（岩土工程专业论文）地铁暗挖隧道与近接既有桥桩施工相互影响研究.pdf

摘要 摘要 随着城市化的进程，我国地铁建设蓬勃发展，地铁隧道的近接施工问题越 来越引起人们的高度重视。就目前来说，解决地铁隧道的近接施工问题不仅可 以确保地铁隧道和建筑物的安全，而且可以促进地铁建设的发展。作者使用 f l a c 3 d 对地铁隧道开挖进行数值模拟，并且在现场进行施工监测。通过对模 拟数据和实测数据的分析比较，系统了研究了地铁隧道和邻近桥桩的相互影响。 主要研究内容有： ( 1 ) 系统的归纳了地铁近接施工问题的研究方法，阐述了地铁开挖过程中 桩基础的受力和变形状态、桩基础作用下隧道结构受力和变形状态。介绍了隧 道支护结构设计的力学模型，隧道近接施工中桩基础加固的具体方法。 ( 2 ) 结合北京地铁十号线第七标段健德门站暗挖隧道的施工过程，对隧道 开挖过程进行了三维f l a c 数值模拟，对隧道支护结构内力与变形进行分析，以 及支护结构内力和围岩压力随隧道开挖和距离桥桩远近而造成的变化情况。利 用f l a c 程序分析在有桥桩情况下，地铁隧道开挖过程中的变形情况；地铁隧道 开挖过程中，桥桩在有加固情况下和无加固情况下的变形情况。 ( 3 ) 通过对北京地铁十号线第七标段健德门站暗挖隧道的施工监测，得到 隧道支护结构内力和围岩压力随时间和工况变化的曲线，掌握隧道变形情况， 并且结合数值模拟成果总结地铁隧道施工中支护结构的内力与变形、围岩的压 力与变形的规律，为判断隧道稳定安全提供参考数据，并为以后类似工程提供 技术参考。 主要研究结论有： ( 1 ) 仰拱部位是支护结构受力的重点部位，在隧道支护设计中应该给予足 够的重视。 ( 2 ) 隧道开挖的辅助性施工措施可以明显改善拱顶的受力状况，对于隧道 开挖的安全进行有积极的意义。 ( 3 ) 既有的桩基础会对邻近隧道的变形产生重大的影响，改变隧道支护结 构原有的受力情况，在隧道支护设计中要给予充分的考虑。 ( 4 ) 不同的施工方法也会对是支护结构受力产生影响，在隧道支护设计中 应该给予考虑。 ( 5 ) 桩基会对地铁隧道的变形的对称性产生影响 关键词地铁隧道；内力；变形；监测； f l a c 3 d a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h eu r b a n i z e da d v a n c e m e n ta c c e l e r a t i o n ，o u rs u b w a yc o n s t r u c t i o n h a sav i g o r o u sd e v e l o p m e n t t h es u b w a yt u n n e lc l o s eq u a r t e r sc o n s t r u c t i o np r o b l e m m o r ea n dm o r ec a u s e st h ep e o p l eh i g h l ya t t e n t i o n a tt h ep r e s e n tt i m e , h o wt o r e s o l v et h es u b w a yt u n n e lc l o s eq u a r t e r sc o n s t r u c t i o n p r o b l e m n o to n l y g u a r a n t e et h es u b w a yt u n n e la n dt h eb u i l d i n gs e c u r i t yb u ta l s op r o m o t et h e d e v e l o p m e n to fs u b w a yc o n s t r u c t i o n t h ea u t h o ru s e sf l a c 3 dt os i m u l a t et h e s u b w a yt u n n e le x c a v a t i o n ，a n dc a r r i e so nt h ec o n s t r u c t i o nm o n i t o ri nt h es c e n e t h r o u g ha n a l y s i sc o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o nd a t aa n dm e a s u r e dd a t a , t h e a u t h o rs t u d ya f f e c t sa n di n f l u e n c eb e t w e e n s u b w a yt u n n e la n db r i d g ep i l e f o u n d a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d e s ： 1 ，n l ea u t h o rs u m su pi n v e s t i g a t i o nm e t h o d so fs u b w a yt u n n e lc l o s eq u a r t e r s c o n s t r u c t i o np r o b l e m ，e l a b o r a t e st h es t r e s sa n dd i s t o r t i o no f p i l ef o u n d a t i o ni nt h e p r o c e s so fs u b w a yt u n n e le x c a v a t i o n , s u b w a yt u n n e ls t r u c t u r ei n t e n l a lf o r c ea n d d i s t o r t i o nu n d e rp i l ef o u n d a t i o ne f f e c t , i n t r o d u c e st h es t r u c t u r a ld e s i g nm e c h a n i c s m o d e lo ft u n n e ls h o r i n g , r e i n f o r c e m e n tc o n c r e t em e t h o do fp i l ef o u n d a t i o ni nt h e s u b w a yt u