《Soils and Foundations》：Numerical insight into twin tunnelling-induced soil-structure interaction in battered pile-supported systems under lateral loading
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本文针对软黏土中既有斜桩基础在邻近双线隧道施工影响下的响应问题，通过三维固结有限元分析，系统研究了隧道不同埋深（近桩身、近桩端、桩端以下）对高承台斜桩群和斜桩筏板基础受力变形特性的影响。结果表明，隧道近桩端施工时基础侧移及差异沉降最大；与高承台桩基相比，筏板通过土-筏相互作用显著降低了基础变形；隧道施工还改变了桩身轴力分布和弯矩。研究为城市密集区隧道近接桩基工程的设计与防护提供了重要见解。
随着城市化进程的快速推进，地下空间的开发利用日益频繁，双线乃至多线隧道紧邻既有建筑基础施工的情况变得司空见惯。这引发了一个棘手的工程难题：隧道开挖过程中的应力释放和地层位移，不可避免地会对邻近桩基的受力性能和变形控制产生不利影响。特别是对于那些采用斜桩（Battered Piles）来显著提高水平承载力的基础形式，例如桥梁的高承台斜桩群和建筑的斜桩筏板基础，隧道施工带来的风险更为复杂。目前，关于单隧道对竖向桩基影响的研究已有不少，但对于双线隧道先后掘进引起的叠加效应，尤其是对斜桩基础体系的系统性研究仍相对缺乏。为了填补这一空白，深入探究双线隧道与斜桩基础之间的相互作用机理，对于确保城市地下工程和地面结构的安全至关重要。
本研究采用三维耦合固结有限元法，对软黏土中承受水平荷载的（2×2）高承台斜桩群和斜桩筏板基础在邻近双线平行隧道施工过程中的响应进行了精细模拟。研究重点关注了隧道相对于桩基的不同埋深位置（近桩身、近桩端、桩端以下）的影响，并对比了两种基础形式的性能差异。相关成果发表在岩土工程领域期刊《Soils and Foundations》上。
研究采用了几个关键的技术方法：首先是利用Abaqus软件进行了三维耦合固结有限元分析，能够模拟隧道开挖过程中的超孔隙水压力产生与消散；其次，土体采用了结合小应变刚度特性的高级亚塑性粘土模型（Hypoplastic clay model with intergranular strain），其参数通过离心机试验数据进行了验证，确保了隧道引起的地层变形的真实模拟；再者，使用“单元生死”技术模拟隧道分步开挖过程，并控制体积损失为2%以代表软土中的典型值；最后，通过接触面理论准确模拟了桩-土和筏板-土之间的相互作用。
4.1. 高承台斜桩群侧向承载力评估
在隧道开挖前，首先通过数值侧向荷载试验确定了高承台斜桩群在工作荷载下的侧向承载力。采用双曲线模型拟合荷载-位移曲线，得出其极限侧向承载力约为2 MN，初始刚度约为40 MN/m。据此确定了1500 kN作为后续隧道影响分析中的工作荷载。
4.2. 不同C/D比下隧道施工引起的承台与筏板侧移
隧道开挖导致基础和筏板产生了朝向先施工隧道（Tunnel 1）的附加侧向位移。出乎意料的是，最大的侧向位移发生在隧道埋深与直径比C/D = 2.33（即隧道近桩端）的情况下，而非最浅的C/D = 1.33。这主要是因为浅埋隧道主要影响桩侧摩阻力，而近桩端隧道施工则同时影响桩侧和桩端阻力。第二个隧道（Tunnel 2）开挖后，基础和筏板均表现出朝向Tunnel 1的进一步位移，这是由于Tunnel 1周围土体刚度退化以及持续作用的侧向荷载共同导致。在所有工况下，斜桩筏板基础的侧向位移均显著小于高承台斜桩群，降幅达46%-57%，这得益于筏板与土体接触提供的附加抗力。
4.3. 不同C/D比下隧道施工引起的桩身挠曲
