流变性软土隧道施工与运营期群桩响应分析

杨若霖

摘要：在软土隧道施工与运营期间，隧道周围土体沉降会对附近建筑物产生不利影响。文章采用两阶段分析方法，借助有限差分软件3DFLAC探讨在考虑软土流变特性时隧道施工期与运营期的土体沉降与邻近群桩受力情况。第一阶段，当隧道处于开挖阶段时，采用位移控制法分析隧道开挖引起的土体短期沉降，将模型中的土体沉降槽曲线、桩体挠度、沉降、弯矩、轴力与相关文献计算结果进行对比，验证数值模型的正确性。第二阶段，当隧道处于运营期时，采用CVISC流变模型对土体长期沉降与群桩附加受力进行计算，探究CVISC模型中4个参数对土体变形及群桩响应的影响，并提出隧道运营期长期沉降拟合公式。

关键词：桩基响应；隧道；施工及运营；流变特性；软土；两阶段分析方法

1引言

随着城市基础建设的发展，城市地下轨道交通工程也在快速发展。在隧道建设过程中不可避免地会引起周围土体的沉降，进而扰动附近桩体，影响桩体的承载力与稳定性。目前，国内外很多学者对隧道开挖引起的桩体响应进行了研究。在试验方面，Morton与Loganathan分别开展了室内模型试验与离心机试验，总结了隧道开挖引起桩体响应的分布规律。在理论分析方面，Loganathan基于实际工程资料提出了计算隧道开挖引起的土体位移的半经验公式，并根据土体位移公式给出了桩体响应的数值解；黄茂松基于Loganathan的半解析解，采用Winkler地基模型计算了被动群桩遮拦效应。在数值模拟方面，朱逢斌、柳厚祥、王炳军采用分步开挖方法模拟实际工程中的盾构掘进过程，并分析了桩径、桩体位置等因素对桩体响应的影响；杜佐龙、韩进宝采用两阶段分析方法，根据Chen建议的隧道断面变形，通过直接在隧道边缘施加节点速度来模拟开挖，以此计算由于隧道开挖引起的桩体响应。

以上研究仅考虑由于隧道开挖引起的土体短期沉降。而在我国沿海地区，软粘土分布广泛，研究表明，隧道开挖后软粘土流变长期沉降占总沉降的30%~90%。这说明，在软土中开挖地铁隧道时还应对土体的长期流变变形效应进行分析。目前部分学者对隧道长期流变变形进行了探究，如Bowers、OʹReilly通过对实际工程进行长期观测，提出隧道土体长期沉降在呈一定的速率增加后趋于收敛；Yi通过有限元计算分析了隧道周围扰动土体和盾构推进力对长期沉降的影响；Hg通过二维平面应变的有限元计算模型模拟了隧道瞬时沉降与长期沉降；张冬梅基于数值模拟采用分步开挖法研究了隧道在运营期间土体的流变变形。但这些研究着重讨论流变性软土沉降规律，并未探讨长期沉降对桩体的附加效应，同时，在一些数值模拟分析中，多数采用分步开挖模拟方法。尽管采用分步法模拟施工过程较为准确，但由于计算过程较为繁琐，且软土长期沉降受开挖过程影响较小，故可选用更为合适的经验方法进行替代。

本文主要采用两阶段分析方法来探讨隧道施工及运营期间引起的桩体响应。在第一阶段，当隧道处于施工期时，采用位移控制法模拟隧道开挖过程，并与相关文献计算结果进行对比验证，深入分析桩土相互作用的力学机理；在第二阶段，当隧道处于运营期时，考虑土体的流变特性，探究流变变形对群桩的挠度、沉降、弯矩、轴力的影响，提炼流变元件模型中4个附加物理参数与沉降槽之间的关系，进而预测软土长期沉降中的流变变形。

2两阶段分析方法

2.1第一阶段（施工期）

采用DCM法对隧道开挖进行数值模拟。该方法具备以下优点：建模简单，计算方便，能直接分析地层损失率的影响；采用大量的实测数据作为基础，在模拟中符合实际情况。

DCM法大多采用均匀收缩模式或非均匀收缩模式对盾构隧道洞周变形进行模拟。随着盾构掘进，位移的收缩模式更接近于椭圆形非均匀收缩模式，故此处采用该位移模式。Loganathan给出了地层损失率与间隙参数g之间的关系：

