（岩土工程专业论文）天津地下直径线大走私盾构穿越桥桩安全性分析.pdf

授权书 !iiiiftrrliitlflftltttllffipittlfiifiliiifl1liiii i i y 18 9 6 917 本人同意将所著硕士学位论文天津地下直径线大直径盾构穿越 桥桩安全性分析著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和 汇编权授权j 匕塞建篁王猩堂院婴究生处行使。上述授权的范围包括： j 量宝建筑至猩堂院自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作权问 题引起的责任。 j 竖立建笪王猩堂瞳须依照我国著作权法的有关规定，充分尊重本 人享有的著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权书有效期墨年。 论文作者：靴旌斗 ( 签章) y f 年弓月 作者联系方式： 地址：。北京西城区展览馆路1 号邮编：1 0 0 0 4 4 电话：传真： 手机：电子信箱：z h o n g h a o l 3 6 1 6 3 c o m 摘要 一 摘要 为了解决城市交通的拥堵、城市空间的不足，现在世界范围内地铁的兴建正如火如 茶的进行，近几年我国各大城市也掀起了一股“地铁和轻轨”建设的热潮。而城市中高 架和桥梁林立，隧道穿越桥梁桩基在所难免。这就会对被穿越的桥梁桩基周围土体产生 扰动，引起桥梁桩基的变形和位移，对桥梁的正常使用和安全产生了危害，地铁施工近 接桥梁基础的施工现在越来越成为工程中难点问题，亟待人们对其进行详细的研究。 本文以天津地下直径线为依托工程，以盾构穿越金刚桥为例，用m i d a s g t s 软件建 立三维模型，对其施工过程进行数值模拟，分析盾构掘进对金刚桥6 号承台和7 号承台 下桩基的位移和变形的影响，分析了盾构穿越后金刚桥的安全性。 ( 1 ) 盾构法施工随着盾构技术机械性能的改进有了较大的发展，但不可避免地引 起对地层的扰动，引起地层变形和地面沉降，特别是大直径盾构在软土掘进中尤为明显， 本文对盾构施工引起的地层变形机理、影响变形的主要影响因素以及变形的规律做了研 究，并且软土地区对盾构施工对近接桩基的影响机理作了说明。本文第六章通过对现场 实测资料的分析，对这一问题进行了研究。 ( 2 ) 在天津地下直径线施工仲大直径盾构穿越金刚桥是一个风险控制点，隧道与 金刚桥的6 号承台及7 号承台下的桩基距离很近，盾构施工对它们的影响很大。本文通 过三维数值模拟从桩基的水平方向位移及竖向上的不均匀沉降来对大直径盾构穿越金 刚桥后金刚桥的安全性进行分析。分析发现盾构穿越金刚桥后金刚桥的差异沉降达到 1 5 5 8 3 m m ，超过了控制标准，必需对其基础做加固处理才能保证施工的安全。 ( 3 ) 在对各种加固措施分析研究的基础上，本工程的加固方案最终确定为隔板加 固。计算表明：在对金刚桥基础加固以后，6 号承台下桩基的第一排桩的最大水平位移 减小了6 4 2 6 m m 。6 号承台下桩基的第二排桩的最大水平位移值减小了3 2 9 6 m m ，7 号 承台短桩水平位移减少了2 7 3 6 m m 。6 号承台加固后的最大竖向位移- 4 4 m m ，7 号承台 加固后竖向最大位移一1 1 7 8 m m 。经计算可知隔板加固有效的缓减了在竖直及水平方向的 位移，加固效果明显，加固后的位移达到了控制标准，为盾构安全穿越会刚桥提供了依 据。 ( 4 ) 施工现场监测可以掌握现场的第一手资料，能够预防可能出现的危险，对于 保证施工的安全有重要的作用，本文第六章对盾构的监测做了简要介绍。 关键词：地层变形大直径盾构施工桩基泥水平衡盾构差异沉降 a b s t r a c t a bs t r a c t n o w a d a y s ，i no r d e rt os o l v et h eu r b a nt r a f j f i cc o n g e s t i o na n di n s u f h c i e n tu r b a n s p a c e ，s u b w a yc o n s t r u c t i o na r ec o n c e n t r a t i n go nw o r l d w i d e ，m a j o rc i t i e so f c h i n a i nr e c e n ty e a r sh a v ec a u s e daw a v e ”s u b w a y sa n dl i g h tr a i l s c o n s t r u c t i o nu p s u r g e w h i l et h ec i t y se l e v a t e da n db r i d g e sa r ec r i s s c r