n n dc l o s eq u a r t e r sc o n s t r u c t i o n 2 a c c o r d i n gt ot h es u b w a yt u n n e le x c a v a t i o np r o c e s so fn o 7b a d a l i n g s u b w a ys t a t i o no fb e i j i n gn o 1 0m e t r o ，t h ea u t h o rs i m u l a t e st h et u n n e le x c a v a t i o n p r o c e s sw i t hf l a c 3 d ，a n a l y s e si n t e r n a lf o r c ea n dd i s t o r t i o no ft u n n e ls t r u c t u r e a s w e l la sc h a n g es i t u a t i o no ft h es t r u c t u r ei n t e r n a lf o r c ea n dt h ea d j a c e n ts o i lp r e s s u r e a l o n gw i mt u n n e le x c a v a t i o na n de f f e c tw h i c hb r i d g ep i l ef o u n d a t i o nc r e a t e s t h e f l a cp r o g r a m m ei su s e dt oa n a l y s ed i f f e r e n ti n s t a n c e f i r s t l y , i n t e r n a lf o r c ea n d d i s t o r t i o no ft u n n e ls t r u c t u r ei nt h ep r o c e s so ft u n n e le x c a v a t i o nu n d e rb r i d g ep i l e f o u n d a t i o ne x i s t s s e c o n d ，i nt h ep r o c e s so fs u b w a yt u n n e le x c a v a t i o n , i n t e r n a l f o r c ea n dd i s t o r t i o no f b r i d g ep i l ef o u n d a t i o nu n d e rr e i n f o r c e m e n ts i t u a t i o no rn o t 3 t h r o u g ht h es u b w a ye x c a v a t i o nm o n i t o ro f n o 7j a n d e n m e ns u b w a ys t a t i o n o fb e i j i n gn o 1 0m e t r o ，t h eu n d u l a t ec u r v e so ft u n n e ls t r u c t u r ei n t e r n a lf o r c ea n d a d j a c e n ts o i lp r e s s u r ea r eo b t a i n e d ，w h i c hi sa l o n gw i mt i m ea n dt u n n e le x c a v a t i o n 1 1 1 et u n n e ld i s t o r t i o ni sa l s os e i z e d t h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o na c h i e v e m e n t , t h e r u l ew h i c hc o n t a i ns t r u c t u r ei n t e r n a lf o r c ea n dd i s t o r t i o no ft u n n e la n d p r e s s u r ea n d 北京丁业大学下学硕十学何论文 d i s t o r t i o no fa d j a c e n ts o i li ss u m m a r i z e da n dp r o v i d e da sr e f e r e n c ed a t af o rt u n n e l s a f e t yj u d g e m e n t t h ep r o d u c t i o nc a nb es e r v e 鹊p r o j e c tt e c h n o l o g yr e f e r e n c e t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o ni n c l u d e s ： 1 t h ei n v e r to ft u n n e li sk e ys p o to ft u n n e ls t r u c t u r e ，s h o u l db eg i v et h e e n o u g ha t t e n t i o ni nt h et u n n e ls t r u c t u r ed e s i g n 2 a s s is t a n tc o n s t r u c t i o nm e a s u r em a yo b v i o u s l yi m p r o v et h ea r c ht h es t r e s s c o n d i t i o no ft u n n e li nt h ep r o c e s so ft u n n e le x c a v a t i o n , h a sa l lp o s i t i v ei m p a c to n t u n n e lw h i c hi se x c a v a t e di nt h es a t ec o n d i t i o n 3 t h ep i l ef o u n d a t i o nh a v ea l lg r e a te f f e c tu p o na d j a c e n tt u n n e