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地铁隧道施工对邻近桩基建筑物的影响研究

时间：2021年02月05日 分类：推荐论文 次数：

摘要:以南昌地铁二号线侧穿某高层桩基建筑物为背景，利用ABAQUS有限元三维建模，研究了盾构隧道侧穿建筑物桩基过程对桩基的影响。结果表明，建筑物桩基水平位移增长与其距掌子面距离有关，通常距离掌子面越近桩基变形增长越大，当距离超过一定值，隧道开挖对

　　摘要:以南昌地铁二号线侧穿某高层桩基建筑物为背景，利用ABAQUS有限元三维建模，研究了盾构隧道侧穿建筑物桩基过程对桩基的影响。结果表明，建筑物桩基水平位移增长与其距掌子面距离有关，通常距离掌子面越近桩基变形增长越大，当距离超过一定值，隧道开挖对桩基变形几乎无影响，隧道开挖完成后靠近隧道侧桩基变形基本一致;隧道侧穿建筑物桩基过程中对桩身弯矩值影响较大，对其延桩深变化规律影响较小，且距离掌子面越近弯矩值变化越大，隧道开挖完成后靠近隧道侧桩身弯矩基本保持一致。

　　关键词:侧穿;桩基变形;桩身弯矩;倾斜;沉降

隧道施工

　　0引言

　　近年来我国地下轨道交通工程发展迅速，其中盾构法施工在地铁修建中扮演着重要角色。盾构机掘进过程中常有侧穿、下穿一些既有高层建筑物，其中不乏穿越桩基建筑物，盾构隧道施工时会对周围土体产生扰动，而引起建筑物桩基产生一定附加应力和位移。因此研究盾构隧道施工对临近既有桩基建筑物的影响具有重要的意义。目前，国内外许多学者在盾构隧道施工方面做了较多研究，如Katebi等[1]利用ABAQUS有限元软件详细分析了隧道埋深、土体参数、隧道与建筑物间距、建筑物刚度等因素对衬砌应力及变形的影响。

　　Lambrughi等[2]利用数值计算方法结合现场实测数据，详细分析了土体采用修正剑桥模型和摩尔库伦模型时地面沉降情况，并将计算结果与现场实测值比较，得出采用修正剑桥模型计算出的结果与现场实测值更加接近。Wang等[3]、贺美德等[4]以北京地铁隧道近距离侧穿高层建筑物为背景，利用有限元软件，并结合现场实测数据，研究了盾构隧道达到建筑物之前、侧穿过程及离开后3阶段，建筑物的沉降及倾斜变化规律。

　　张泽民等[5]以天津地铁3号线下穿2座历史风貌建筑物为背景，采用现场实测的方法，研究分析了不同施工阶段对建筑物变形影响的规律特点。本文以南昌地铁2号线侧穿某高层桩基建筑物为背景，利用ABAQUS有限元软件建立了三维计算模型，分析了盾构隧道到达建筑物桩基之前、侧穿建筑物桩基过程及离开之后3个阶段对桩基及建筑物沉降和倾斜的影响。

　　1工程概况

　　该工程为南昌地铁2号线阳明路段盾构隧道侧穿邻近既有高层桩基建筑物。邻近建筑物为12层钢筋混凝框架结构，总高度为37.5m，建筑物基础为钻孔灌注桩基础，桩径为1.0m，桩长19.6m，桩基净距为2m，矩形筏板承台长43m，宽16m，高2.5m。盾构隧道直径为6m，埋深11m，与建筑物水平净距为3.2m。

　　2数值分析

　　2.1数值模型及边界条件

　　为消除有限元计算时边界条件对模型应力应变的影响，选取模型尺寸长100m，宽60m，高40m。土体本构模型采用修正剑桥模型。利用ABAQUS中小应变分析及“Soils”分析步考虑土体中的流固耦合作用。土体模型包含49786个计算单元，单元计算类型为C3D8P，相对于C3D8R，C3D8P增加了孔压自由度，以对应本文考虑的流固耦合分析。土体四周约束其法向位移，底面约束其竖向位移，地表面设置为不排水边界条件。

　　2.2建筑物模拟

　　建筑物为高37.5m的混凝土框架结构，矩形筏板承台，加上钻孔灌注桩基础，三者均采用三维实体单元建模。建筑物共包含26938个计算单元，单元类型为C3D8R，并利用“Enhanced”命定控制计算过程中可能产生的沙漏。矩形筏板承台与土体及桩顶面采用tie约束;桩侧面与土体之间采用面-面接触，切线方向为摩擦接触，摩擦系数为0.35，法向为硬接触。建筑物本构模型选用弹性模型，弹性模量30GPa，泊松比0.2，密度为2600kg/m3。