o s s ，t u n n e l l i n i n gp i l ef o u n d a t i o n i su n a v o i d a b l e ，t h i sw i l le f f e c tt h es u r r o u n d i n gs o i l so fb r i d g ep i l e ，c a u s i n ga d i s t u r b a n c eb r i d g ep i l ed e f o r m a t i o na n dd i s p l a c e m e n t ，i ti sh a r m f u lf o rt h e b r i d g e sn o r m a lu s ea n ds a f e t yp r o d u c e ，s u b w a yc o n s t r u c t i o nn e a r l ym e e tb r i d g e f o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o nn o wh a sb e c o m em o r ea n dm o r ed i f f i c u l tp r o b l e m si n e n g i n e e r i n g ，t h e s ep r o b l e m sa r eu r g e n tn e e d u st os o l v e t h i st h e s i sb a s e do nt i a n ji n su n d e r g r o u n dd i a m e t e rl i n ee n g i n e e r i n g ，s e l e c t i n g s h i e l dt h r o u g hj i n g a n gb r i d g ea se x a m p l e s ，3 dm o d e li sb u i l tw i t hm i d a sg t s s o f t w a r e ，a n a l y s i s i t sc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h ep i l e s d i s p l a c e m e n t a n d d e f o r m a t i o no ft h ep i l ew h i c hu n d e rn o 6a n dn o 7p i l ec a p s ( 1 ) a l t h o u g hw i t hs h i e l dm e t h o da n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i m p r o v e m e n ts h i e l d t e c h n o l o g yh a sr a p i dd e v e l o p m e n t ，b u t i t i n e v i t a b l y c a u s ef o r m a t i o no ft h e u n d e r g r o u n d ，c a u s e s t r a t ad i s t o r t i o na n ds u r f a c e s e t t l e m e n t ，e s p e c i a l l yl a r g e d i a m e t e ro fs h i e l dt u n n e l i n gi ns o rs o i l ，s h i e l ds t r a t ad i s t o r t i o nc a u s e db yt h e c o n s t r u c t i o no fd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m , t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa n d d e f o r m a t i o nl a wa n dt os h i e l dt u n n e lt on e a r l yc o n n e c tt h ei n f l u e n c em e c h a n i s m p i l ea r ee x p l a i n e di nt h i sp a p e r ( 2 ) l a r g ed i a m e t e ro fs h i e l dt h r o u g hj i n g a n gb r i d g ei nt i a n j i nu n d e r g r o u n d d i a m e t e rl i n ec o n s