盾构隧道侧穿桥梁桩基础数值分析

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1、盾构隧道侧穿桥梁桩基础数值分析青岛国际机场集团有限公司，266300摘要：为分析地铁IX间隧道掘进对桥梁的影响，采用ANSYS有限元方法进行分析，得到隧道掘进过程中桥梁桩基础的变形和内力变化，并对隧道掘进施工过程中桥梁的安全性进行分析，为提高盾构隧道穿越建筑结构的设计和施工提供参考。关键词：地铁有限元桥梁桩基础安全性0引言在城市地铁修建的过程中，地铁穿越城市建筑结构、桥梁桩基以及地铁运行区间的工程案例有许多［1〜3］。不同的施工工艺对其周边结构的影响是有所IX别，目的就是在地铁穿越的设计施工过程中尽可能远离周边结构，避免对其造成影响，降

2、低各种风险。尤其是在软土地K修建地铁，区间隧道侧穿桩基时，盾构开挖土体产生的卸载效会对摩擦桩的变形与内力造成影响［4］。当前，采用有限元数值分析方法对盾构隧道穿越立交桥和房屋桩基施工过程进行模拟计算是很成熟的分析方法。基于地下工程地质条件的复杂多样性,现有成果不能有效地反映盾构掘进对临近桩基的影响,需要不断地对其展开研宄，积累工程经验。木文运用ANSYS全面模拟盾构施工过程，对区间盾构隧道侧穿桥梁桩基础数值分析，以期进一步完善盾构近接施工分析理论，并为提高盾构隧道穿越建筑结构的设计和施工提供参考。1工程概论植物园站〜龙洞站IX:间隧道位

3、于天河IX:，隧道采用土压平衡法盾构施工。盾构隧道从龙洞站往植物园站施工，在YDK26+880至YDK26+835处侧穿华南快速路桩基。目前，盾构隧道己掘进到丫DK26+26+989处，距肀南快速路桥梁桩基础150m。区间隧道圆形断面，洞径为6.0m,隧道衬砌釆用0.3m钢筋混凝土预制管片。盾构侧穿的桩基为Φ150钻孔灌注桩，按端承桩设计，设计嵌入中风化岩层230cm。根据区间隧道与桩基础位置平面图，区间隧道结构外边线与桥梁桩基础边界线最近处为3.01m，桥梁桩基础长约34.19m，嵌入区间隧道底部15m。隧道位于桩基础持力层以

4、上。图1区间隧道与桩基础位置平面图图2区间隧道与桩基础位置横剖面图为保证盾构能够顺利安全地通过华南快速路桩基础，对盾构侧穿吋桥梁结构的安全性进行分析。2风险识别与分析根据土压平衡盾构的特点，盾构机掘进对周围地层主要存在的风险为:1）地层损失；2）地下水流失；3）土体扰动后固结。对桥梁造成的影响主要有以下几点：1）土体损失和地下水流失造成桩基础的整体下沉。2）土体损失和地下水流失使桩基础受到的水平围压不均匀，使桩基础内部产生附加内力。由于华南快速路桥梁桩基础为端承桩，且嵌入区间隧道底部15m,隧道位于桩基础持力层以上，重点考虑土体损失和地

5、下水流失使桩基础失稳影响。3冇限元模型及参数3.1模型选取本次选取最不利情况进行计算分析，桥梁桩基础距隧道3m,桥梁桩基础嵌入隧道底部15m。假定使地层损失量达到最大：1）盾构机掘进过程中不对掌子面进行支撑（即土仓压力为0）;2）盾尾孔隙注浆量为0（即管片脱出盾尾后,周围土体变形填充盾尾空隙）。3.2模型建立计算取隧道侧穿桩基前后十环。模型上边界取至地表，下边界取至桩底30m,左边界取50m，右边界取50rru计算采用ANSYS有限元软件进行分析，岩土体弹性屈服准则为DP准则。采用地层结构法进行计算。初始应力考虑自重应力。土体采用实体单

6、元，桩采用结构单元。模型中不体现桥墩承台以上的结构,采用等效荷载的方法，在桩顶施加1300kN的荷载。有限元模型图如图3、4所zjo图3有限元三维模型图图4模型桩与隧道关系3.3有限元计算参数本次计算参数按照实际地层参数选用，盾构管片和桩基混凝土结构参数及土层的参数分别如表1所示。表1有限元计算参数材料性质申元类型天然重度弹性模量0泊松比粘聚力0摩擦角(°)填土层SOLIDE4518.10.452026粉质粘土SOLIDE4518.50.033021花岗岩SOLIDE4518.80.320.35片盾构管SHELL6325.03

7、1.00.20桥梁桩基BEAM425.031.00.204模型计算与分析4.1桩基础变形位移分布图(a)x方向(b)y方向图5盾构通过后桩基础分布图桩基础的位移值为相对于隧道掘进前的位移，盾构通过前后，x方向位移变化最大值0.0121mm,y方向位移变化最大0.02mm。4.2桩基础弯矩分布图(a)隧道掘进前⑼掘进至450环(c)掘进至452环(d)掘进至454环(e)掘进至456环(f)掘进至458环图6桩基础弯矩分布图隧道掘进前后，桩基础的弯矩值随着掘进逐渐增大，变化趋势如图7,在456管片处最人弯Mi值为8.8kN·

8、m。图7弯矩值随掘进管片环数变化4.3桩基础轴向应力分布图(a)隧道掘进前(b)掘进至450环(c)掘进至452环图8桩基础轴力分布图隧道掘进前后，桩基础的轴力值随着掘进逐渐减小且数值变化小，变化趋势如图9