隧道施工对临近桩基影响的数值分析

燧（施-4临逍？a彩响的斂7;祈

胡锡鹏刘拴锭马思伟彭朝阳

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第

一

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公

司

，100024，北京//第

一

作

者

，助

理

工

程

师

）

摘要以重庆轨道交通环线区间隧道下穿既有结构桩基

基变形

Ltd.，100024, Beijing，China

为背景，利用有限元分析方法，对隧道施工

受力进行研究。通过数值分析得出以下结论：隧道开挖通过 土体变形对桩基产生影响，开挖过程中隧道、土体和桩基三 者之间形成有机的相互作用体系；隧道施工对建筑物桩基的 变形受力影响与其距隧道中线距离密切相关，离隧道中线越 近，桩基降越大； 力的

主 周边土体相对

位移有关。通过数

结果

场监控量测数据

对比发现，二者所反映的规律基本 ，因此，得出的数值分

结果可为

类似工程提

。

关键词隧道工程；桩基变形；桩基承载力；数值模拟

中图分类号TU43*

DOI:10.160*7// 1007 -869(2018.08.026

Numerical Analysis of Tunnel Construction Influence on the A?a,cent Pile FoundationHU Xipeng， LIU Shuanding， MA Siwei， PENG Chaoyang

Abstract Based on a certain tunnel of Chongqing transit cir­

cle line that pases underneatli the existing stnuctural pile foun- dation，finite element method is used to study the deformation and mechanical characteristics of the pile foundation affected by the tunneling. The simulation results show that the influence of tunneling on pile foundation is through the ground deformation， and the interaction relationship of tunnel，soil and pile during

the excavation is analyzed.

The stress and strain of building

pile foundation affected by the constructing depend mainly on the distance between pile and tunnel，the shorter the distance， the larger deformation of pile foundation will be. The impact of the pile internal force mainly depends on the relative vertical displacement of srnrounding soil.

Through a compaison be­

tween the numerical analysis and the on-site monitoring data， the rules demonstrated by both are basically the same，there­fore ，the result of thie numerical analysis could provide a refer­ence for similar urban construction projects.

Key words

tunnel engineering % pile deformation % pile bear­

ing capacity; numerical simulation

Author's address

China First Highway Engineering Co.，

我国城市的高速发展，地铁已成 城

市交通的最有效工具之一。而地铁往往穿越城市 集建筑物群，需要在已有建（构）筑物下或附近进

行施工，由此隧道施工 可 近桩基产影响。

有研究表明，隧道施工会不可避免地对周边 层产 ，进而 周边建（构）筑物产生影响。当隧道穿越或近邻既有桩基时，隧道、周边土 及桩基 可 产生相互影响。国内外对隧道开挖引起的桩基变形研究 ，文献[1]用数 方法研究了非均质土条件下盾构隧道施工对邻近承载桩基的影响规律。文献[2]以天津地 铁盾构施工为工程 ，研究了隧道开挖对桩基础的影响。文献[3]通模型试验 膨胀土地基隧道施工引起的桩附加沉降、附加弯矩与轴力的 变化规律。文献[4 ]从桩侧摩阻力、桩端抗力角度 研究了桩基承载力作用规律。文献[5]基于 弹

塑

研究了隧道-土体-桩基之间的相互作用，推

导了隧道开挖对桩基的水平位移和弯矩理论解。虽然关于隧道开挖对桩基的影响研究 ，但

工程实际 于地质条件和工程特点的差异，对桩基的实际影响程度也 相同，需要作进一步深人研究。

以

轨道交通

间隧道下穿桩

基为工程，重点研究了隧道开挖对桩基的变形 及承 影响。1

工程概况

轨道交通环线作为重庆市轨道交通线网的重 要组成部分，具有重要的路网连接 ，是网中

要的骨干 。 轨道交通 的上桥 站一凤鸣山站区间右线隧道总长为858.388 m，其 复合TBM(隧道 ）施工间长841.880 m;左线隧道总

870.009 m，其中复合TBM施工区

• 125 •

间长853.502 m。区间线路纵断面为单坡，最大坡 度为26°\"、最小坡度为2°\"，隧道顶部埋深为10.( 〜30.4 m。沿 越的岩层主要为J2s-Sm砂岩泥、J2s-Ss砂岩。经设 ，综合 用2台单护盾TBM进行掘进。盾构 径为6. 88 m，隧道采用高 土管片错缝拼接，管片厚350mm，每环掘进1.5 m。区间右线YDK3 + 530— YDK3 +580 下粧基 土结构的鸿禧酒，隧道顶部与粧 间距4 m。下 左线隧道位于砂质泥岩和砂岩复合地层中，右隧道位于 表1有限元分析模型介质物理力学参数值

介质砂质泥岩砂混凝土管片

桩

弹模量/

GPa1.1234.92233.50030.000

度/

(kg/m3)2 5702 4902 4502 400

泊松比

0. 320 . 210 . 200 . 20

内摩

([ 33.242.2

擦力

kPa5882 073

/

图2为隧道开挖后竖向位 知，开挖

大沉降量为5. 33 mm，

。 2可隧道右线

顶部，这是由于右线隧道下穿粧基承受 大的竖砂质泥 层。由于隧道 程 行，建筑物的设计变形值要求控 20 mm以内，因此隧道开挖过程对粧基变形及粧基承载力损失的控 极 要。隧道与粧基结构位置 1。

图1隧道下穿桩基结构位置剖面图

2

数值计算模型

结合工程地质条件及工程特点，采用有

方

法 隧道开挖 近粧基的变形受力影响。计

模型 隧道-土体-粧基三部分的相互作用。隧道直径设定为6. 88 m，埋深16 m。建筑物基础为 1.2 m x 1. 2 m摩擦型粧，粧长16 m，粧间距4 m。用空间8节点实单元（C3D8)

