岩 7 土 力 学 15 年 表 1 地层模型参数 Table 1 Parameters of soils 岸 再沿昆玉河东岸向北到达西钓鱼台车站 数值 计算分析中以该段盾构区间隧道穿越普惠桥桩为工 地层 程背景 按盾构的掘进速度为每天 m 进行开挖 厚度 密度 弹性模量 /m /(kg/m3) /

第 3 卷增刊 岩土力学 Vol.3 Supp. 15 年 月 Rock and Soil Mechanics Aug. 15 DOI:.5/j.rsm.15.S.1 盾构隧道施工对临近桥桩影响数值及现场监测研究 1, 沈建文, 刘力 (1. 北京交通大学土木建筑学院, 北京 ;. 北京市市政工程设计研究总院有限公司, 北京 ) 摘要 : 随着城市内地铁盾构区间隧道临近城市道路桥桩工程的增多, 急需研究盾构隧道临近桥桩施工对桥桩的变形影响问题 采用有限元数值计算方法, 结合盾构隧道穿越桥桩实际工程, 建立了盾构隧道施工对临近桥桩影响的数值分析模型, 模拟盾构隧道施工, 对盾构隧道穿越临近桥桩的桩体沉降 桩体侧移 地表沉降进行了数值分析研究, 盾构隧道穿越时及穿越后桩体沉降 桩体侧移 地表沉降控制结果较为理想, 桩体处于稳定状态 结合现场监测成果, 对数值计算结果和监测结果进行对比分析, 表明采用的数值分析计算模型 参数取值对盾构隧道施工对临近桥桩影响的模拟是可靠的, 可以运用文中的数值计算方法预测后续盾构隧道施工引起临近桥桩沉降 桩体侧移和地表沉降结果 关键词 : 盾构隧道施工 ; 数值分析 ; 现场监测 ; 临近桩基中图分类号 :U 51.3 文献标识码 :A 文章编号 :759 (15) 增 79 Numerical analysis and field monitoring for studying effects of shield tunnelling on nearby piles SHEN Jianwen 1,, LIU Li (1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing, China;. Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing, China) Abstract: There are more shield tunnellings near the pile of the bridge in the downtown, the problem of the effects of shield tunnelling on the nearby piles of the bridge need to be studied. The numerical analysis method is used to study this problem. And than a numerical analysis model is established. The settlement of the pile, the lateral displacement of the pile and the settlement of the ground induced by the shield tunneling are analyzed. The settlement of the pile, the lateral displacement of the pile, the settlement of the ground during the shield tunnelling and after the tunnel crossing the pile is in controllable. The results of the numerical analysis and the results of monitoring are compared; and the results are similar to each other, so as to show the reliable of using the numerical