盾構隧道側穿引起橋梁樁基礎變形的數值研究

吳少龍

摘 要：隨著城市軌道交通建設增多，軌道交通盾構穿越建筑物的情況時有發生。軌道交通隧道側穿建筑物樁基，會對建筑物和地面產生影響，而隧道在不同位置穿越樁基礎，對土體和樁基礎影響不同。隧道施工引起土體變形常見分析方法包括有限元分析法、理論解析法和經驗公式法。

關鍵詞：盾構隧道;隧道埋深;偏心比;樁基礎;數值分析;豎向變形

引言

隨著我國公共交通運輸的迅速發展，城市建筑和人口稠密地區下正在修建越來越多的地鐵隧道。地鐵隧道不得不穿過附近的重要建筑。因此，在護盾施工期間，他必須確保周圍建筑物的正常運轉，才能夠穿越或機翼惡化。對于由盾牌引起的建筑物附近的問題，國內外學者進行了理論分析、數字模擬等，以計算和預測建筑物可能減少的情況，并將其保持在可接受的范圍內，以確保相應建筑工程的安全和正常使用。

1隧道開挖對樁基礎影響機理分析

隧道補償產生了圍繞樁外表面移動的土層的垂直變形。土的垂直變形導致樁基的另一垂直變形，樁基場周圍的大規模應力分布以及樁的強深層變形，但在一定程度上，土層限制樁基直至達到。

2工程實例

城市軌道的一側穿過人行天橋，人行天橋的地板有雙鋼帶，柱長φ60厘米，樁長2×120厘米，樁長11m。隧道通向直徑6.6米、寬度1.5米、深度1.5米的溝渠。

3有限元模型

FLAC3D利用有限差分軟件模擬了地鐵盾構穿越人行天橋側面的施工。通過提取80米×30米×35米的模型尺寸來考慮模型邊界的效果。基于上述設計背景，創建了樁基礎模型：長度為4m、寬度為4m、高度為2m的便攜包。支撐連接至13m樁的總長度，半徑為0.6m（支撐頂部與地面齊平），并且隧道出口方向與模型y軸方向一致。對隧道側進行研究后，通過樁基礎相對于隧道水平軸和斷裂面的空間位置、隧道中心比和隧道深度來表示。樁、隧道施工水平中心線和軌道碎石面之間的相對空間關系見圖1。隧道從隧道中心線到建筑物中心線的距離是建筑物長度的一半，隧道比隧道中心線到地面h的距離深，隧道補償大于圖例2的距離（x是隧道中心線到建筑物中心線的距離，L/2是建筑物長度）。

其中隧道偏心比可表示為：

地鐵交通的平均深度為27米，導致電壓降低。為此，設計了三維數值模擬計算，使莫爾庫侖準則成為巖石塊的理想基礎模型。帶有外部載荷的樁帽、盾構管片和電纜橋架的變形主要是使用彈性設計模型的彈性階段。樁基礎為C30混凝土，彈性模量為30GPa，泊松常數為0.2，密度為2.4g/cm3，底層表面用65kPa（根據人行天橋自重）代替建筑物自重。每次挖方時，挖方的面積單位都保留為空，從而將護盾埋在土層中。同時，在挖方區域上應用模擬盾構推力的手動支撐，并將護盾外殼推至7.5米。然后，軟管組合、兩個回路的反沖開始，仿真計算凹槽質量和管路組合參數，并模擬回路設計。

4橋梁結構豎向變形分析

護盾左右兩側最大垂直偏移為11.5mm，用于橋梁施工，在左側護盾隧道附近的橋面中心進行灌注后。托板的最大偏差為5.3mm，支撐的最大偏差為2.2mm。對護盾左側靠近橋面長軸的橋面變形進行了研究，以確定盾構開挖時橋面的垂直變形曲線。橋面的最大離隙值為10.5mm，并顯示在中間位置。橋面缺勤值隨護盾的增加而增加。由于護板靠近橋面，因此挖方對橋面的影響更大。右側護盾距離橋梁很遠，并且在挖方過程中無法看到橋梁的扭曲。