行模拟，粧

与土体绑定，防粧与土体断开。建筑物采用等效

替代方法 [6]， 应力 ，在复合粧基顶部施加大小为300 kPa的均 ，模拟既有建筑物的存在。模型空间尺寸为80.0 m('方向#、 100.0 m(i方向）、50.0 m(z方向#，隧道开挖方向 ' 。4个面边界条 法向约束，底部为全约束，上表面为自由面。岩土 度准 用Mohr-Coulomb准则。管片与粧体假定为各向同性 弹性材料，

需的 参数 表1 。

• 126 •

应力的原因。同时隧道底部 隆起现象，最大隆起量为4 mm。图3和 4 隧道开挖粧的竖向及水平位移。由图3、图4可知，土层变形 条件下引发的粧体竖向及水平位移均不大，最大竖 位 6.5 mm，而大水平位 2. 7 mm。由于隧道开挖引起地层 沉降位移，而层变形又

造成粧基与

近土体的接触面

相对位移。

图3群桩竖向位移等值线图

图4群桩水平位移等值线图

在数值计算过程中，假定粧体为刚性基础，故 粧与周边土体的位

是通过土体位

变而实

。粧周边土体位移会引发土体应力 ，进而改变粧体的受力 。故隧道开挖对粧基的影响可分为：

(1) 隧道开挖产

，地层变形，使得

应

道开挖后的变化趋势略有不同，主要与粧身周边土

相对竖向位移有关。I 的A粧受隧道施工影 响，相土 下 ， 力增大，从而导致开挖的粧 力较开挖前有所增大；（的B粧与土的相对位 小，隧道开挖后粧 大；m区的c粧相对土 ，

摩阻力，从而导致开挖后粧

力变化不

力减 ；力减少。

力 ，土物 质 变，进而导致土

通过变形 应这种改变， 的应力场达到

。(2) 隧道开挖产生的地层变形 粧周土 ，得粧周土体的物理力学性质及应力场也相应变，从而改变粧的 力及粧 力，甚至粧 摩擦阻力。这导致粧基承载力的大低，同时使得粧基产生一定的沉降。

可知，隧道临近既有粧基施工时，隧道开 挖通 层变形对粧基产生影响，隧道、土和粧

基三者之间形成了有机的相互作用 。

一步研究隧道开挖对单粧的影响，根据粧

体与隧道的空间位置 ，将隧 划 3个

， # 。 研究3个 下的单粧受隧道开挖的影响。

注

沖为土体内摩

擦角5

桩

与

隧

道

位

置

关

系

图

&可，不同 的粧体变形及内力

受隧道开挖影响程度各不相同，离隧道 距

离越小，土沉降位移越大。I、（、m 的粧体沉 A粧>B粧 >〔粧，且各粧体沉 大值均 粧体顶部， 粧 减小。由于粧体度较大，沉减小趋势 明显。 &与图(可知，I 粧最大沉 大于地表沉 ，（粧

最大沉 与土体沉 几乎相同，而m区粧最大沉

小于土体沉 ，这与文献[7]结论较为

一*致。

+

隧道开挖前后A、B、C粧的粧

力分

布图。

+可知，不同

的粧

力在隧

3现场监测分析

3$地表沉降监测结果

表沉降监测点沿开挖方 5 m布置1组，

测点间距5〜10 m( 8 #。下 （K3 + 580断面）地表沉降监测结

-

。

9可

，虽

然右侧建筑物的群粧增大了粧周土体的刚度，但受 左右 质条件差异的影响，地表沉 的单槽状，最大沉降位于 右侧附近，最大沉降量为5. 51 mm。3$桩轴力监测结果

隧道穿越粧混结构施工中，对粧力进行实 。 粧承台之下1 m深度 行粧身凿孔，凿入深度为30 cm，然后埋入应力盒，用于监测盾构开挖

• 127 •

K3+580 DB-1 MQE.-2 ^DB-3-^f DB-4 DB-5 M DB-6 DB-7 M DB-8 MDB-9 i

建筑物

右线隧道

—

左线隧道—

—

总体变化规律 略大于监 基位于砂质泥

吻合， 同的是模拟计

。这可能是由于实际建筑物粧

层，是按保守的摩擦粧进行设计

的，而模拟过程 粧端承载力影响，导致模

拟值略小于监 。由此，说明 数值模拟的结 4

于可靠。结论

(1 #隧道开挖通过土体变形对粧基产生影响， 开挖过程中隧道、土和粧基三者之间形成有机的 相互作用 。

图'地表沉降监测点布置平面图

(2) 同，粧受隧道开挖的影响程度不同。I、n、m 的粧体变形及内力受开挖 影响程度为:a粧>〇粧>〇粧。*区的c粧相对 土

， 力减少， 摩阻力。

(3) 变形监测结果表明，受层差异和既有结

构刚度的影响， 表沉 的单凹槽状。粧 力的监测变化规律与模拟结果大致相同，验证 数值模拟结果的可靠性。参考文献

[1

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[2 ]

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.岩土力学，2013, 34(11):3055-3060.

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石

力

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与

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过程中粧轴力的变化 。图10为隧道顶部I区

A粧轴力监 与模拟 。 10可知，盾构开挖对粧轴力影响的监

与模拟计算结

[7] SELEMETAS D. The resj)〇nse of fi^ll-scale piles and piled struc­tures

to

tunnelling

[ D ].

Cambridge ：

University

of

Cambridge，2005.

(

收稿日期 $2016-10-13)

玫迎访A ! !市#眉交通ffl(》网站

www. umt 1998. com

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