0 引言
由2 根以上的桩组成的桩基称为群桩基础。桩基存在于土体中会对土体的运动起到阻力效应，所以在盾构隧道开挖条件下桩基周围土体的位移相应减小，这种使土体位移减小的效应称为桩基的遮拦效应。桩基的实际位移是由自由土体位移和桩基遮拦位移组成，其中，土体自由位移和桩基遮拦位移的方向是相反的。由于桩和土之间相互作用的存在，群桩的内力和位移等变化明显不同于单桩［1］。针对群桩中桩基的遮拦效应影响问题，国内外学者进行了大量的研究。
Lee 等［2］和Mroueh 等［3］采用三维数值有限元方法将桩及桩基周边土体作为一个整体，分析了隧道施工条件下对邻近单桩和群桩的影响。黄茂松等［4］和李早等［5］采用三维数值分析方法和两阶段解析法相结合得出遮拦效应对前排桩的影响小于对后排桩的影响，其中对轴力的影响尤为明显，而且遮拦效应对内力的影响远大于对位移的影响。刘敦平等［6］运用三维有限元软件对软土运动作用下桩之间的相互作用进行了分析，并在桩土之间设置接触单元，发现与群桩桩基中桩侧的土压力相比单桩桩侧土压力要小。林永国等［7］运用剪切位移法分析了桩体刚度对遮拦效应的影响。郭世博［8］研究了不同桩间距对遮拦效应的影响，得出结果与文献［4］和［5］一致。张辛未［9］运用ANSYS 软件对黄土地区桩基群分析发现，竖向荷载作用下桩间距一定时，桩数越多群桩效应系数越小，且群桩效应系数的大小与桩数的多少呈现非线性关系; 在桩长增加的同时，群桩效应系数逐步降低。秦世伟等［10］运用FLAC 3D 和数值解对比得出已打入桩和沉桩遮拦效应随着深度的变化而变化，遮拦效应对桩前和桩后的土体均有影响。蒋青青等［11］运用MIDAS 有限元软件分析三心圆隧道拱顶沉降的群桩效应得出，隔离桩桩长与受荷桩桩长的比值大于1． 2 时能获得最好的遮拦效果。然而对盾构隧道施工条件下被动群桩遮拦效应的研究甚少。
本文在前人研究的基础之上以合肥市轨道交通1号线隧道侧穿高架桥桩基群为背景，结合现场监测分析在盾构掘进过程中群桩桩基位移的变形规律，进一步讨论了不同土体c、φ 值和桩隧间距X 对群桩遮拦效应的影响。
1 工程概况
合肥市轨道交通1 号线一期工程是合肥市轨道交通线网中南北向骨干线路。线路里程为K4 +352． 181 ～ K28 + 866． 517，全长约为24． 6 km，全部为地下线，共设23 座车站、23 个区间、1 个车辆段、1个停车场和1 个控制中心，施工主要采用盾构法，盾构多次近距离侧穿高架桥和建筑物，工程地质条件和施工技术非常复杂。本文分析在1 号线某段区间内穿越高架桥桩基群，桩长25 m，桩半径为0． 8 m，群桩为2 × 2 群桩，桩间距为2. 4 m，桩距离隧道中心轴线为9 m，如图1( a) 所示。
2 有限元模型
2． 1 计算模型
考虑桩－ 土间相互作用的三维模型如图1( b) 所示，隧道直径6． 25 m，隧道中心线距离地表15 m。为了尽可能减小边界效应造成的影响，选取的模型尺寸为60 m × 45 m × 60 m( x × y × z) 。
图1 隧道附近2 × 2 群桩( 单位: m)
2． 2 材料参数
本文所取区间范围内依据岩土工程勘察报告，将地层综合归并为土体和基岩2 层材料的岩土体［12］。合肥地区土层符合Mohr － Coulomb 模型的使用条件，因此建模采用Mohr － Coulomb 本构模型。盾构壳体、承台、注浆体和管片材料选用线弹性材料，桩基采用桩单元，桩与土接触面采用无厚度的Goodman 单元［13 － 14］，桩单元计算参数见表1，材料基本力学参数见表2。
表1 桩单元计算参数
表2 材料基本力学参数
2． 3 盾构施工模拟
对盾构施工过程的模拟运用有限单元法［14］，不考虑土体的后期固结和流变。盾构法施工工序比较复杂，能够较全面地模拟实际施工情况，能更真实地反应出施工过程对周边环境的影响。单元材料随盾构推进变化情况如图2 所示，具体阶段如下:
图2 单元材料随盾构推进的变化情况