analysis method to study the effects of the shield tunnelling on the nearby piles. Keywords: shield tunnelling;numerical analysis;field monitoring;nearby piles 1 引言 北京目前已经建成的地铁 ~ 号和 号线都经过市中心繁华地段, 条线合计需穿越桥桩 3 多处, 距桥桩最近的仅为.19 m [1], 地铁盾构隧道施工对临近桥桩的影响是个十分突出的风险 盾构隧道施工引起临近土体的扰动, 产生地表沉降, 将引起临近桥桩侧摩阻力的减小, 进而引起桥桩的沉降 侧移等 [3] 目前盾构隧道临近桥桩施工对桥桩影响的研究采取的方法主要有理论分析和数值分析研 究 [], 由于该问题的复杂性, 采用数值分析方法能 较为全面和简便地模拟盾构隧道施工过程, 分析盾 [] 构隧道施工引起的临近桥桩的侧移 沉降, 可建 立依据实际工程为背景的数值分析模型, 模拟盾构 隧道施工工况, 研究盾构隧道施工引起的临近桥桩 沉降 侧移和地表沉降 北京地铁 号线公主坟站 西钓鱼台站区间 自公主坟站开始, 线路穿过新兴桥北段, 沿西三环 北行穿过普惠桥, 并在昆玉河南岸转向西, 沿昆玉 河引水渠南岸前行 m 后穿越昆玉河到昆玉河北 收稿日期 :1539 第一作者简介 : 沈建文, 男,19 年生, 博士, 教授级高工, 北京市市政工程设计研究总院有限公司轨道交通专业总工程师 Email:jwshen@bmedi.cn

岩 7 土 力 学 15 年 表 1 地层模型参数 Table 1 Parameters of soils 岸 再沿昆玉河东岸向北到达西钓鱼台车站 数值 计算分析中以该段盾构区间隧道穿越普惠桥桩为工 地层 程背景 按盾构的掘进速度为每天 m 进行开挖 厚度 密度 弹性模量 /m /(kg/m3) /MPa 泊松比 黏聚力 内摩擦 /kpa 角/( ) 对盾构隧道穿越临近桩基桩体沉降 桩体水平位移 1 1 5.3 1 1 和地表沉降 3 个指标进行数值分析 最后将计算结 15.3 13 3 5. 果和现场监测数据对比 以验证数值计算模型方法 及参数选择的合理性 可靠性 模型建立及参数选择 北京地铁 号线公主坟站 西钓鱼台站盾构 区间左 隧道先后穿越普惠桥桥桩 数值计算 模型包括左 两条隧道 隧道埋深 15 m 距普惠桥桥桩水平距离 1.5 m 隧道埋深 15 m 3 计算结果及分析 3.1 普惠桥桥桩沉降 左 盾构隧道穿越普惠桥桥桩后 桥桩桩 体沉降云图分别如图 3 所示 U, U 距普惠桥桥桩水平距离 13.5 m 施工中对桩体沉降 地表沉降进行了监测 采用有限元数值计算方法时 桩体采用弹性模 型 桩径为 1. m 桩长 11.5 m 混凝土等级 C5 弹性模量为. GPa 泊松比为. 承台长 宽均 为 5. m 高.5 m 混凝土等级 C5 桩布置采用.39 3.7 3.31 3.351 3.39 3. 3. 3.51 3.539 3.57 3.1 3.51 3. 3 m m 对称布置 盾构管片采用弹性模型 外径 为 m 管片厚.3 m 混凝土等级为 C5 弹性模 (a) 隧道 量为 3.5 GPa 泊松比为. 桥桩承台 盾构隧道 管片模型分别如图 1 所示 U, U.9 3.31 3.3 3. 3.9 3.51 3.555 3.59 3.1 3. 3.7 3.79 3.1 3 (b) 隧道 图 1 桥桩模型 Fig.1 Bridge pile model 图 3 普惠桥桥桩沉降云图 单位 m Fig.3 Settlement nephograms of pile of Puhui Bridge(unit: m) 由图 3 可见 盾构隧道穿越桥桩后 承台 和桩体沉降约为. 3 mm 盾构隧道穿越 桥桩后 承台和桩体沉降约为1.9. mm 左 隧道穿越桥桩后 产生的桥桩沉降沿桩深度方 图 隧道模型 Fig. Shield tunnel model 向变化规律相同 隧道穿越桥桩后的沉降值明 显大于隧道穿越桥桩后的沉降值 对左 盾构隧道穿越惠普桥桥桩的沉降进 土体采用摩尔库仑弹塑性本构模型 根据地层 行了长时间的监测 选取其中隧道穿越桥桩时的监 分布特点 数值计算模型将土层简化为 3 层 各层 土体模型参数见表 1 测数据分别见表 左 盾构隧道穿越惠普桥 桥桩的沉降数值计算结果也见表

