盾构隧道侧穿引起桥梁桩基础变形的数值研究

　　摘 要：随着城市轨道交通建设增多，轨道交通盾构穿越建筑物的情况时有发生。轨道交通隧道侧穿建筑物桩基，会对建筑物和地面产生影响，而隧道在不同位置穿越桩基础，对土体和桩基础影响不同。隧道施工引起土体变形常见分析方法包括有限元分析法、理论解析法和经验公式法。

　　关键词：盾构隧道;隧道埋深;偏心比;桩基础;数值分析;竖向变形

　　引言

　　随着我国公共交通运输的迅速发展，城市建筑和人口稠密地区下正在修建越来越多的地铁隧道。地铁隧道不得不穿过附近的重要建筑。因此，在护盾施工期间，他必须确保周围建筑物的正常运转，才能够穿越或机翼恶化。对于由盾牌引起的建筑物附近的问题，国内外学者进行了理论分析、数字模拟等，以计算和预测建筑物可能减少的情况，并将其保持在可接受的范围内，以确保相应建筑工程的安全和正常使用。

　　1隧道开挖对桩基础影响机理分析

　　隧道补偿产生了围绕桩外表面移动的土层的垂直变形。土的垂直变形导致桩基的另一垂直变形，桩基场周围的大规模应力分布以及桩的强深层变形，但在一定程度上，土层限制桩基直至达到。

　　2工程实例

　　城市轨道的一侧穿过人行天桥，人行天桥的地板有双钢带，柱长φ60厘米，桩长2×120厘米，桩长11m。隧道通向直径6.6米、宽度1.5米、深度1.5米的沟渠。

　　3有限元模型

　　FLAC3D利用有限差分软件模拟了地铁盾构穿越人行天桥侧面的施工。通过提取80米×30米×35米的模型尺寸来考虑模型边界的效果。基于上述设计背景，创建了桩基础模型：长度为4m、宽度为4m、高度为2m的便携包。支撑连接至13m桩的总长度，半径为0.6m(支撑顶部与地面齐平)，并且隧道出口方向与模型y轴方向一致。对隧道侧进行研究后，通过桩基础相对于隧道水平轴和断裂面的空间位置、隧道中心比和隧道深度来表示。桩、隧道施工水平中心线和轨道碎石面之间的相对空间关系见图1。隧道从隧道中心线到建筑物中心线的距离是建筑物长度的一半，隧道比隧道中心线到地面h的距离深，隧道补偿大于图例2的距离(x是隧道中心线到建筑物中心线的距离，L/2是建筑物长度)。

　　其中隧道偏心比可表示为：

　　地铁交通的平均深度为27米，导致电压降低。为此，设计了三维数值模拟计算，使莫尔库仑准则成为岩石块的理想基础模型。带有外部载荷的桩帽、盾构管片和电缆桥架的变形主要是使用弹性设计模型的弹性阶段。桩基础为C30混凝土，弹性模量为30GPa，泊松常数为0.2，密度为2.4g/cm3，底层表面用65kPa(根据人行天桥自重)代替建筑物自重。每次挖方时，挖方的面积单位都保留为空，从而将护盾埋在土层中。同时，在挖方区域上应用模拟盾构推力的手动支撑，并将护盾外壳推至7.5米。然后，软管组合、两个回路的反冲开始，仿真计算凹槽质量和管路组合参数，并模拟回路设计。

　　4桥梁结构竖向变形分析

　　护盾左右两侧最大垂直偏移为11.5mm，用于桥梁施工，在左侧护盾隧道附近的桥面中心进行灌注后。托板的最大偏差为5.3mm，支撑的最大偏差为2.2mm。对护盾左侧靠近桥面长轴的桥面变形进行了研究，以确定盾构开挖时桥面的垂直变形曲线。桥面的最大离隙值为10.5mm，并显示在中间位置。桥面缺勤值随护盾的增加而增加。由于护板靠近桥面，因此挖方对桥面的影响更大。右侧护盾距离桥梁很远，并且在挖方过程中无法看到桥梁的扭曲。