t r u c t i o ni sac o n t r o lp o i n t s ，t u n n e la n dj i n g a n gb r i d g en o 6a n d n o 7c a p sb e a r i n gt h ec r o w do fp i l ef o u n d a t i o nw a sv e r yc l o s e ，t h ee f f e c to ft h e s h i e l dc o n s t r u c t i o nt ot h e mi sv e r yb i g ，a c c o r d i n gt h ep i l ef o u n d a t i o n o f3 - d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n dv e r t i c a lo nt h eu n e v e n s e t t l e m e n to fl a r g ed i a m e t e ro fs h i e l dt h r o u g hj i n g a n gb r i d g e ，t h i sp a p e ra n a l y s i s t h es e c u r i t yo fj i n g a n gb r i d g e t h r o u g ha n a l y s i sw ef o u n dt h a ta f t e rs h i e l dt h r o u g h j i n g a n gb r i d g et h ej i n g a n gb r i d g ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ti s 15 5 8 3m m ，d i d n t s a t i s f i e dt h ec o n t r o ls t a n d a r d ，w en e e dt od ot h e i rf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n t w e m u s tr e i n f o r c e m e n ti t sf o u n d a t i o nt oe n s u r et h es a f e t yo ft h ec o n s t r u c t i o n t h es i x c h a p e t e ra n a l y s i st h i si s s u et h r o u g ht h ef i e l dm e a s u r e m e n t d a t a i i a b s t r a c t l 曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼舅曼曼曼氅曼舅曼量曼曼曼曼! 曼曼! 曼曼鼍曼曼曼量量皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼皇曼篡量暑 ( 3 ) i nt h ea n a l y s i so ft h ev a r i o u ss t r e n g t h e n i n gm e a s u r e s ，w ed e c i d e dt h ef i n a l r e i n f o r c e m e n t s c h e m ei st h er e i n f o r c e m e n tp a r t i t i o n s c a l c u l a t i o n ss h o wt h a t ，w i t h t h er e i n f o r c e m e n t ，t h em a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h ef i r s tr o wp i l e u n d e rt h e6a u d e n c er e d u c e d6 4 2 6 m m ，t h em a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f t h es e c o n dr o wp i l eu n d e rt h e6a u d e n c er e d u c e d3 2 9 6 m m ，t h em a x i m u m h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h es h o r tp i l eo ft h e7a u d e n c er e d u c e 2 7 3 6 m m t h e m a x i m u