增刊 沈建文等 : 盾构隧道施工对临近桥桩影响数值及现场监测研究 711 表 盾构穿越普惠桥桥桩沉降监测数据和计算结果 Table Monitoring data and calculating results of pile settlements after shield tunnelling crossing Puhui Bridge 方法 位置 时间 / 年 月 日 各测点的沉降 /mm QCJ31 QCJ3 QCJ33 QCJ3 QCJ35 QCJ3 QCJ37 QCJ3 QCJ39 QCJ3 1155.3.3.9..5.37.3.33.39 监测 115.3.73.77.7.7. 1. 1. 1..99 1157 1.7 1.3 1.33 1.39 1.3 1..5 1.97 1.9 1.7 115. 1.9 1.9 1.95 1. 1..73.5.7.3 1111.3.13.. 1.5 1.9.9.3.7.3 111....19..9 3. 3.13 3. 3.9 1113.3.5..3.3. 3. 3.53 3. 3.35 111..7..5.5.3 3.9 3. 3. 3.7 计算 1155.3 3.9.91 3.5.7 5.31 1.37.3 3.35 9 115 1 1.7.75.7 7.73 9.99 9 1.7 1. 1..93 1157 1.3 1.39 1.373 1.35 1.319 3 1.57.1 1 1.91 1.9 5 1.93 115.9 5 1.997 7 1.97 7 1.933 9 1. 3 1.5 3.795 9.79.57 1.31 1111. 7.11.3 7.1 1 1.99 1.9 1.99 7.7.7.1 3 111.395...19.135.9 3. 3.1 7 3.15 3.79 9 1113.5 5.5 5.39.33.317. 5 3.33 9 3.99 3.5 3.39 5 111. 1.71. 1.5.5.13 9 3.9 3 3.1 3.793 3.7 9 由表 中左 盾构隧道穿越桥桩后的桥桩 沉降数据可以看出, 普惠桥桩基沉降的现场监测数 据和数值计算结果之间的差距很小, 两者吻合较好 图 为 11 年盾构隧道施工过程中桩体沉降随 施工工况变化的数值计算结果 从图中可以看出, 隧道穿越桥桩时, 桩体沉降随时间而不断增大, 与 现场试验中桩体沉降随时间的变化规律相同, 数值 计算所得桩体沉降值变化规律与现场沉降监测结果 变化规律相同 55 5 57 5.... 1. 1. 1. 测点 1. QCJ31 1. QCJ3. QCJ33. QCJ3. QCJ35. QCJ3. QCJ37 QCJ3 3. 图 桩身沉降随时间变化 ( 隧道 ) Fig. Change curves of pile settlements with time(tight tunnel) 桩身沉降 /mm 时间 / 月 日 进一步比较 11 年 QCJ3 测点比较桩体沉 降数值计算结果与现场监测值的差异, 图 5 为桩体 沉降计算值和现场监测值的对比 桩身沉降 /mm 桩身沉降 /mm 55 5 57 5.... 1. 1. 1. 1. 1.. (a) 隧道穿越后 11 1 13 1 1.9..1..3..5 时间 / 月 日 时间 / 月 日 (b) 隧道穿越后 计算结果试验数据 计算结果试验数据 图 5 QCJ3 测点桩身沉降计算结果与监测结果对比 Fig.5 Comparison of calculating and monitoring results of pile settlements in point QCJ3