（1）

（2）

2.2第二阶段（运营期）

在隧道运营期，通过CVISC模型模拟土体流变特性，分析土体附加沉降及桩体响应。根据室内流变单轴加载试验，一般将流变划分为三个阶段：即减速流变阶段、等速流变阶段和加速流变阶段。流变参数与应变之间关系式如下：

（3）

式中：为初始应力；，分别为Kelvin体。

3盾构隧道开挖模型

在x、y、z三个方向上的尺寸分别为110,米、24.8米、40米。隧道直径为6米，埋深为20米，附近桩体直径为0.8米，桩长为25米，两排桩的纵横间距均为3倍桩径，两排桩与隧道中心线的水平距离分别为4.5米和6.9米。

4模型验证

在开挖阶段，与Loganathan的GEPAN模型计算结果进行对比验证。计算结果存在差异及所产生原因如下：

（1）FLAC3D中弯距、挠度和沉降高于GEPAN程序计算结果。其原因在于，GEPAN计算程序中假设桩土接触面刚度无限大，故桩土界面水平向与竖向相对位移为0，而FLAC3D中由于设置切向弹簧与法向弹簧，故水平向与竖向均存在相对位移。由于水平向相对位移的差异，FLAC3D计算得到的挠度与弯矩较大；由于竖向相对位移的差异，FLAC3D得到的沉降较大。（2）从轴力结果来看，两种模型结果基本一致。桩体轴力为自身压缩产生的轴力与桩土之间的负侧摩阻力的合力，虽然FLAC3D中桩体沉降大于GEPAN计算结果，会导致桩体轴力增大，但在FLAC3D中，桩土接触面间的侧摩阻力小于GEPAN模型，因此最终使得两种模型计算结果差异较小。

5结论

本文主要采用两阶段分析方法，通过有限差分软件FLAC3D来探讨考虑软土流变特性时隧道施工期与运营期的土体沉降与桩体受力，对比分析开挖阶段与运营期的土体沉降槽曲线、桩体挠度、沉降、弯矩和轴力，得出如下结论：

在隧道附近，由于应力释放，M-C塑性模型洞周土体产生较大塑性区域，因此，相比于弹性模型，土体沉降较大；而距离洞周较远处无塑性区域，即在隧道远端，M-C塑性模型与弹性模型的土体沉降基本相同。另外，由于应力释放，隧道附近土体应力水平小于隧道远端土体应力水平，而流变变形随着应力水平的减小而减小。因此，在流变模型中，隧道附近土体长期附加沉降将小于远端土体附加沉降。

在隧道运营期，相比于开挖阶段，桩体沉降增加约14%，轴力增大约50%，弯矩与挠度变化幅度不大。这主要是因为土体附加位移随土体应力增大而增大，在考虑流变特性时，土体自重应力相比于水平应力更大，故土体自重应力方向附加沉降较大，水平方向附加土体位移较小。因此CVISC模型与M-C模型桩体挠度与弯矩差异较小，轴力与沉降差异较大。

CVISC模型中，Kelvin体粘壶系数对土体沉降和桩体受力与变形几乎无影响，而另外3种参数与隧道中心点对应的地表沉降呈线性关系。基于此本文提出了软土长期沉降拟合公式，可用于软土流变作用下地铁运营期沉降的预测。

参考文献

[1]黄茂松,李早,杨超.隧道开挖条件下被动群桩遮拦效应分析[J].土木工程学报,2007,40(6):69-74.

[2]朱逢斌,杨平,OngCW.盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分析[J].岩土工程学报,2008,30(2):298-302.

[3]柳厚祥,方风华,李宁,等.地铁隧道施工诱发桩基变形的数值仿真分析[J].中南大学学报(自然科学版),2007,38(4):771-777.

[4]王炳军,李宁,柳厚祥,等.地铁隧道盾构法施工对桩基变形与内力的影响[J].铁道科学与工程学报,2006,3(3):35-40.

[5]杜佐龙,黄茂松,李早.基于地层损失比的隧道开挖对临近群桩影响的DCM方法[J].岩土力学,2009,30(10):3043-3047.

[6]韩进宝,熊巨华,孙庆,等.邻近桩基受隧道开挖影响的多因素三维有限元分析[J].岩土工程学报,2011,33(S2):339-344.