1 第 11 卷第 4 期 2014 年 8 月 JournalofRailwayScienceandEngineering Volume11 Number4 August2014 盾构隧道施工对既有建筑物基桩影响的数值模拟 1 王净伟 1,2, 杨信之 3 1, 阮波 (1. 中南大学土木工程学院, 湖南长沙 410075; 2. 中铁上海设计院集团有限公司天津分院, 天津 300073; 3. 湖南省有色地质测试研究中心, 湖南长沙 410071) 摘要 : 针对地铁隧道常用的盾构开挖方式, 在考虑开挖面扰动 土仓压力 盾壳与土层间的摩擦力以及注浆层对地表沉降影响的基础上, 对盾构隧道的施工过程进行数值模拟, 研究盾构隧道开挖对邻近基桩的影响规律 结果表明 : 在隧道轴线方向, 盾构开挖对基桩的影响范围大约为基桩前方 20m 至后方 25m; 盾构开挖引起的桩身附加轴力随着埋深的增加而增大, 在隧道埋深处达到最大值 ; 盾构开挖引起的基桩弯矩随着开挖面与基桩间距离的减小而逐渐增大, 开挖至基桩位置时, 垂直于隧道轴线方向的弯矩达到最大值 关键词 : 地铁隧道 ; 盾构 ; 数值分析 ; 地表沉降 ; 桩基 ; 轴力 ; 弯矩中图分类号 :TU473 文献标志码 :A 文章编号 :1672-7029(2014)04-0073-07 Numericalsimulationofshieldtunnelconstruction ontheimpactofneighboringpilesfoundation WANGJingwei 1,2,YANGXinzhi 3,RUANBo 1 (1.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China; 2.ChinaRailwayShanghaiDesignInstituteGroupCo.,Ltd.TianjinBranch,Tianjin300073,China; 3.HunanNonferousGeologicalTestingCenter,Changsha410071,China) Abstract:Asforthecommonshieldexcavationtechniqueinsubway,theinfluenceofshieldexcavationonpiles foundationwasestimatedwiththesimulationcalculationforconstructionprocesbytakingintoaccountthedisturb anceoftheexcavationface,thepresureofsoilchamber,thefrictionandgroutinglayerbetweentheshieldandthe soil.theresultsindicatethattheafectingareaofsurfacesubsidencecausedbyshieldexcavationisapproximately from20minfrontoffoundationpilesto25mbehindtheexcavationfaceinthedirectionoftunnelaxis.thepilead ditionalaxialforceinducedbytheshieldexcavationincreaseswiththeincreaseofburieddepthandreachesthe maximuminthedepthofthetunnel.however,themomentofpileincreasesbecauseoftheshieldexcavation, whichgrowscontinualywiththereduceddistancebetweenexcavationfaceandpile.themomentperpendicularto thetunnelaxisdirectionapproachestothemaximumvaluewhenexcavatingtothepileposition. Keywords:subwaytunnel;shield;numericalanalysis;groundsubsidence;pilefoundation;axialforce;ben dingmoment 盾构法具有安全快速 适用范围广以及对周围地层扰动小等特点, 在城市地铁建设工程中得到了广泛的应用 盾构掘进过程会使周围地层产生变 形 [1], 而地层的变形会引起临近桩基变形和附加内力 [2-3], 进而可能会影响上部建筑物的使用寿命和正常使用 针对以上问题, 国内外学者进行了大 收稿日期 :2014-02-05 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50678175) 通讯作者 : 阮波 (1972-), 男, 河南新县人, 博士, 副教授, 从事岩土工程方面的研究 ;E-mail:ruanboxiaorui@126.com
