的影響上。實(shí)際上不同的上部結(jié)構(gòu)，其樁基礎(chǔ)所能容許的變形能力和內(nèi)力變化值是有一定區(qū)別的，有必要根據(jù)樁基的變形值，評估基礎(chǔ)變形對樁基所服務(wù)的上部結(jié)構(gòu)的安全影響。

3 結(jié)語

1)本文總結(jié)了隧道近接施工對既有樁基影響的四種研究方法，指出了每種研究方法有其自身的適用條件。隨著近接穿越的復(fù)雜性和特殊性，三維數(shù)值計(jì)算將成為主要的研究方法。

2)通過總結(jié)國內(nèi)部分隧道近接施工實(shí)例，可以看出隧道近接施工呈現(xiàn)凈距越來越小，所穿越構(gòu)筑物形式多樣以及地層條件越來越復(fù)雜的趨勢。

3)通過實(shí)測在建和已建的工程的參數(shù)，來修正計(jì)算模式和參數(shù)選擇，有利于促進(jìn)設(shè)計(jì)和分析理論的發(fā)展和進(jìn)步。

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