2． 3． 1 土体开挖阶段
根据经验一般将盾构的推进力设置为总推力的1 /3，对开挖土体表面施加均布荷载0． 169 MPa 模拟推进力。在模拟隧道开挖时，不同开挖步长对计算结果的影响较小。为了节省计算时间，本文取盾构向前推进的步长为1． 5 m，开挖30 步，共开挖60 m。
2． 3． 2 注浆阶段
盾尾注浆是通过4 个注浆孔把浆液注入衬砌( 管片) 和土层的空隙内，4 个注浆孔的注浆压力不相等。虽然底部2 个注浆孔的注浆压力比较大，但是影响范围有限，如果对整个隧道周边的土体施加均匀的注浆压力，这与实际情况会有很大的差别。参考文献［15］的取值，本文模拟中取均布注浆压力为0． 3 MPa。通过在隧道周边施加均布荷载实现注浆压力的模拟，支护管片时激活注浆压力，在下一个开挖步开始时钝化。
2． 3． 3 衬砌( 管片) 拼装阶段
对应一个开挖步长( 1． 5 m) 的衬砌生成，同时取消注浆压力。依据实际情况，在2 步开挖以后进行衬砌拼装。
3 计算结果及分析
3． 1 桩基变形规律
根据布置在桥墩的监测点，分析盾构掘进对桩基沉降和侧移的影响，工程实际监测中分别采用全站仪和水准仪测量桩基的水平位移和沉降值。根据实际监测要求分别对盾构到达前、盾构穿越时和盾构通过后3 个阶段进行重点监测，监测方案要求盾构通过时按3次/d 测量。
桩基的水平位移和竖向位移随着开挖面推进的变化情况如图3 所示。由图3 可知，桩基的水平位移和竖向位移随着盾构开挖面逐渐靠近桩基所在平面而不断增大，当盾构的尾部到达桩基所在横截面时，桩基位移变形达到最大值，随后逐渐减小直至最终稳定。这主要是因为当盾构尾部到达时，由于盾尾的卸荷作用使得土体产生相对较大的位移，从而引起桩基运动，当盾构尾部通过桩基平面后土体变形开始趋于稳定，进而桩基的变形也逐渐稳定。因此，对于桩基所在土质不好或者对桩基变形有严格控制要求的工程，在盾构开挖面快要到达桩基截面之前应该加大监测频率，盾尾通过后可以适当减少。由图3 可以看出，本文模拟结果与实测结果取得了很好的一致性。
图3 桩基变形随盾构掘进的变化
3． 2 遮拦效应分析
为了更好地探究盾构法施工条件对桩基群的影响，笔者在上述研究的基础上，取单一土层进行分析，即只在表2 中取土体的材料参数，不考虑基岩，其他参数不变，讨论土体c、φ 值和桩隧间距X 的单个因素变化对群桩遮拦效应的影响。为了方便分析，现定义群桩遮拦效应系数公式如下:
式中: Wt、W't分别表示单桩和群桩中同桩位处桩基的桩顶沉降; Pt，max、Ut，max和Mt，max为单桩由于隧道开挖引起的桩体最大轴力、水平位移和弯矩; P't，max、U't，max和M't，max为群桩同桩位处桩体最大轴力、水平位移和弯矩; ηS、ηA、ηD和ηB分别为桩体竖向位移、轴力、水平位移和弯矩遮拦效应系数［3］。
图4 和图5 为土体不同c 值时桩基的附加位移和附加内力结果图，图6 和图7 为土体不同φ 值时桩基附加位移和附加内力结果图。从图5—8 可以看出，桩体附加位移和附加内力随着c、φ 值的增大而减小。这是由于土的抗剪强度随着土的黏聚力和内摩擦角的增大而增加，其抵抗变形的能力也增强，从而桩基的附加位移和附加内力也就越小。不同c、φ 值时遮拦效应系数见表3，由表3 可知，附加内力的遮拦效应系数几乎全大于10%，尤其是轴力; 而附加位移几乎全小于10%，尤其是水平位移。这说明盾构施工条件下对位移的遮拦效应影响远低于对内力的影响，特别是是轴力，且前排桩的遮拦效应系数总是小于后排桩的遮拦效应系数，这表明后排桩的遮拦效应比前排桩的遮拦效应明显，这与文献［3］和［4］得到的结果一致。由得到的遮拦效应系数可以看出，增大土体c、φ 值遮拦效应系数呈现减小的趋势，即c、φ 值越大单桩和群桩中同桩位处附加位移和附加内力相差越小，遮拦效应越不明显。由此可以推测出，当黏聚力和内摩擦角足够大时，单桩和群桩中同桩位处桩基的附加变形位移和附加内力是几乎一样的。