７４ ２ ０ １ ４年 ８月 量的研究 提出了很多研究方法 当前主要的研究 方法有二阶段分析法 ４ ５ 整体分析法 ６ ７ 和模型 试验法 ８ ９ 虽然二阶段分析法概念明确 易于求 解 但是其与模型试验法都不能考虑施工过程的影 响 而整体分析法不仅能够考虑开挖过程的影响 还能考虑土的非线性 桩土间的相互作用等因素的 影响 本文针对目前地铁隧道大多采用盾构掘进 的开挖方法并在充分考虑盾构施工过程影响的条 ｑｕ 进行数值计算模拟 件下 采用有限元软件 Ａｂ 研究了盾构施工过程对邻近基桩承载特性的影响 １ 工程概况 图 １ 隧道与基桩的位置关系 Ｆ ｇ １Ｐ ｒ ｐｂ ｗ ｕ ｄｐ 某城市地铁 １号线采用盾构掘进的施工方法 该盾构隧道为单线单洞隧道 隧道开挖断面为圆 形 断面直径 Ｄ ６ｍ 隧道埋深 １５ｍ 盾构管片厚 度为 ０ ３ｍ 宽度为 １ｍ 盾构开挖机械采用土压 平衡式盾构机 盾构隧道开挖区间的地层由上至 下依次为素填土 细砂 黏土 地下水位稳定 埋深 较大 一般位于地表以下 ８ １０ｍ 临近建筑物基 ４ｍ 桩径为 ０ ８ｍ 基桩 桩为混凝土灌注桩 桩长 ２ ２ｍ 与隧道中心线间距为 ７ 图 ２ 有限元网格划分示意图 ２ 计算模型 Ｆ ｇ ２Ｍ ｄ ｆ ｕ ｍ ｒ ｃ ｍｕ 图 ３是盾构开挖面与基桩的位置关系示意图 ２ １ 模型尺寸及边界条件 本次三维有限元计算模型尺寸选为 ６０ｍ ４０ｍ ８ ０ｍ 即模型横向方向为６ ０ｍ 深度方向为 图中 Ｌ表示隧道掌子面与基桩在隧道轴向方向的 间距 其中掌子面未到达基桩位置处时间距为负 值 掌子面超过基桩位置时的间距为正值 ４０ｍ 隧道开挖方向为 ８０ｍ 模型边界采用位移 控制边界条件 其中底部采用固定边界 侧面限制 其水平位移 上部为自由边界条件 隧道中每环管片的宽度为 １ｍ 但为了简化分 ２环 开 析 一次开挖 ２ｍ 盾构隧道一共开挖了 ３ 挖距离 ６４ｍ 最后盾构机头到达 ７ ６ｍ位置处 模 型中隧道与基桩的位置关系见图 １ 模型中各部件都采用实体单元 单元类型选用 八节点线性六面体单元 Ｃ３Ｄ８Ｒ 整个模型共划 单位 ｍ 图 ３ 盾构与基桩的位置关系示意图 Ｆ ｇ ３Ｐ ｒ ｐｂ ｗ ｄ ｄ ｐ 分了 ８ ２３８ ６个单元 其中土体划分了 ７７１ ７０个单 元 桩体划分了 ３ ２ ０个单元 衬砌划分了 １６ ３２个 单元 等 代 层 划 分 了 １６ ３２个 单 元 盾 壳 划 分 了 １６３ ２个单元 有限元模型的网格划分结果见图 ２ ２ ２ 参数取值 本次模拟计算不考虑地下水渗流 计算过程 中土体采用摩尔 库伦本构模型 桩体 盾壳 衬砌
第 4 期 王净伟, 等 : 盾构隧道施工对既有建筑物基桩影响的数值模拟 75 和等代层均采用线弹性模型 考虑衬砌拼装接头对衬砌整体刚度的影响, 根据其他学者的研究 [10], 将衬砌的材料参数折减 15% 模型中各个部件的材料参数见表 1 和表 2 表 1 土体参数 Table1Soilparameters 名称 土层厚度密度变形模量泊松比黏聚力内摩擦角剪胀角 H/m ρ/(kg m -3 ) E/MPa μ c/kpa γ/( ) ψ/( ) 素填土 8 1880 13.7 0.37 13.3 18.3 0 细砂 20 1950 32 0.31 2 24 0 黏土 12 1960 30.2 0.35 30 21 0 表 2 桩体 衬砌 等代层和盾壳参数 Table2Pile,lining,equivalentcirclezone,shieldparameters 构件名称 密度 ρ/(kg m -3 ) 弹性模量 E/MPa 泊松比 μ 尺寸 ( 厚度 长度 )/m 桩 2400 23500 0.25 0.8( 直径 ) 24 衬砌 2400 30000 0.23 0.3 1 等代层 2000 25 0.3 0.15 1 盾壳 7500 210000 0.3 0.3 8 计算中, 考虑土仓压力为 0.18MPa, 