　　2.3隧道衬砌及盾尾注浆模拟

　　实际情况中衬砌管片施工完成后，应及时进行盾尾注浆，以将衬砌与土体之间的间隙填充密实。本文衬砌和注浆体均采用三维实体建模，计算单元个数均为2706，单元类型C3D8R，利用“Enhanced”命定控制计算过程中可能产生的沙漏现象。

　　注浆体内表面与衬砌外表面，及注浆体外表面与土体之间均采用tie约束。隧道衬砌计算本够选择弹性模型，密度为2600kg/m3，泊松比为0.2，弹性模量按如下方式选取。衬砌管片之间的接头，引起衬砌刚度之间的不连续，而在接头部位衬砌刚度相对较低，此问题国内外已有学者做过相关研究，其中应用最多是日本学者Koyama提出的将衬砌刚度折减20%～40%。

　　本文取折减系数ξ=0.3，因此折减后隧道衬砌刚度为:E=(1-ξ)Et=(1-0.3)×35000=24500(MPa)其中:E为衬砌的有效弹性模量，Et为钢筋混凝土实际弹性模量。注浆体刚开始时较软，弹性模量较低，随着时间的增加而逐渐硬化，本文利用ABAQUS中温度场变量实现此过程，刚开始弹性模量设置为0.1MPa，随着时间增加弹性模量逐渐增大，最后完全硬化后弹性达到15MPa。注浆体密度为1950kg/m3，泊松比由0.42减小至0.22。

　　2.4开挖过程模拟

　　隧道开挖过程及衬砌和注浆体的施工，利用ABAQUS中生死单元功能实现，建筑物范围以外开挖步长取7m，建筑物区域内开挖步长取3m，如图2所示。实际工程中采用土压平衡盾构，盾构机刀盘表面与掌子面的土压力保持平衡，为此每开挖完成一步，需在掌子面上施加一个梯形分布的面荷载。荷载大小为:P=207.96+20.1×(29-Z)，其中207.96kPa为隧道顶部的荷载，20.1kg/m3为隧道区域内土体加权平均容重，29m为隧道顶部的Z坐标(Z=29～23m)，由此可计算出梯形面荷载分布为207.96～328.56kPa。

　　2.5计算模型物理力学参数

　　土体采用修正剑桥模型，此模型中包括对数硬化模量λ、对数弹性模量κ，其值可分别取为Cc/2.303、Cs/2.303，Cc、Cs为土体的压缩指数和膨胀指数;初始孔隙比e0，渗透系数k(m/s)，密度ρ(kg/m3)，泊松比ν;临界状态线斜率M，其值可取为M=6sin/(3-sin)，为土体内摩擦角;β为控制屈服面形状参数，取β=1;K为三轴拉伸流动应力与三轴压缩流动应力的比值(0.778≤K≤1)，本文取K=1。

　　3计算结果分析

　　盾构隧道施工侧穿桩基建筑物时，由于桩基周围土体应力状态发生变化，而导致桩基产生附加应力及变形，同时建筑物也会发生不均匀沉降及倾斜。为研究盾构隧道达到建筑物桩基之前、穿越桩基过程及离开桩基后3个阶段建筑物桩基的应力及位移的变化情况，本文选取图3中①号、②号、③号桩作为分析对象;并选取3根桩9m处的A、B、C3个点作为观测点(由计算可知大约在9m出位移最大)。

　　4结语

　　依托南昌地铁2号线侧穿某临近桩基建筑物，利用ABAQUS三维建模对盾构隧道开挖过程所导致建筑物桩基水平位移、弯矩和建筑物倾斜及沉降的变化进行了详细分析，得出如下结论。

　　1)建筑物桩基水平位移增长与其距盾构隧道掌子面的距离有关，距离掌子面越近的桩基位移变化越大，且当隧道掌子面与桩基距离超过一定距离时，隧道开挖对建筑物桩基的变形几乎无影响;隧道开挖完成后靠近隧道侧建筑物桩基变形基本一致。

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　　2)隧道穿越桩基过程中对桩基弯矩大小影响较大，对桩基弯矩变化规律影响较小，且桩基距离掌子面越近，弯矩值变化越大;当隧道掌子面与桩基距离超过一定值后，隧道掘进对桩基弯矩几乎无影响;隧道开挖完成后，靠近隧道侧建筑物桩基弯矩基本一致。

　　参考文献:

　　[1]KatebiH，RezaeiAH，Hajialilue-BonabM，etal.Assessmenttheinfluenceofgroundstratification，tunnelandsurfacebuildingsspecificationsonshieldtunnelliningloads(byFEM)[J].Tunnelling&UndergroundSpaceTechnology，2015(49):67-78.

　　[2]LambrughiA，RodríguezLM，CastellanzaR.Developmentandvalidationofa3DnumericalmodelforTBM-EPBmechanisedexcavations[J].Computers&Geotechnics，2012，40(1):97-113.

　　作者：魏正明

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