mv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h e6a u d e n c ei s 4 4 m m ，t h em a x i m u mv e r t i c a l d i s p l a c e m e n to ft h e7a u d e n c ei s 一11 7 8 m m t h r o u g hc a l c u l a t i n gw ef o u n dt h a t c l a p b o a r dr e i n f o r c e m e n tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f f o u n d a t i o n ，t h er e i n f c i r c e m e n te f f e c ti ss i g n i f i c a n t ，t h ed i s p l a c e m e n ti sm e e tt h e c o n t r o ls t a n d a r d s ，t op r o v i d eab a s i st ot h es e c u i r i t yo ft h es h e i l dt h r o u g ht h e j i n g a n gb r i d g e ( 4 ) t h r o u g ht h es i t em o n i t o r i n gw ek n o wt h ef i r s t - h a n d i n f o r m a t i o ns i t e ，c a l l p r e v e n tt h er i s ko fp o s s i b l e ，i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l et og u a r a n t e et h es a f e t yo f c o n s t r u c t i o n ，t h es i xc h a p e t e ri n t r o d u c et h es h i e l dm o n i t o r i n g k e y w o r d s ：g r o u n dd e f o r m a t i o nl a r g e - d i a m e t e rs h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o n p i l ef o u n d a t i o n s l u r r yb a n l a n c es h i e l dt u n n e l i n g d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t i i i 目录 目录 摘要。i a 】 ；s t r a c t i i 目录 第一章绪论l 1 1 前言1 1 2 文献评述和研究的现状2 1 2 1 关于近接施工基本力学原理研究2 1 2 2 隧道开挖引起地层变形的预测2 1 2 3 关于盾构穿越桩基的研究现状5 1 3 本文的研究思路和研究内容及应注意的问题6 第二章依托工程一8 2 1 工程概况一8 2 2 水文地质情况1o 2 3 周边环境lo 2 4 工程重点及难点1 4 2 5 本工程盾构选型依据1 6 第三章盾构法施工及其对桩基的影响机理18 3 1 盾构施工引起地层变形的机理1 8 3 2 盾构施工引起地层变形的主要影响因素1 9 3 3 盾构施工引起地层变形的主要规律1 9 3 4 盾构法施工影响范围及邻近桩基的确定2 l 3 5 已有桩基变形控制标准2 2 3 6 泥水平衡式盾构机选型2 2 第四章天津地下直径线穿越金刚桥没加固安全性分析2 4 4 1 天津地下直径线穿越会刚桥工程概况2 4 4 2 计算模型2 5 4 2 1 计算模型及材料参数2 5 4 2 2 数值模拟工况2 7 4 3 没加固结果分析2 7 4 3 1 模型合理性说明：2 7 4 3 2 直径线盾构施工对金刚桥水平位移影响分析。2 9 4 3 3 直径线盾构施工对金刚桥桩竖向位移的影响分析3 8 i v 、 5 2 计算模型4 2 5 2 1 计算模型及材料参数4 2 5 2 2 数值模拟工况4 2 5 3 计算结果分析4 3 5 3 1 加固后盾构施工对金刚桥桩水平位移影响分析4 3 5 3 2 直径线盾构施工对金刚桥桩竖向位移的影响分析5 1 5 4 加固效果分析5 4 5 4 1 加固和没加固水平位移的对比5 4 5 4 2 加固和没加固竖向位移的对比5 6 5 5 施工中应注意的问题5 7 第六章盾构施工监测分析5 8 6 1 测点的布置原则5 8 6 2 监测点的布置5 8 6 3 施工监测控制标准5 9 6 4 盾构施工监测项目6 0 6 5 监测的意义6 1 6 6 天津地下直径线监测分析6 1 6 6 1 监测点的布置一6 1 6 6 2 监测方法6 l 6 6 3 数据处理6 2 6 5 4 监测数据分析6 2 第七章本文主要结论及展望= 6 4 7 1 主要结论。