岩 71 土 由盾构隧道穿越桥桩时桥桩沉降的计算与监测 力 学 15 年 值吻合较好 结果对比可见 QCJ3 测点的桩身沉降计算值 和实测值相差很小 桩身沉降计算值和实测值吻合 1 1 1 较好 数值计算模型及参数取值能较好地模拟盾构 施工对临近桥桩沉降的影响 普惠桥桩体侧向位移 3. 左 盾构隧道穿越普惠桥后 桥梁桩基侧 向位移云图分别如图 所示 U, U1 1.5. 隧道通过后计算结果 隧道通过后试验数据 (a) 隧道 U, U1.... 1. 1. 1. 1. 1.. 1 1 隧道通过后计算结果 1 隧道通过后试验数据 (b) 号桩 +.53 3 +.9 3 +. 3 +1.71 3 +1.93 3 +1. 3 +9.5 +.97 +.31 +1.55 1.119 3.79.9 1. (a) 1 号桩 +1.7 3 +9.99 +.33 +.9 +5.59 +.5 +.57 +1.9 +1. 5 1..17 3.95 5.353.5 (b) 隧道 图 普惠桥桩基侧向位移云图 单位 m Fig. Nephograms of pile lateral displacements of Puhui Bridge(unit: m).... 1. 1. 1. 1. 1.. 1 1 隧道通过后计算结果 1 隧道通过后试验数据 从图 可以看出 隧道穿越后承台和桩体 (c) 3 号桩 的侧向位移约为+. +.7 mm 隧道穿越后承 台和桩体的侧向位移约为 +1. mm 隧道穿 越后桩体侧向位移分布与隧道穿越后的分布规 律差异较大 隧道穿越后 根桩体的侧向位移 有较大差别 其中靠近隧道一侧的桩体的侧向位移 较大 远离隧道一侧的桩体的侧向位移较小 隧道穿越后 根桩体侧向位移值的差距减小 但仍 是靠近隧道一侧的桩体侧向位移略大 对不同桥桩进行编号 将西北位置处的桩编为 1 号桩 沿顺时针方向将余下的 3 根桩编为 号 1. 1.5. 隧道通过后计算结果 隧道通过后试验数据 图 7 桩体侧向位移计算值与监测值对比 Fig.7 Comparison of numerical and monitoring results of lateral displacements of piles 比如图 7 所示 从图中可以看出 左 隧道穿 越桥桩后 各桩桩体侧向位移计算值和监测值差异 沿深度变化规律相同 桩体侧向位移计算值和监测.5 (d) 号桩 桩 1 号桩的桩体侧向位移计算值与实测值的对 较小 计算值和监测值的曲线基本重合 桩体侧移 1 1 1 3.3 普惠桥附近地表沉降 盾构左 隧道穿越普惠桥桩后 桥梁桩基

增刊 沈建文等 盾构隧道施工对临近桥桩影响数值及现场监测研究 表 盾构穿越惠普桥地表沉降的数值计算结果 Table Calculating results of ground settlements after shield tunnel crossing Puhui Bridge 周边土体沉降云图分别如图 所示 U, U.79 9.5 1.3 3 1.91 3.397 3.77 3 3.35 3 3.35 3.315 3.79 3 5.7 3 5.753 3 测点编号 (a) U, U 5.19 1.3 3 1.55 3.59 3.57 3 3.9 3 3. 3.119 3.3 3 5.19 3 5.3 3.17 3 713 隧道穿越后的地表沉降/mm DB19.139 3.9 DB15. 3. 5 DB151 3.9.3 1 DB15 3.779 1.5 DB153 3.75 3.3 3 DB15 3.7.57 9 DB155. 3.77 DB15.133 3.91 5 注 测点位于左 隧道上方的地表和左 隧道中线上方的地 表 沿隧道掘进方向布设 对比表 3 和表 可见 隧道穿越桥桩后地表沉 降数值计算结果和实际监测数据相差不大 个测 点中计算结果和监测数据相差最大的是 DB95 测点 隧道穿越桥桩后测点位置土体沉降的相 对误差为 1.5 差距仍然不大 通过比较普惠桥桥桩的桩身沉降 桩体侧向位 移和隧道周边土体沉降的数值计算结果与实际监测 (b) 图 左 隧道穿越后土体沉降云图 单位 m Fig. Settlement nephograms of soil after left and right tunnels crossing piles(unit: m) 从图 可以看出 隧道穿越桥桩后土体沉 降值约为 mm 隧道穿越桥桩后土体沉 降值约为 mm 隧道穿越桥桩后隧道上方土 体的沉降值大于其他位置土体沉降 据相差不大 吻合度较高 验证了本文的数值计算 模型和参数取值的可靠性 采用数值计算方法分析 盾构隧道穿越对普惠桥桥桩的影响是可行的 结 论 1 盾构穿越普惠桥桥梁墩柱 台 沉降最终 累计值介于+.3 3. mm 之间 桥梁墩柱 台 左 盾构隧道穿越普惠桥桥梁桩基后周边 地表沉降的监测数据见表 3 表 3 盾构穿越惠普桥地表沉降监测数据 Table 3 Monitoring datum of ground settlement after shield tunnel crossing Puhui Bridge 测点编号 数据发现 这 3 个指标数值计算结果与现场监测数 隧道穿越后的地表沉降/mm DB19.15.9 DB15.7.5 DB151 3.9. DB15 3.75. DB153 3.77. DB15 3.9.5 DB155.3. DB15.7.9 沉降监测数据处于正常状态 施工完成后 d 平 均速率为1 mm/d 处于稳定状态 左 隧 道先后穿越桥桩 隧道穿越桥桩后的沉降值明 显大于隧道穿越桥桩的沉降值 隧道穿越后 承台和桩体的侧向位移 约为+. +.7 mm 隧道穿越后 承台和桩体 的侧向位移约为 +1. mm 距隧道距离近一侧的 桩体的侧向位移较大 远离隧道一侧的桩体的侧向 位移较小 3 隧道穿越桥桩后土体地表沉降值约为 mm 隧道穿越桥桩后土体地表沉降值约 为 mm 隧道穿越桥桩后隧道上方土体的沉 注 测点位于左 隧道上方的地表和左 隧道中线上方的地 降值大于其他位置土体沉降 本文建立了盾构隧道穿越普惠桥桥桩的数值分 表 沿隧道掘进方向布设 析模型 针对桩身沉降 桩体侧向位移和周边土体 左 盾构隧道穿越普惠桥桥桩后 周边地 表沉降数值计算结果见表 沉降 3 个指标 将数值计算结果与实际监测数据进 行了对比 结果表明 3 个指标的计算值和实测值吻 合较好 所建的有限元模型有很好的适用性 运用

71 岩土力学 15 年 本文的数值计算方法可以预测后续盾构隧道施工引起临近桥桩沉降 桩体侧移和地表沉降结果 参考文献 [1] 潘可明. 北京地铁 号线工程穿越桥梁咨询研究 [J]. 城市道桥与防洪,, 5(11): 1. PAN Keming. Research advisory across the bridge. The Beijing metro line [J]. Urban Roads Bridges & Flood Control,, 5(11): 1. [] 李永盛, 黄海鹰. 盾构推进对相邻桩体力学影响的实用计算方法 [J]. 同济大学学报, 1997, 5(): 7. LI ongsheng, HUANG Haiying. The practical calculation method of shield tunneling effect on adjacent pile body mechanics[j]. Journal of Tongji University, 1997, 5(): 7. [3] 王占生. 盾构近距穿越桩基的研究 [D]. 北京 : 北京交通大学, 3. [] MROUEH H, SHAHROUR I. Threedimensional finite element analysis of the interaction between tunneling and pile foundations[j]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,, : 173. 岩土力学 征稿简则 岩土力学 是中国科学院武汉岩土力学研究所主办的综合性岩土力学与工程学术期刊 为全国中文核心期刊, 中国科学引文数据库 中国学术期刊综合评价数据库 中国科技论文统计源期刊, 中国期刊网 中国学术期刊( 光盘版 ) 全文收录, 也是国际三大检索系统之一的美国 工程索引 (EI compendex) 文摘收录期刊 ( 光盘版 ) 1. 