盾构掘进过程基桩反应的数值分析

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1、盾构掘进过程基桩反应的数值分析摘要：盾构法隧道近接基桩施工难免会引起既有建筑物基桩的位移，给建筑物的安全带来隐患。运用三维有限差分软件FLAC3D对盾构掘进进行了数值仿真，仿真过程中考虑了盾构机、注浆压力、土仓压力等因素，得出了近接基桩的反应规律，为采取适当的施工措施奠定了理论基础。关键词：盾构掘进；基桩；反应；数值分析中图分类号：TU941文献标识码：A文章编号：随着城市地下空间开发利用规模的扩大，近接既有地下结构物进行施工的工程大量涌现。由于受地质环境条件和施工工艺的限制，近接施工难免会对已有结构物带来一系列的不良影响，如造成周围建筑物倾斜、倒塌，临近管线断裂破损等。深圳地铁

2、一期工程天虹一岗厦区间隧道，在左线里程CK6+784.155处，与民房桩基近接距离仅为0.31m[l],由此可见近接施工已经十分突出。近接施工对既有结构物产生的影响及对其的控制措施，已经受到岩土界的广泛的重视。在盾构法隧道施工中，盾构机推进对相邻桩体的影响是一个十分复杂的三维动态过程。针对桩体的力学行为，国内有些学者做了一些研究，文献[2]假定土体为分层均匀的线弹性无限体，利用文克尔(Winkler)弹性地基梁理论进行了研究，但实际上土体为弹塑性的，而且分析中不能考虑盾构推离后土体的卸荷恢复过程。文献［3］对隧道开挖后的桩体力学行为进行了简易工程分析法，其局限是不能动态地分析盾构

3、机推进对基桩的影响。文献［1］用三维有限元软件ANSYS进行了研究，但其模拟过程没有考虑盾构机推进过程中基桩与盾构位置的动态变化。为克服以上缺陷，本文采用有限差分软件FLAC3D对盾构掘进过程进行仿真模拟，得到了掘进过程引起临近基桩的反应规律。1参考算例取典型桩位置如图4.1示，J=lm,桩体长20m,直径为0.6m,EP=0.2Gp,泊松比为0.3,桩体的密度为26KN/m3,用FLAC3D中pile单元来模拟桩体，桩顶作用竖向力500KN,桩土之间通过设置剪切弹簧和法向连接弹簧互相作用。考虑桩有承台，故在桩头上设置约束条件为固端约束。土体物理参数见表lo表1土层物理力学参数T

4、able3.IMechnicalparametersforsoils层号土层名称厚度/m重度/kN-m-3压缩模量/Mpa粘聚力/kpa摩擦角/(o)泊松比①T杂填土2.419.44.3210150.37①-2b2-3素填土1.219.15.0320.2210.35②-lc2-3粉土4.819.512.131919.40.26②-ld3-4粉砂夹细砂4.819.214.788.533.20.25②-2b4淤泥质粉质粘土9.018.24.0114.620.20.30③-2-lb2粉质粘土20.020.06.9331.518.50.322盾构法隧道施工的FLAC3D建模2.1模型网格

5、划分模型尺寸为80m(x方向)X60m(y方向)X44.8m(z方向)，计算模型如图2所示，共化分8760个单元，9912个节点。模型边界条件为：x=40m、x=-40m、y=0m>y=60m面上的法线方向被约束，底面z二-29m面上为固定约束。图1盾构与桩体的空间位置Fig.IRelativepositionbetweetunnelandpile2.2盾构掘进模拟过程盾构法施工是在盾构机维持工作面稳定情况下开挖地层，在盾构机尾部安装衬砌，在盾尾同步注浆。工作面和衬砌的拼装交替进行，直至整条隧道完成。认为土体为弹塑性体，釆用莫尔一库仑准则(Mohr-Coulomb)准则，由于衬砌

6、刚度较大，认为是弹性体。具体数值模拟的思路如下：①、计算土体的自重应力，得到原始地应力场，将土体位移赋值为零；②、加入桩单元，得到加入桩单元后的土体应力场，将土体及桩位移赋值为零；③、隧道开挖,采用零模型(modelnull),用modelnull命令挖出y方向27m长的隧道、衬砌、及注浆部分的土体；①、在y=18〜27m内的衬砌部分换成盾构壳的材料参数;②、在y=15〜18m内的注浆体假定为未凝固状态；③、在y=0〜15m内的注浆体假定为凝固状态；④、在y二15〜18m隧道内壁加上值为0.3Mpo注浆压力⑧、在土体的开挖面上即刀盘位置前方土体加上值为0.3Mpa的土仓压力；⑨、

7、循环材料参数的变换来模拟盾构机动态施工。3结果分析3.1位移分析I表示为盾构机前进方向上盾构机刀盘到桩体轴线的相对距离，正值表示桩体在盾构机刀盘前方，负值表示盾构机刀盘已经穿过桩体侧面。(l)x轴方向位移分析由图3可以看出：①大体上当盾构机刀盘还没有穿越基桩时，隧道轴线偏上方的桩身位移值为负值，也就是说上方桩身发生向隧道内部的位移，且最大值为2.65mm出现在地表以下10m左右处桩身；隧道轴线偏下方的桩身位移值为负值，同样发生向隧道内部的位移，最大值为3.4mm出现位于地表下20