隧道开挖导致桩身产生附加挠曲。最大挠曲发生在桩顶，并随深度增加而减小。在Tunnel 2开挖后，桩身上部（Z/Lp< 0.73）出现了朝向Tunnel 1的附加挠曲，这一反直觉的现象归因于Tunnel 1施工造成的土体软化以及侧向荷载的持续作用。与高承台桩基相比，斜桩筏板系统中的桩身挠曲始终较小，体现了筏板的约束效应。
4.4. 隧道施工引起的群桩差异沉降
差异沉降是基础设计的关键控制因素。隧道施工引起的应力释放导致了基础和筏板的差异沉降。最大差异沉降（0.67%）同样出现在C/D = 2.33（隧道近桩端）的高承台桩基案例中。相比之下，斜桩筏板基础由于筏板的贡献，差异沉降显著减小（TwinT_PR案例中降低83%至0.3%）。深层隧道（C/D = 3.53）施工引起的地层运动更为均匀，因此差异沉降较小。值得注意的是，Tunnel 2开挖引起的附加差异沉降在所有案例中均微乎其微。
4.5. 双线隧道引起的地层变形机理
地层位移矢量图显示，土体朝向两个隧道移动，在隧道周围最为集中。在桩基位置，位移矢量主要指向Tunnel 1，尤其在桩P1的桩端下方，这表明了局部化的显著沉降，这贡献了基础的侧移和差异沉降。在斜桩筏板案例中，地层位移模式相似但量值较小，筏板对限制地层变形起到了积极作用。
4.6. 筏板与土体间荷载传递机制的变化
筏板抵抗侧向荷载的贡献在隧道施工过程中发生变化。在Tunnel 1掘进期间，所有案例中筏板的侧向抗力均出现下降，这是由于隧道引起的地层运动和应力释放导致筏板周围土体约束减弱。在Tunnel 2掘进期间，仅在浅埋隧道（TwinS_PR）案例中观察到筏板侧向抗力的部分恢复，这是因为Tunnel 2引起的地表沉降槽较窄，使筏板得以重新接触先前分离的土体。
4.7. 斜桩桩身轴力分布的变化
隧道施工显著改变了斜桩的轴力分布。在隧道近桩身（TwinS）案例中，桩P1上部轴力显著减少，侧摩阻力降低约61%。在隧道近桩端（TwinT）和桩端以下（TwinB）案例中，桩P1的轴力沿全长减少，桩端阻力分别降低约20%和18%。荷载在桩之间重新分布，导致桩P2的桩端阻力大幅增加（最高达工作荷载下的2.8倍）。在斜桩筏板系统中，筏板承担了部分由隧道施工重新分布的荷载，从而减小了桩身轴力的变化幅度。
4.8. 斜桩桩身弯矩分布的变化
隧道开挖在桩身引起了显著的附加弯矩。最大弯矩出现在桩顶附近，这是由于桩与承台/筏板的刚性连接以及隧道引起的地层运动导致桩身弯曲所致。Tunnel 2开挖后，由于土体朝向Tunnel 2的运动，桩顶弯矩有所减少。与高承台桩基相比，斜桩筏板系统中的桩身弯矩明显减小（降幅达26%-46%），体现了筏板在约束变形和减小内力方面的优势。
4.9. 隧道施工对桩周土体围压和偏应变的影响
隧道施工导致桩周土体围压显著降低（最大达40 kPa）并产生偏应变（最大4%）。在隧道近桩身案例中，桩身上部围压降低导致侧摩阻力减小。在隧道近桩端和桩端以下案例中，桩身下部和桩端区域的围压降低影响了其承载性能。斜桩筏板案例中，筏板下方土体产生了显著的偏应变，表明筏板将荷载传递至下卧土体，这有助于减小整个基础系统的变形和内力量值。
本研究通过系统的数值模拟，深入揭示了软黏土中双线隧道施工对邻近斜桩基础工作性状的影响机理。主要结论强调，隧道相对于桩基的埋深位置是控制基础响应的关键因素，隧道近桩端施工时基础变形和内力响应最为显著。斜桩筏板基础凭借土-筏相互作用，在控制侧移、差异沉降和桩身内力方面均优于高承台斜桩群，表现出更好的整体性能。隧道施工引起的应力释放导致桩身轴力重分布和弯矩增加，对基础设计提出了更高要求。研究成果为准确预测隧道-斜桩相互作用、制定有效的工程控制措施提供了重要的理论依据和数值分析手段，对保障城市密集区地下空间开发与地面结构安全具有重要的实践指导意义。