盾壳与土体间施加的剪应力为 18kPa, 注浆压力取 0.05MPa 桩与土体间通过接触对进行接触, 法向采用 硬接触, 切向设置摩擦系数, 素填土与桩之间摩擦系数取 0.2, 而细砂与桩之间摩擦系数取 0.5 3 模拟过程 在简化盾构掘进过程的基础上, 通过单元生死的方法来模拟开挖过程 根据施工经验 [11], 考虑到掌子面前方一环土体由于受到刀盘的扰动 盾构的超挖以及其对周围地层的扰动, 此时释放土体应力的 15%, 模拟过程的主要步骤如下 第 1 步 : 在土体进行地应力平衡之前, 利用 Abaqus 中的 单元生死 功能, 去除桩体 衬砌 等代层和盾壳 ; 第 2 步 : 对土体进行地应力平衡 ; 第 3 步 : 激活桩, 同时添加桩体重力 ; 第 4 步 : 在桩顶施加均布面荷载, 大小为 3979kN/m 2, 方向竖直向下 ; 第 5 步 : 为了消除边界的影响, 将开挖区边界 4m 范围的土体单元 杀死, 同时激活等代层单元和衬砌单元 ; 第 6 步 : 将前方 8m 范围土体单元挖除并激活盾壳单元, 将盾构机置于指定位置 ; 第 7 步 : 降低盾构前方 2m 范围内土体单元 15% 的应力后激活盾壳单元同时施加盾壳与土层间的摩擦力, 然后 杀死 2m 范围内土体单元 ; 第 8 步 : 将盾尾处衬砌和等代层单元激活, 同时杀死盾尾处盾壳单元及其与土层间的摩擦力 ; 第 9 步 : 重复第 7 步和第 8 步, 以此来模拟盾构的开挖过程 4 计算结果及分析 4.1 盾构开挖对桩身水平变形的影响分析图 4 和图 5 分别为盾构开挖面与基桩间距不同时, 桩身在 x 和 z 方向的变形 图 4 桩身 x 方向的水平变形曲线 Fig.4Horizontalx-directiondeformationcurve
76 2014 年 8 月 桩时, 基桩的沉降速率最大 ; 当开挖面通过基桩后 25m 时, 基桩的沉降趋于稳定 由此可知 : 在盾构到达前的 20m 范围和通过后的 25m 范围内, 盾构开挖过程对基桩沉降的影响较大 4.3 盾构开挖对桩身轴力的影响分析图 7 和图 8 分别为盾构开挖面距基桩不同距离时, 桩身轴力和附加轴力沿桩身的变化曲线 附加 指的是隧道开挖后桩身轴力与开挖前桩身轴力之差 图 5 桩身 z 方向的水平变形曲线 Fig.5Horizontalz-directiondeformationcurve 由图 4 可知, 桩身上部 12m 范围内均出现了向隧道方向的倾斜, 因为桩顶是自由端, 所以桩顶位移最大 ; 而下部范围的桩体出现了远离隧道的倾斜, 在隧道中心线埋深处达到最大值 在盾构开挖过程中, 桩身 x 方向的位移逐渐增大 当盾构开挖面远离基桩后 12m 时, 桩身 x 方向的位移已经趋于稳定 由桩身 z 方向的变形可知 : 在开挖面未到达基桩位置时, 桩身上部 12m 范围内出现了靠近开挖面的位移, 而下部出现了远离开挖面的位移 当开挖面到达基桩位置时, 桩身在 z 方向的位移最大 ; 开挖面通过基桩位置后, 随着距离的增大, 桩身 z 方向的位移逐渐减小 4.2 盾构开挖对基桩沉降的影响分析图 6 为不同开挖距离时, 桩顶和桩端的沉降曲线 图 7 不同开挖距离时桩身轴力曲线 Fig.7Axialforcecurve 图 8 不同开挖距离时桩身附加轴力曲线 Fig.8Additionalaxialforcecurve 图 6 不同开挖距离时基桩的沉降曲线 Fig.6Pilesetlementcurveofdiferentdistanceexcavation 由图 6 可知 : 在开挖面距基桩 20m 时, 盾构的开挖过程对基桩的沉降产生影响 ; 在开挖面通过基 由图 7 曲线分布规律可知 : 不同的开挖距离时, 桩身轴力随着埋深逐渐减小 由图 8 可知 : 桩身附加轴力从桩顶处随着深度的增加而逐渐增大, 在埋深 15m 处 ( 即隧道埋深处 ) 达到最大值, 之后逐渐减小, 在桩底位置处趋