6 4 7 2 对未来工作的展望6 5 参考文献6 6 致谢；。7 0 v 第一章 绪论 1 1 前言 第一章绪论 当前人口暴涨、资源短缺、环境恶化、土地衰退，人类赖以生存的地球表面已经不 堪重负，在这种情况下，各国在采取综合性的整治、经济措施外，都日益注重地下空间 和地下工程的开发和利用。虽然有科学家提出了2 1 世纪在海上和空中建造大城市，但 比较可靠的还是地下空间。世界范围内的工程界传言：1 9 世纪是长大桥梁发展的时代， 2 0 世纪是高层建筑发展的时代，2 l 世纪将是长大隧道工程发展、大力开发利用地下空 间的时代。 随着城市化进程的不断加剧，城市空间的土地不足越来越明显，交通越来越拥堵， 很大的限制了城市化的进程。为了解决交通的拥堵、城市空间的不足，在世界各地，地 铁的建设正在如火如荼进行。我国近几年掀起的“地铁和轻轨热”正方兴未艾。目前， 我国1 0 0 万人口以上城市多达5 0 座，其中已有重庆、成都、哈尔滨、武汉、广州、深 圳、大连、沈阳、西安、杭州和宁波等2 0 多个城市正在修建或计划兴建地铁以及快速 轻轨交通，规划中的城市轨道交通总里程达到了5 0 0 0 k m 。总之，利用地下空间，开辟 交通通道，增加交通面积，是解决城市“交通难”的根本性措旋之一。 在地铁的建设当中，由于城市地下空间的复杂，受到线路和空间的限制，在地铁的 施工中会遇到很多的问题，其中以近接施工最为突出，是现在地铁施工中最常见到工程 问题。城市中各种桥梁和高架桥林立，地铁隧道难免从其基础下部、旁边或其中间穿越， 而地铁隧道施工会对其上部和周边的土体产生扰动，使土体产生位移和变形，这样就会 使近接的桩基产生内力和附加变形，对桩会有不利的影响，如果沉降量过大或者使桥梁 产生不均匀沉降将严重威胁到上边桥梁的寿命和它的正常使用。所以在施工中需要对旌 工当中危险系数较大的地方做一个超前预测，对其进行安全稳定性分析，并对其施工方 法进行优化。这对施工的安全性是一个保障，能够为社会避免不必要的损失。 盾构法施工n 1 具有对环境影响小，施工不受地面环境和气候条件及季节因素的影响， 使用范围广，可广泛的用于软土、砂卵石、软岩直至硬岩等各类地质条件，在工程界得 到了广泛的应用，现在世界各国和地区有很多地铁隧道都是用盾构完成的。但是，不论 是在硬土还是软弱的地层当中，盾构都难免对土体产生扰动，造成土体的沉降和变形。 对其近接或者下穿的既有建筑物会产生不利的影响。 本文以天津地下直径线为依托工程，研究在天津地区大直径盾构近接穿越桥梁桩基 的安全性问题。研究了盾构穿越金刚桥后对金刚桥6 号和7 号承台下桩基的水平位移和 竖直位移的影响，确定它们的差异沉降，分析穿越之后桥梁的安全性。本文针对性较强， 对实际工程有较强的指导作用。 第一章绪论 1 2 文献评述和研究的现状 1 2 1 关于近接施工基本力学原理研究 接近旌工，首先需要对邻近建筑的力学模型和受力状态进行研究。隧道开挖前，初 始应力场的形成存在。隧道开挖后，形成的应力状态会发生变化，对二次应力场的形成， 第二弹性和弹塑性应力场点，要考虑两种情况，分别为：弹性和弹塑性两种情况 在弹塑性应力状态，隧道开挖后形成的二次塑性区应力状态分两部分：塑性区和弹 性区。其中，当侧压力系数，岩石类型不同时，塑性区的范围有非常大的不同，数值方 法可以通过数值方法取得。较弹性二次应力状态相比，塑性区的二次应力状态的影响范 围要增加一倍因此它比弹性状况的影响范围要大 通过对不同类型岩石的分析可以看出，对于完整，高强度岩石条件下，隧道周围应 处于弹性状态，其影响范围的计算可与弹性理论结合实际工程分析进行计算，对于在破 碎的，低强度岩石的条件下，隧道开挖周围应处在塑性状态，其影响范围的计算可以在 塑性力学与工程的实际情况分析理论。 这正是对隧道接近施工时影响范围的预测和其对策研究的基本力学原理，这样的原 理同样的也存在于其他复杂的近接施工当中。近接度是这样的影响程度，如果新结构与 旧结构的间距变小，它的影响程度就会变大，如果间距变大了，它的影响程度就会变小。 1 2 2 隧道开挖引起地层变形的预测 地下工程施工中，对于隧道的开挖，其一定会对地下的岩土体的原有应力状态产生 破坏，导致地表发生沉降当沉降和变形达到一定程度的时候，会对隧道周围的建筑的 安全和正常使用产生影响。所以现在的岩土工程界对隧道开挖引起的地面沉降及由此对 周围的建筑物的安全性和稳定性的影响进行了研究。对于地层沉降和变形规律的认识也 在不断进步，已经涌现出了大量的理论和方法现对前辈们总结出来的理论和方法做简 要的介绍： 1 2 2 1 经验公式法 经验公式法主要是通过监测地面上的变形，经过数学处理的监测数据以数学形式对 位移的规律进行表达，然后通过自己的经验并结合理论对几面的最大沉降量的分布进行 预测。 