　　5数值模型及边界条件

　　本文计算了有限元计算中约束对模型拉伸的影响，如图2所示。选取100m、60m宽和40m高模型标注。质量分量模型采用修正剑桥模型。采用ABAQUS分析进行中小应变和土壤分析，考虑地球上强流耦合。体量模型包含4986个计算单元，计算类型为C3D8P，压力自由度高于C3D 8R，以考虑本文中要考虑的流量阻力分析。地面依赖于正常位移，底面依赖于垂直位移，曲面依赖于没有排水系统的边界。在该图中，J1-J4是地面垃圾观测点，其中J2正好位于隧道上方。

　　6不同偏心比对桩基础的影响

　　隧道垂直变形是边桩施工过程中的一个历史过程。当隧道出口到第五个施工步骤时，由于距桩基础最远，四个不同的偏心比垂直e变形减小。桩基础的竖向变形随着施工现场的进一步加工而增大，在施工步骤20中达到最大值。偏心率为0.5时，隧道出口对樁基影响较大，垂直立柱变形的最大值约为。10mm。如果隧道不随机穿过桩基，隧道出口对桩基影响最小，竖梃垂直变形的最小值约为。8mm由于四种不同的偏心率，可以看出，偏心率e在0～1.5之间，当偏心率为0.5时，竖梃的垂直变形会增大和减小，其中竖梃的垂直变形最大。当偏心率在0.5-1.5范围内时，桩帽的垂直衰减会降低。e值为1.5时的最小偏心率。

　　7建筑物模拟

　　该建筑是高度为37.5m的混凝土框架构件、矩形木筏支撑和冷料井底部，所有这些都是使用三维实体单位建模的。该建筑总共包含26938个计算单元，单元类型为C3D 8R，并使用“优化”命令控制计算过程中可能产生的沙漏。矩形船队要求使用从实体和桩的顶部附着的约束。桩侧与土接触面，切线方向为摩擦系数0.35，法向为硬接触。建筑设计模型(可选)柔性模型，柔性模块30GPa，蒲松氏常数0.2(2600kg/m3)。

　　8桩基顶部竖向位移

　　偏移计数器用于记录桩帽顶部的垂直偏移。分析发现，桩帽的顶部坡度值和35厘米长的桩帽垂直位移值远低于桩帽顶部坡度值和桩帽垂直位移值。隧道开挖后，由于土壤质量损失的原因，土壤偏移场发生变化，桩的分裂导致隧道附近的压强减小，桩相对向下偏移。当桩长为45厘米时，由于桩母土的垂直位移，导致桩的阻力减小，桩端阻力增大，从而导致桩顶部的下降值较小。当桩长为35厘米时，桩的横向摩擦阻力也会减小，而且由于桩的深度位于隧道底部的平坦平坦位置上，因此移动隧道出口将导致桩的最低层压缩模块减小。桩的阻力也因松弛而减小，小于桩的承载力45厘米，因此当桩长超过45厘米时，桩向下倾斜35厘米。

　　结束语

　　如果隧道是以侧壁以外的偏心为基础，桩基础的垂直变形是线性分布的。桩基础垂直偏折变形的最大值发生在e = 0.5处，桩帽垂直变形值随偏心率的增加而减小。2)桩基础相对于隧道裂缝面的位置发生变化时，桩基础越靠近隧道中心线的缺口面，桩基础的垂直变形值越大，离隧道中心线越远，直至其偏离分型面位置，桩顶部的桩基础垂直变形值越小。3)桩基础的垂直畸变受不同隧道偏心比和隧道入口的影响很大。偏心率为0.5时，扭曲变形会随着深度的增加而增大，直到达到最大值。对于深度为2.5d-3.0d的隧道，隧道内基本减压变形的灵敏度提高。本文的研究结果用于隧道农民的分析，以适合

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