第 4 期 王净伟, 等 : 盾构隧道施工对既有建筑物基桩影响的数值模拟 77 于 0 随着开挖面与基桩距离的减小, 桩身附加轴力逐渐增大 由此可知, 盾构通过基桩位置后的一段距离是基桩轴力受到影响最大的阶段, 这施工时应注意 4.4 盾构开挖对桩身弯矩的影响分析图 9 和图 10 分别为盾构开挖面距基桩不同距离时, 桩身 x 和 z 方向弯矩沿桩身的变化曲线 x 方向表示桩身弯曲方向平行于隧道轴线,z 方向表示桩身弯曲方向垂直于隧道轴线 减小, 桩身弯矩逐渐增大 ; 当开挖面通过基桩位置时, 桩身 x 方向的弯矩最大 ; 开挖面通过基桩后, 桩身弯矩逐渐减小 由图 10 可知 : 在隧道中心线埋深处, 桩身在 z 方向的弯矩值最大 在开挖面未到达基桩位置时, 随着两者间距的减小, 桩身弯矩越来越大 ; 在盾构通过基桩位置后, 桩身弯矩一直在增大, 当开挖面通过基桩 18m 后, 桩身弯矩趋于稳定 4.5 盾构开挖对桩身侧摩阻力的影响分析图 11 为盾构开挖过程中桩身两侧摩阻力差值沿桩身的变化曲线 图 9 x 方向桩身弯矩曲线 Fig.9Pilebendingmomentcurveofxdirection 图 10 z 方向桩身弯矩曲线 Fig.10Pilebendingmomentcurveofzdirection 由图 9 可知 : 盾构开挖过程引起桩身弯矩产生 S 形分布, 上部桩身弯矩较小, 在隧道轴线中心线埋深处, 弯矩值最大 随着开挖面与基桩间距的 (a) 近侧 ; (b) 远侧图 11 桩身摩阻力变化分布曲线 Fig.11Pilefrictionalresistancedistributioncurve 随着盾构的掘进, 桩身靠近隧道一侧的摩阻力在埋深 0~15m 范围内逐渐减小, 而在 15~ 20m 范围内逐渐增大, 在 20~24m 范围内又出现了减小的趋势 盾构开挖对远离隧道一侧的桩身
78 2014 年 8 月 侧摩阻力的影响不同于另一侧的, 其在 15~24m 范围内则逐渐增大 分析产生的原因 : 桩身上部范围内土层移动使得侧摩阻力变小, 但为了承担桩顶的载荷, 桩身下部侧摩阻力变大 随着盾构的开挖, 开挖过程对基桩的侧摩阻力的影响逐渐减小 4.6 桩身侧摩阻力变化原因分析桩侧摩阻力的变化主要与桩与桩周土的相对位移有关, 为了研究上节桩侧摩阻力变化的原因, 分析盾构开挖过程对基桩及其周围土层竖向位移的影响 图 12 为不同路径的布置示意图, 通过计算可得到路径上各点的竖向位移 由路径 1 得到桩身竖向位移, 由路径 2 和 3 分别得到靠近和远离隧道一侧桩周土层的竖向位移 图 12 各路径布置示意图 Fig.12Schematiclayoutofeachpath 图 13 为盾构开挖面开挖至基桩位置时, 开挖过程所引起的基桩和桩周土的竖向位移曲线 由图 13 可知 : 靠近隧道一侧的土层的竖向位移大于远离隧道一侧的土层的竖向位移 当土层竖向位移大于基桩竖向位移时, 桩侧产生负摩阻力 与图 11 对比可发现, 桩侧发生负摩阻力的范围和桩侧摩阻力减小的范围有所不同, 可能的原因是分析中选取的是基桩中心线处的竖向位移, 考虑到基桩有一定的直径, 比较桩土相对位移应选取基桩表面的竖向位移, 因会有一定的计算误差 5 结论 (1) 在盾构到达前的 20m 和通过后的 25m 范围内, 盾构开挖过程对基桩沉降的影响较大, 在开挖面通过基桩时, 基桩的沉降速率最大 (2) 盾构开挖过程使桩身附加轴力随着埋深的增加而增大, 并且在隧道埋深处达到最大值 随着盾构的掘进, 桩身附加轴力逐渐增大, 并在盾构通过基桩 18m 位置后, 桩身附加轴力趋于稳定 盾构开挖过程对桩两侧摩阻力的影响不同, 靠近隧道一侧的摩阻力受到的影响较大 (3) 随着开挖面与基桩间距的减小, 桩身在垂直隧道轴线方向的弯矩逐渐增大, 并在开挖面到达基桩位置时, 达到最大值, 然后弯矩值逐渐减小 ; 而在平行隧道轴线方向的弯矩随着盾构的掘进而逐渐增大时, 在其通过基桩 18m 后, 弯矩值趋于稳定 参考文献 : [1] 肖超, 阳军生, 李科, 等. 穿越湘江地层裂隙密集区域大直径泥水平衡盾构掘进参数控制 [J].,2013,10,10(5):40-46. XIAOChao,YANGJunsheng,LIKe,etal.Parametric controloflarge-diametersluryshieldtunnelingparame tercrosingdensecracksofstratum[j].journalofrail 图 13 L=0m 时桩土竖向位移曲线 Fig.13Pile-soilverticaldisplacementcurveofL=0m wayscienceandengineering,2013,10,10(5):40-46. [2] 徐明, 谢永宁. 盾构隧道开挖对邻近单桩基础的影响 [J]. 华南理工大学学报 ( 自然科学版 ),2011,39(4):
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