5數值模型及邊界條件

本文計算了有限元計算中約束對模型拉伸的影響，如圖2所示。選取100m、60m寬和40m高模型標注。質量分量模型采用修正劍橋模型。采用ABAQUS分析進行中小應變和土壤分析，考慮地球上強流耦合。體量模型包含4986個計算單元，計算類型為C3D8P，壓力自由度高于C3D 8R，以考慮本文中要考慮的流量阻力分析。地面依賴于正常位移，底面依賴于垂直位移，曲面依賴于沒有排水系統的邊界。在該圖中，J1-J4是地面垃圾觀測點，其中J2正好位于隧道上方。

6不同偏心比對樁基礎的影響

隧道垂直變形是邊樁施工過程中的一個歷史過程。當隧道出口到第五個施工步驟時，由于距樁基礎最遠，四個不同的偏心比垂直e變形減小。樁基礎的豎向變形隨著施工現場的進一步加工而增大，在施工步驟20中達到最大值。偏心率為0.5時，隧道出口對樁基影響較大，垂直立柱變形的最大值約為。10mm。如果隧道不隨機穿過樁基，隧道出口對樁基影響最小，豎梃垂直變形的最小值約為。8mm由于四種不同的偏心率，可以看出，偏心率e在0～1.5之間，當偏心率為0.5時，豎梃的垂直變形會增大和減小，其中豎梃的垂直變形最大。當偏心率在0.5-1.5范圍內時，樁帽的垂直衰減會降低。e值為1.5時的最小偏心率。

7建筑物模擬

該建筑是高度為37.5m的混凝土框架構件、矩形木筏支撐和冷料井底部，所有這些都是使用三維實體單位建模的。該建筑總共包含26938個計算單元，單元類型為C3D 8R，并使用“優化”命令控制計算過程中可能產生的沙漏。矩形船隊要求使用從實體和樁的頂部附著的約束。樁側與土接觸面，切線方向為摩擦系數0.35，法向為硬接觸。建筑設計模型（可選）柔性模型，柔性模塊30GPa，蒲松氏常數0.2（2600kg/m3）。

8樁基頂部豎向位移

偏移計數器用于記錄樁帽頂部的垂直偏移。分析發現，樁帽的頂部坡度值和35厘米長的樁帽垂直位移值遠低于樁帽頂部坡度值和樁帽垂直位移值。隧道開挖后，由于土壤質量損失的原因，土壤偏移場發生變化，樁的分裂導致隧道附近的壓強減小，樁相對向下偏移。當樁長為45厘米時，由于樁母土的垂直位移，導致樁的阻力減小，樁端阻力增大，從而導致樁頂部的下降值較小。當樁長為35厘米時，樁的橫向摩擦阻力也會減小，而且由于樁的深度位于隧道底部的平坦平坦位置上，因此移動隧道出口將導致樁的最低層壓縮模塊減小。樁的阻力也因松弛而減小，小于樁的承載力45厘米，因此當樁長超過45厘米時，樁向下傾斜35厘米。

結束語

如果隧道是以側壁以外的偏心為基礎，樁基礎的垂直變形是線性分布的。樁基礎垂直偏折變形的最大值發生在e = 0.5處，樁帽垂直變形值隨偏心率的增加而減小。2）樁基礎相對于隧道裂縫面的位置發生變化時，樁基礎越靠近隧道中心線的缺口面，樁基礎的垂直變形值越大，離隧道中心線越遠，直至其偏離分型面位置，樁頂部的樁基礎垂直變形值越小。3）樁基礎的垂直畸變受不同隧道偏心比和隧道入口的影響很大。偏心率為0.5時，扭曲變形會隨著深度的增加而增大，直到達到最大值。對于深度為2.5d-3.0d的隧道，隧道內基本減壓變形的靈敏度提高。本文的研究結果用于隧道農民的分析，以適合

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