p e c k l 9 6 9 年在墨西哥国际地基基础会议上，通过对大量隧道开挖造成地表沉降数据 及工程资料分析，提出了地表沉降槽的概念，地表沉降槽形态类似于正态分布，如下图 2 第一章绪论 所示。 _x 认 ：而露 s 刷 l 。、 - + 图卜1 地表横向沉降槽预测不葸图 我国的学者们也对此进行了研究，刘建航在对上海延安东路隧道沉降分析的基础 上，提出了“欠地层损失的概念，并且对p e c k 公式预测地表纵向沉降计算式进行了 修订。 经验公式法模型较为简单，实际因素考虑较少，所以缺乏理论依据。并且在不同地 区不能简单的套用，这需要在工程条件、盾构参数及工程施工经验类似的情况下才可进 行套用。 1 2 2 2 解析法 到目前为止，对地层的沉降及变形的预测还没有完全精确地解析解答，这主要是因 为土体的复杂性和施工状况的多样性决定的。现在得到的解析解1 日都是在假定的条件 下求得的，不是很符合现场的实际情况，但也具有一定的共性，可以用来定性的去判定 地表沉降的一般规律。 1 9 8 7 年，s a g a s e t a 在各项同性和不可压缩的假设下，提出了地表的三维沉降公式， 并且对这个公式进行了推广。 n l o g a n a t h a n 等人认为地层损失引起了地表的位移，由于在径向上隧道的位移是不 均匀的，类似于椭圆形。他们认为在隧道轴线与水平方向夹角为4 5 。的范围内是地表沉 降的主要区域。并且指出了地表沉降的两个阶段：第一个阶段为开挖后立即产生的不排 水状态的损失；第二个阶段为固结和蠕变产生的变形。以前人们在考虑土层损失的时候， 仅仅考虑了第一个阶段，n l o g a n a t h a n 等人在研究之后提出了等效损失的概念，公式如 下： = 一4 9 r + 9 2 e x p 一( 器+ 孚) ， 公式中的g 是地层等效损失参数，它包括了地层的弹塑性变形、隧道超挖损失与工 艺水平的影响三部分。 第一章绪论 1 2 2 3 数值解法 现在常用的数值计算“7 。3 7 1 的方法可以克服解析解及经验法的缺陷，主要是因为用数 值分析可以对不同的地质条件进行考虑，同时也可以考虑各种不同的施工过程，采用合 适的应力应变关系，同时也可以考虑开挖的时间效应和空间效应，所以在学术界数值分 析得到了广泛的应用。现在广泛使用的数值计算方法有有限元法、有限差分法、边界元、 离散元等形式。 但是用数值分析的方法来对沉降及变形进行预测时要对条件的选择慎重考虑，主要 考虑以下几个方面： ( 1 ) 接触关系。例如采用等代层或界面单元来考虑支护结构与土体间的相互作用。 ( 2 ) 应力释放的模拟。主要由坑道洞壁的径向应力释放和掌子面的应力释放两部 分组成，这两部分体现着“虚拟支撑力 的作用 ( 3 ) 降水的影响、注浆的效果、锚杆的加固作用等特殊支护作用的效果模拟。 ( 4 ) 孔隙水压的计算。孔隙水的流动导致土体产生了沉降，引起了地表的沉降。 地下水对支护结构的作用及影响要着重的考虑。 1 2 2 4 随机理论模型预测 刘宝深( 1 9 9 5 ) 在随机介质概念的基础上建立了横向和纵向地表沉降槽预测公式； 朱忠隆( 2 0 0 1 ) 利用随机介质理论进行了盾构推进的纵向地表沉降预测。 1 2 2 5 人工神经网络 用人工神经网络州来对地层沉降和位移变形进行预测具有很强的客观性和适用 性因为神经网络具有较强的非线性映射能力，它是利用实测资料对高度复杂和高度非 线性的变形量进行直接建模。 1 2 2 6 模型试验 在数值模拟不可行的情况下或为了校核数值模拟的结果，很多学者通过模型试验来 对隧道施工引起的地层移动进行了研究。自重是影响隧道稳定和相关土层变形的主要因 素，特别是对于浅埋隧道，考虑到这一影响，人们采用离心试验来研究这一课题。k i m 等( 1 9 9 6 ) 也用缩微盾构模型在地面具有超载的软粘土中进行了试验，来研究近邻隧道 的相互作用。朱合华、徐前卫等人分别开展了沙土地层和软土地层盾构法施工的地层适 应性模型试验。 4 第一章绪论 1 2 3 关于盾构穿越桩基的研究现状 关于盾构施工穿越桩基的研究之前的师兄、前辈们以做过很多研究，在论文的撰写 过程中也对他们进行了参阅和借鉴。现对近几年的研究情况概述如下： 王占生( 2 0 0 3 ) “粕、王梦恕、张弥等人在2 0 0 3 年对盾构近距穿越桩基进行了研究。 他们采用了考虑桩一土一隧道相互作用的三维有限元方法和桩与隧道分开考虑的隔离法， 归纳总结了盾构施工所引起的土体变形规律和机理，提出了深层土体竖向、水平方向移 动的预测方法和公式。根据盾构隧道施工对周围土体变形的影响情况以及桩与盾构不同 的位置关系来研究盾构从桩侧、桩下穿越时对近邻桩基影响的机理和特点。 