广州大学土木工程学院广东广州510006
摘要：近年来，随着中国经济高速的发展，城市人口越来越密集，各大城市地下轨道交通建设进入规模化发展阶段，随着地铁项目建设，不但可以有效缓解城市交通拥堵问题，保障市民快速方便出行，还可以带动城市周边发展，将城市中心主流人口向城市周边分流，这不仅促进城市持续健康的发展，而且成为一个城市现代化水平和经济发展的重要标志。地铁隧道开挖是一个极其复杂庞大的工程，它受地质构造、周边环境、施工技术以及众多不确定性因素影响，进一步了解隧道开挖都周边环境的影响，对掘进施工的参数优化有着重要的现实意义。
关键词：盾构隧道；地形变形；轨道交通；桥桩基础；控制措施
引言
中国是目前全球城市轨道交通运营里程最长的国家。根据中国城市轨道交通协会统计信息，截至2018年末，中国内地共计35个城市开通城市轨道交通，运营线路185条，运营线路总长度5,761.4公里。2018年新增运营线路20条，新增运营线路长度728.7公里。对于地铁的大量的新建，施工将不可避免穿越或临近桥梁、铁路、既有建筑物，地铁朝着结构复杂、规模大的方向发展，施工的环境越发的复杂多变。由于工程技术、管理不善原因致使基坑事故频发，导致的伤亡和经济损失也随之而来。因此，地铁盾构隧道施工期间，监控预测周边土层产生的位移变形和沉降，制定一套完整有效的防控措施方案，以减小周边土体扰动为目的，对保证既有地下管线及地下结构的安全非常有利。
1盾构施工引起的地层变形规律及其邻近桥桩的影响
1.1盾构施工引起的土体位移变化机理
盾构隧道掘进所造成的地表沉降一般可以分为5个阶段[1]，依次是初期沉降、掘进面沉降、盾尾沉降、盾尾空隙沉降和长期延续沉降。目前研究中，地层位移的影响因素[2]主要有：覆土层厚度、地层变形模量、土体损失、盾构掘进速度、施工因素等。盾构隧道的施工是一个复杂的过程，在施工过程对周围土体的影响是多方面的。按照开挖方向可以分为四种[3]，分别是固结区、卸荷扰动区、剪切扰动区以及挤压扰动区。
1.2盾构施工引起土体水平位移及竖向位移
隧道施工过程中，隧道的埋深是影响土体水平位移变化的一个重要因素，隧道下部土体位移变化较小，而上部土体水平位移方向的变化规律呈抛物线形[4]。目前计算地基变形的重要方法主要有分层总和法和明德林解，研究隧道开挖所引起的地层沉降常用的方法是用地表沉降来计算，研究隧道开挖所造成的地表沉降主要用地表沉降槽法。
1.3盾构施工对既有桥桩基础的影响
影响桥桩变形的主要因素[5]有：桩基周围土体性质、施工方法、地下水位等。大量工程数据证明，隧道邻近桥桩的倾斜变形和沉降，是由桥桩底与隧道水平中心线的空间位置所决定，这种规律是在假设二者水平距离不发生变化的情况下进行的，也就是说对不同桩长来分析其影响。
1.4盾构近接桥梁桩基变形防控技术
参数优化防护措施包括：开挖面的控制、同步注浆、调整盾构姿态。工程措施包括：土体加固、隔断墙、桩基托换。桥梁桩基抗变形能力受多个方面因素的影响，主要有桥梁相关参数、结构形式和荷载形式等，要制定出由隧道盾构开挖时，既有桥桩基础变形防控的统一标准，其难度较大且相对复杂。
2隧道施工对既有桥桩的力学影响分析
2.1桩土相互作用
桩周围土体与桩的相互作用是影响桩基承载力大小的关键因素[6]，在评估桩基承载力的过程中起着决定性作用。作用在桩上的荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担，桩侧摩阻力和桩端阻力的分担比例主要受桩侧和桩端土的物理力学性质、桩的形式、桩与土的相对刚度及施工方法的影响。目前工程受荷桩按承载力主要来源可以分为端承桩、摩擦桩、摩擦端承桩及端承摩擦桩。
2.2负摩擦力
当隧道开挖的时候，就会对周围地层产生一定程度的扰动，周围土体会产生相应的变形，桩基与土的相互作用也会发生改变。当桩周围土层的下沉量大于相应深度处桩身的下沉量，即土层相对桩产生向下的位移时，土对桩侧产生向下的摩擦力。如果桩侧的负摩阻力过大，严重的削弱桩的承载力能力，同时会引起桩身产生新的附加沉降导致桩基础功能的实效，上部结构的稳定性降低。
2.3隧道施工对桩身竖向位移的影响
在水平方向上距离隧道相同的位置上，增加桩基的长度能明显减小隧道开挖引起的竖向位移，桩基长度越大，受隧道开挖土体扰动造成的沉降量越小，同一根桩桩底较桩顶竖向位移较大，说明隧道开挖对下层土体的扰动大于上层土体的扰动，扰动效果在桩身由下往上影响效果递减。
2.4承载力损失
竖向受压桩的破坏模式与桩的传力性状、桩身材料和桩周围土体性能有密切关系，虽然竖向荷载作用下桩的破坏形态各异，但归纳起来大致分为桩身结构破坏和桩周围土体破坏。桩竖向承载力取决于桩周围土对桩的支承能力和桩自身的结构强度所允许的最大竖向荷载，因此桩竖向承载力应分别按照桩身的结构强度和地基土对桩的支承能力来确定，取其中最小值。为了保证桩安全可靠的传递荷载，桩身结构何必有足够的强度，而地基土的承载能力只能依现场条件而定，所以后者往往成为竖向承载力的控制因素。
3国内外地铁隧道开挖工程研究的现状
随着计算机技术的飞速发展，数值法被公认为解决工程难题最有效的方法，具有通用性。与以往的经验法、简化计算法相比，数值法的突出优点是能够考虑到施工中各种影响因素，对实际情况进行仿真模拟。因此，数值法越来越广泛应用于隧道施工的变形计算中。
肖立采用有限元法仿真模拟盾构隧道穿越铁路干线的施工过程，分析由施工造成的地表沉降规律，并研究盾构施工对地表的影响范围邱明等人以南昌地铁盾构工程为依托，利用FLAC3D仿真计算软件模拟了富水砂层条件下的盾构施工，并通过对施工现场实测资料的分析得到盾构施工下的地表沉降规律。计算表明，地表横向沉降呈现凹形，盾构隧道正上方的地表沉降最大，盾构施工的地表横向影响范围大约为6倍隧道直径。M.Hisatake在分析浅埋暗挖施工所引起的地层沉降时用到了边界元法，他考虑到了隧道施工速度、开挖位置等因素的影响。张冬梅等针对地铁隧道掘进过程中对周边既有深基坑的影响问题，通过三维数值分析方法，对隧道施工的动态施工工况进行了数值模拟。
参考文献
[1]马亚丽.盾构隧道开挖对邻近桩基影响的数值模拟研究[D].大连理工大学,2012.
[2]魏纲．盾构法隧道统一土体移动模型的建立．岩土工程学报，2007，29（4）：554-559
[3]李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004.
[4]朱忠隆.盾构法施工对土体影响理论与试验研究[A].岩石力学与工程学报,1999.
[5]柳厚祥.地铁隧道盾构施工诱发地层移动机理分析与控制研究[D].西安理工大学,2008.
[6]戴宏伟,陈仁朋,陈云敏.地面新施工荷载对临近地铁隧道纵向变形的影响分析研究[J].岩土工程学报,2006(03).