办刊宗旨及内容 (1) 本刊旨在开展学术与经验交流, 促进岩土力学学科的发展, 繁荣我国岩土力学和岩土工程事业, 为国民经济建设服务 () 本刊主要报道岩土力学与工程科研和工程实践的最新成果, 主要内容有岩土力学 岩土工程 典型工程实录 测试技术与测试方法 综述 讨论 信息 学术与工程动态 学术讲座等 (3) 本刊读者对象是勘察 设计 施工 科研单位的科技人员 工程技术人员以及大专院校相关专业师生. 稿件撰写要求和注意事项 (1) 作者请登录 岩土力学 网站 (http://ytlx.whrsm.ac.cn), 并在网上登记注册, 填写真实和详细的个人信息 文稿必须为 Word( 最好是 3 版 ) 文档形式 投稿前请仔细阅读网上 投稿须知 审稿专家可以用审稿时注册的用户名和密码进行投稿, 切记从 在线投稿 入口进入 () 稿件要求内容严谨, 数据可靠, 论点明确, 文字简练 流畅, 插图清晰 为避免一稿多投, 抄袭等学术腐败现象的发生, 作者应对所投稿件作出承诺, 文责自负 (3) 文章篇幅一般为 字 ( 含图 表 ) 文题 作者 作者所在单位 摘要 关键词均应译出英文 图 表均应写出中 英文图 表名 () 正文前应附 字左右的中文摘要, 个单词以上的英文摘要 文摘要求能清楚 正确地表达作者的思想, 概括文章内容, 并且用词准确 文摘应由四部分组成, 即研究的问题 过程与方法 结果和结论 关键词以 3~ 个为宜 (5) 请附第一作者简介, 包括作者姓名, 性别, 出生年份, 最终学历或学位, 职称, 主要从事的专业技术工作领域, 电子邮件地址 得到基金资助的论文, 应注明基金项目及其批准号 () 计量单位应使用国际单位制 (SI 制 ) 专业名词和符号应与国家的有关规范统一 (7) 论文作者应认真按下列格式要求书写各类参考文献 ( 文献至少 条以上 ) 外文参考文献书写格式参照中文格式, 所引文章名 期刊名 ( 论文集 ) 不要用缩写, 参照中文格式 各类文献格式如下 : 期刊 作者. 文题名 [J]. 刊名, 年, 卷 ( 期 ): 起止页码. 论文集 作者. 文题名 [C]// 论文集编著者 : 论文集题名. 出版地 : 出版者, 出版年 : 起止页码. 专著 著者. 书名 [M]( 如是外文译著, 补加译者 ). 出版地 : 出版者, 出版年 : 起止页码. 报告 报告主要责任者. 文题名 [R]. 所在地 : 报告所属单位, 报告年份. 学位论文 作者. 文题名 [D]. 所在地 : 授予单位, 授予时间. 国际国家标准( 规范 ) 著者. 标准 ( 规范 ) 编号标准 ( 规范 ) 名称 [S]. 出版地 : 出版者, 出版年. 专利 专利申请者或所有者. 专利题名 : 专利国别, 专利号 [P]. 公告日期. () 来稿请自留底稿, 本刊恕不退回 (9) 稿件涉及机密资料时, 需由作者单位出具非泄密证明 () 为了扩大岩土工程界信息交流的渠道, 本刊将以优惠的价格刊登岩土工程领域相关单位关于岩土类仪器 设备 软件 以及单位介绍等方面的广告 3. 稿件处理 (1) 本刊收到作者投稿后, 将对来稿进行初审, 初审时间 1 周左右, 若初审不通过, 将直接退稿 ; 若通过初审, 编辑部将送外审 外审结果及终审结果一般在 3 个月内可知 所有被退稿件不收审稿费 () 已录用的稿件应该参考本刊要求进行修改, 并在 1 月内将电子版及承诺书返回编辑部 (3) 编辑部在安排发表时根据作者对提供的修改稿进行编辑 加工后, 向作者寄发清样校对稿 作者仔细校对后尽快返回编辑部, 清样不回, 概不发稿 () 本刊加入中国学术期刊 ( 光盘版 ) 等数据库, 所发表论文为其全文收录, 录用论文作者同意被收录才能刊发 刊发的稿件一律收取版面费 稿酬按规定一次性支付, 并赠当期刊物 册, 增刊不支付稿酬 本刊地址 : 武汉市武昌小洪山中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学 编辑部 邮编 371 编辑部电话 :7719,71995 Email:ytlx@whrsm.ac.cn http://ytlx.whrsm.ac.cn/