孙宗军( 2 0 0 4 ) “3 1 刘松玉在2 0 0 4 年进行了盾构施工与桩基础相互作用的三维力学 分析与研究。他们分析了盾构开挖掘进的动态过程，对单桩在盾构开挖掘进过程中的具 体反应详细加以解算，找出了这种独特盾构荷载与桩顶荷载的的特殊反应，对从单桩过 渡到群桩起到关键作用的的两桩进行了研究，并分析了群桩在盾构过程中的反应，对整 个动态过程进行了详细的监控，比较得出了不同位置处在不同阶段的相应反应。 朱逢斌( 2 0 1 0 ) “4 1 、杨平，林水仙等人就盾构隧道开挖对邻近桩基的影响作了研究。 他们通过采用m o h r c o u l o m b 弹塑性屈服准则，建立了三维有限元数值模型，研究盾构隧 道开挖引起的邻近单桩工作性状的变化规律，通过模拟表明邻近单桩水平位移、弯矩、 轴力的变化最为明显的阶段是当隧道在距桩轴线的0 5 倍的隧道直径的范围内推进，当 桩端位移隧道拱顶上方时，盾构施工对桩影响最大的是位移，而当桩端超过隧道拱项时， 盾构施工对邻近桩影响最大的是内力。 李文举( 2 0 0 9 ) “5 1 对盾构隧道施工对周围土体及既有桩基的影响进行了数值模拟研 究。他通过理论计算和f l a c 的数值模拟计算，对盾构法施工对邻近桩基及其对隧道周 围土体的的影响做了深入的研究。 王炳军( 2 0 0 8 ) 柏1 、李宁、党彦等人对地铁隧道盾构法施工对不同类型桩基的影响 做了研究。他们通过数值仿真试验，分析了盾构法隧道施工对邻近摩擦型与端承型单桩 与双桩内力的影响，并对双桩与对应住置单桩内力试验结果进行了对比分析。 谢俊( 2 0 0 7 ) 4 7 1 、何川、方勇等人对盾构近接施工条件下既有桩基加固方式做了研 究。他们采用三维数值模拟手段对盾构施工中的顶进力、注浆压力两重要施工在柱体隔 板两种不同的加固方式下近接桩基的位移进行了研究，同时在上述两种加固方式下改变 加固区域的的物理力学参数，对不同加固参数条件下两种加固方式进行了对比研究，得 出了在各种工况条件下隔板加固能更有效的限制桩基位移、减小施工队近接桩基的影 响。 梁子轩( 2 0 1 0 ) “盯对新建隧道施工对近接既有桥梁桩基础的影响做了研究。他通过 有限元数值模拟研究了隧道从桩基的不同部位穿越对邻近桩基的影响规律，并且结合实 际工程，从空间效应和工法效应入手，提出了相应切合实际的隧道近接既有桩基础施工 5 第一章绪论 的技术控制措施。 1 3 本文的研究思路和研究内容及应注意的问题 ( 1 ) 首先收集和阅读了大量盾构施工穿越既有建筑物和桩基的相关研究的文章， 对于近接施工的力学基本原理、隧道开挖造成的地层变形的预测进行了详细评述，列出 了目前为止人们常用的一些地层变形预测方法。并且回顾了盾构穿越桩基的研究现状。 ( 2 ) 简要的介绍了天津地下直径线的工程概况，工程水文、地质情况，周边建筑 环境，工程重点及难点，为后边的研究做好准备工作。 ( 3 ) 盾构法施工随着盾构技术机械性能的改进有了较大的发展，但都不可避免地 引起对地层的扰动，引起地层变形及地面沉降，特别是大直径盾构在软土掘进中尤为明 显，本文对盾构施工引起的地层变形机理、影响变形的主要影响因素以及变形的规律做 了研究。 ( 4 ) 在天津地下直径线施工仲大直径盾构穿越金刚桥是一个风险控制点，隧道与 金刚桥的6 号承台及7 号承台下的桩基距离很近，盾构施工对它们的影响很大。本文通 过三维数值模拟从桩基的水平方向位移及竖向上的不均匀沉降来对大直径盾构穿越金 刚桥后金刚桥的安全性进行分析。分析发现盾构穿越金刚桥后它的差异沉降超过了控制 标准，需要对其基础做加固处理。 ( 5 ) 借鉴前人研究和实践的经验，本工程的加固方案最终定为隔板加固，通过改 变模型中隔板位置图的参数来实现隔板的加固。通过计算发现，隔板加固可以有效的缓 减桩基在水平方向的位移，并且通过隔板将盾构的开挖面与桩基隔离，减少盾构对周围 土体的扰动，使隧道两侧桩基在竖向上的不均匀沉降较小，最终实现在可控的范围内 由于地下地质条件的复杂性和不可预测性，在分析过程中，一些围岩的力学参数和 支护结构的参数往往根据经验值取得，没有什么特定的理论依据和明文的规范，而本论 文就是要将根据按经验参数所得的预测值与实际的监测值相比较，分析误差产生的原 因、如何调整参数使之更接近实际值，以及提出在大直径盾构近接穿越桥梁桩基的时候 对其进行加固的措施，并对其安全性做出分析。本文在撰写的时候应注意的一些问题： ( 1 ) 研究风险点的选择。由于天津地下直径线在施工中要穿越慈海桥、金钢桥、 狮子林桥及志城立交等风险点，隧道与这些桥梁的桩基均存在近接施工的问题，本文在 选择的时候综合考虑，选取了大直径盾构穿越金刚桥的这个风险点，它比较特殊也很具 有代表性，隧道与两侧承台下桩基近接程度高，并且两边近接桩基很不对称，分别为6 0 m 长桩和1 5 m 短桩，隧道又从其不同部位穿越，对于盾构穿越桩基很具有代表性，所以选 取其为研究对象。 ( 2 ) 材料参数的选取。