由表3 可知，c 从20 到40 时前排桩水平位移、竖向位移、弯矩和轴力遮拦效应系数分别减小了22%、19． 6%、9% 和22%，后排桩减小了20%、17%、8． 4%和21%; c 从40 到60 时前排桩水平位移、竖向位移、弯矩和轴力遮拦效应系数分别减小了17%、12%、5% 和14%，后排桩减小了13%、9． 6%、2%和11%。c 值变化对水平位移、竖向位移和轴力的影响比较大，前排桩受c 值变化影响大于后排桩。φ从10°到20°时前排桩水平位移、竖向位移、弯矩和轴力遮拦效应系数分别减小了45%、39%、21%和27%，后排桩减小了33%、21%、19% 和24%; φ 从20° 到30°时前排桩水平位移、竖向位移、弯矩和轴力遮拦效应系数分别减小了45%、39%、21%和27%，后排桩减小了33%、21%、19% 和24%。φ 值变化对桩体的影响和c 值变化对桩体的影响效果是一样的。
图4 c 值对群桩遮拦效应的影响( 前排桩)
图5 c 值对群桩遮拦效应的影响( 后排桩)
图6 φ 值对群桩遮拦效应的影响( 前排桩)
图7 φ 值对群桩遮拦效应的影响( 后排桩)
表3 不同c、φ 值时遮拦效应系数
图8 和图9 为桩距隧道轴线不同距离X 时桩基附加位移和附加内力结果图。由图8 和图9 可知，桩基的附加位移和附加内力都随与隧道轴线距离的增加而减小，而且距离隧道轴线越近其桩身变形和受力越复杂。这主要是由于隧道周围的土体距离隧道轴线越近土体受到扰动越大，变形越大，从而带动桩基变形也就越大。不同X 时遮拦效应系数见表4，由表4 可知，X 从2 m 到9 m 时前排桩水平位移、竖向位移、弯矩和轴力遮拦效应系数分别减小了74%、29%、33% 和45% ，后排桩减小了59%、25%、31%和47% ，水平位移受到桩隧间距影响最大，其次是轴力，受影响最小的是竖向位移; X 从9 m 到15 m 时前排桩水平位移、竖向位移、弯矩和轴力遮拦效应系数分别减小了15%、14%、16% 和24% ，后排桩减小了9%、11%、10% 和18% ，此种情况下只有轴力受桩隧间距影响相对较大。从桩体遮拦效应系数减小比例可知，桩体距离隧道轴线越近，前排桩的遮拦效应系数和后排桩的遮拦效应系数相差越大，即群桩的遮拦效应越明显。当桩体远离隧道轴线一定距离时，遮拦效应不再明显，尤其是对附加位移的影响。这是因为群桩的存在会对周围土体起到“加筋”作用，且距离隧道轴线越近“加筋”效果越明显，从而很大程度上抑制了土体的变形，表现出来就是群桩中前排桩基的变形和内力比后排桩大很多，当距离足够远时“加筋”作用的遮拦效果将不再明显。
图8 X 值对群桩遮拦效应的的影响( 前排桩)
图9 X 值对群桩遮拦效应的的影响( 后排桩)
表4 不同X 时的遮拦效应系数
4 结论与讨论
采用三维数值分析方法，结合现场监测数据分析了盾构掘进过程中群桩桩基位移的变形规律，在此基础上分析了群桩遮拦效应系数在不同土体c、φ 值和桩隧间距X 时的情况，得到以下结论:
1) 数值计算和模拟结果表明，在盾构隧道施工过程中，当盾构开挖面接近桩基平面时桩基稍微隆起，竖向位移减小; 当盾构尾部通过桩基平面时桩基达到最大变形，随后逐渐稳定。
2) 土体的c、φ 值越大，桩隧间距X 越小，桩基变形和内力越复杂。土体的c、φ 值越大，群桩桩基的竖向位移和水平位移越小，当c≥60 或者φ≥30°时，群桩中后排桩基的竖向变形和水平变形对桩基的影响几乎可以忽略。桩隧间距X 越小对桩基弯矩的影响越明显，当X≤2 m 时桩基弯矩越复杂。
3) 土体的c、φ 值越大，桩隧间距X 越小，遮拦效应越不明显，c、φ 值的变动对桩体水平位移、竖向位移和轴力的影响比较大，桩隧间距X 对水平位移和轴力影响较为明显。
本文研究了不同土体c、φ 值和桩隧间距X 时2 × 2群桩的遮拦效应，对于多于2 × 2 的群桩未做进一步研究，建议进一步对此进行后续研究。
摘自：隧道建设