由于本文主要研究对象在天津，地质条件较为复杂。土体 中有填土及特殊的软弱土，工程条件较差，选取材料参数的时候要注意选取得当，本文 6 第一章绪论 材料参数的选取时根据施工方提供的地质报告选取的参数。 ( 3 ) 接触关系的选择。由于桩基不是单独的赋存于土体之中的，它和土体必然存 在一个接触的关系，这和土的性质密切相关。所以在建模的时候要考虑到土体与桩的接 触关系。在本文所使用的模型中设置了桩单元，通过桩单元来模拟土体与桩的接触关系。 ( 4 ) 模型单元大小的划分。由于7 号承台下的桩基较长，达到了6 0 m 的深度，所 以本文三维模型的尺寸较大，为了减小工作量，在对模型进行网格划分的时候要认真研 究。要做到既能节省计算的时间，又要能准确的反应问题的真实情况。在对模型进行 划分的时候，在纵向上，隧道周围的土体划分较细，并且在隧道盾构掘进和桩基近接的 部分网格划分较细。 7 第- - 章依托工程 第二章依托工程 弟一早 1 仪代上往 2 1 工程概况 天津地下直径线作为联系东北地区、华北地区、华东地区铁路路网的重要通道，其 修建可提升滨海新区的对外能力，可进一步优化铁路枢纽布局，对发挥天津站和天津西 客运站的作用，发挥部分城轨功能，沟通津秦客运专线与京沪高速铁路客运通道及滨海 新区的建设和发展均具有十分重要的意义。 图2 1 大洋地卜直径线地理位置图 线路全长约5 o k m ，其中隧道长3 2 8 2 公里。线路西起天津西站，向东出站1 0 2 8 m 后钻入地下，上跨规划地铁六号线；穿越志诚道北横快速路立交桥后，在规划泰达城北 侧边缘通过然后折向南沿子牙河敷设，穿越慈海桥；往前下钻南运河，沿海河西岸穿越 金刚桥，下穿规划地铁四号线，从狮子林桥侧通过后线路东折，在狮子林桥下游斜钻过 海河，钻过海河沿滨海道向南穿规划嘉海小区一角，绕过爱琴海公寓后下钻胜利路、天 津站西货场和京山铁路之后钻出地面，上跨下沉式五经路后在城际与普速车场之间引入 8 图2 - 2 天津地下直径线线路图 线路出天津西站东咽喉区后就采用了坡度2 0 的下坡上跨规划地铁6 号线、穿越 金刚桥、慈海桥，下钻南运河、下穿规划地铁4 号线、斜下钻海河，以2 3 0 的上坡钻出 地面( 下钻既有京山铁路改线段，上跨五经路地道) ，到达天津站。 图2 - 3 天津地下直径线线路纵断面图 隧道设计为单洞双线，采用明挖法、盾构法等综合施工方法，有效减少了对周围环 境的影响。盾构长度为2 1 4 6 m ，明挖段1 1 3 6 6 3 m 。 图2 - 4 天津地下直径线隧道施工方法平面示意图 明挖隧道围护结构形式分两种：地下连续墙和钻孔灌注桩+ 搅拌桩止水帷幕。盾构 隧道采用一台直径11 9 7 m 的泥水盾构机从天津站端始发，盾构隧道管片外径1 1 6 m ，内 径1 0 6 m ，每环管片纵向长度1 8 m 。 9 第二章依托工程 2 2 水文地质情况 2 2 1 工程地质特征 l 、地层岩性 天津地下直径线在隧道范围内地层主要为第四系全新统新近沉积层，他们的岩层性 质主要有粘性土、淤泥、淤泥质土、粉土、粉砂和细砂。 对工程整体来说，其基底处于非均质地基上，应考虑其不均匀沉降。 地表覆盖3 杂填土，厚度变化较大，组成成分复杂，土质松散，分布不均匀，土 的工程性质也很差，不宜作为天然地基。第1 陆相层层土质均匀，分布较为稳定，土 的工程性质也很差，不宜当作为天然地基来用。 2 、地质构造 天津地区位于华北平原沉降带的东北部、纬向构造体系和新华夏构造体系的交接部 位，基底构造复杂，区域性深大断裂发育，地震频繁。市区内主要断裂有大寺断裂、天 津北断裂、天津南断裂、宜兴埠断裂等，它们最新活动早于晚更新世，全新世以来没有 活动。海河断裂塘沽段活动性最强，最新活动时代为全新世，天津北断裂以西的海河断 裂次之，属晚更新世活动断裂，由于有巨厚的新生界第四系和第三系松散沉积层覆盖于 古生界和元古界地层上，因此地质构造对本工程无直接影响。 3 、土壤冻结深度 土壤最大冻结深度0 7 m ；标准冻结深度o 6 l i l 。 2 2 2 水文地质特征 天津地区的地下水收地质构造的影响比较复杂。其隧道内表层地下水为第四系孔隙 潜水，具有微承压性，属于承压水。 2 3 周边环境 2 3 1 地面建筑物情况 l 、琴海公寓 琴海公寓( 隆海花园住宅小区) 与地下直径线相关的楼栋为1 号楼、9 号楼。 琴海公寓l 号楼为地上1 0 层、地下一层结构，位于地下直径线里程d k 4 + 0 8 7 一- - d k 4 + 1 6 2 的右侧( 面向大里程) ，地下室( 人防) 底面位于首层楼面下3 8 5 米，基础为 中4 0 0 钻孔灌注桩，桩长1 6 5 0 m ，桩混凝土等级为c 2 0 。地下直径线隧道明挖基坑边缘 l o 第- 苹依托工程 距离l 号楼水平最小净距为1 1 7 5 m 。 天津市电力公司物资局一配电物资部办公楼，为地上4 层结构，与地下直径