ld i s t o r t i o n ， c h a n g e st h et u n n e ls t r u c t u r eo r i g i n a ls t r e s ss i t u a t i o n i ts h o u l db eg i v ee n o u g h c o n s i d e r a t i o ni nt h et u n n e ls t r u c t u r ed e s i g n 4 t h et u n n e ls t r u c t u r es t r e s sa l s oi sa f f e c t e db yd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n m e t h o d s ，i ts h o u l db eg i v ec o n s i d e r a t i o ni nt h et u n n e ls t r u c t u r ed e s i g n 5 t h ep i l ef o u n d a t i o nh a v ea l le f f e c to ns y m m e t r yo fs u b w a yt u n n e ld i s t o r t i o n k e yw o r d ss u b w a yt u n n e l ；i n t e r n a lf o r c e ；d e f o r m a t i o n ；m o n i t o r i n g ；f l a c 3 d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蔓坠支孳日期：竺鲎蛋 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至塾盘窒导师签名： 、一 日期：砸塞：墨曼f 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着社会经济的不断发展，城市化程度也在不断提高，同时城市人口急剧增 加，交通问题成为了城市建设中的一大问题，主要表现在城市交通堵塞、行车 速度缓慢。交通问题能够解决与否直接关系到城市的可持续发展战略，特别是 对于大中城市而言。 由于人口的快速增加导致地面空间紧张，使得人们关注的目光开始转移到 地下空间。地下空间开发和利用已经成为了世界各国广泛探讨和研究的课题， 2 1 世纪成为了“地下空间的世纪”。大力发展以地铁为代表的快速轨道交通系 统成为了解决城市交通问题的一个方向。 从1 9 世纪末开始，特别是第二次世界大战以后，地铁正以其独特的魅力和 不可替代的优越性越来越受到人们的青睐，国外十分重视地铁的发展，许多只 有几十万人口的城市也都在修建或计划修建地铁，现在全世界已有1 0 0 多座城 市开通了3 0 0 多条地铁线路，总长度超过6 0 0 0 k m n l 。在修建地铁的同时，在其 周围修建有商业建筑群和娱乐场所等公共设施，形成了一个地下城市，极大的 提高了地下空间的利用效率，创造了巨大的经济效益和社会效益。 随着我国经济建设的突飞猛进，城市化的程度不断提高，城市基础设施建 设远远落后于城市化进程的矛盾开始日益凸现出来。目前我国1 0 0 万以上人口 城市已达3 5 座，在这些城市不同程度存在着“交通拥挤 的问题，大力发展以 地铁为代表的快速轨道交通系统成为了城市交通建设中的重要方向。据报道， “十五 期间，我国各地将斥资2 0 0 0 亿元用于地铁的修建。从全国来看，北京、 上海、广州、天津、大连、深圳、南京、武汉、重庆、长春等城市已经建成或 者开工修建地铁，西安、苏州、青岛等城市正式提出希望修建地铁。中国已经 成为了目前世界上动工新建地铁最多的国家之一。在大力修建地铁的同时，地 铁的修建技术日益进步，明挖法、盖挖法、洞柱( 梁) 法、沉埋法、盾构法、 浅埋暗挖法( 包括大跨浅埋暗挖和平项直墙浅埋暗挖) 及钻爆法都已经接近或 者达到世界先进水平。综观中国城市的建设，地铁发展前景令人瞩目。 在地铁这类地下工程修建过程中，一方面城市的规划往往落后于地铁的修 建，另一方面地表建筑物布局过于拥挤，造成了地铁必须邻近既有建筑物的基 础和地下管线进行施工，跨越已经建成的地铁线路，导致建筑物倾斜下沉、地 下管线下沉弯曲、既有地铁线路上浮下沉、地铁隧道本身变形异常等一系列问 题分出现。这些施工中对于既有建筑物的影响和自身邻近施工时的相互影响问 北京t g k 大学t 学硕十学位论文 量曼毫量舅舅舅曼曼皇罡曼曼曼曼量笪曼曼量曼曼皇曼皇曼鼍曼量曼曼i 曼曼璺量曼曼曼曼量鼍曼曼曼曼曼量量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼璺曼罾曼曼曼曼曼曼曼皇曼置 题统称为近接施工影响问题。 我国目前正在大力开展地铁建设，由于大部分地铁的修建集中于城市中心 繁华地带，桥梁、建筑物、地下管线等布局复杂，地铁近接施工问题已经凸现 出来。虽然地下管线可以通过改移的方法在一定程度上解决近接施工问题，但 是在邻近桩基进行施工时，桩基无法实现改移，对于地铁隧道施工过程中及过 程后的邻近桩基反应和隧道本身的反应进行分析就显得十分重要，并且进行相 互影响评估，这对于指导地铁设计、保证施工安全、防止工程次生灾害发生具 有非常重要的实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地铁隧道对邻近建筑物桩基影响的研究现状 1 2 1 1 数值模拟法 从隧道对桩基影响角度看，邻接施工将引起既有桩基产生偏向隧道水平方 向“拉伸变形情况，需要对桩基采取加固措施。 在隧道施工过程中，临近隧道桩基的桩侧摩阻力会出现呈负摩阻力状态位1 ， 对桩基的受力非常不利，必须采用有效措施减小桩侧的负摩阻力效应，提高桩 体的承载能力。对于摩擦桩，其上部荷载主要由桩周土体剪应力来平衡。计算 结果表明，在隧道开挖过程中，桩周土体剪应力标准值小于计算剪应力。因此， 在隧道施工之前，必须对桩基桩周土体进行预加固处理1 。 研究表明h 3 ，隧道开挖后不仅使桥桩产生水平位移，而且产生垂直位移，当 桥桩的差异沉降过大时会导致桥梁上部结构产生附加应力，从而危及桥梁的正常 使用。隧道开挖引起的地层位移是影响桥桩变形的最主要因素，因此控制地层变 形对保障既有桥梁的正常使用具有重要意义。 在隧道施工过程中，桩基底面与隧道的水平中心线的相对空间位置关系直接 决定桩基的沉降和侧向变位大小啼1 ，对于桩基底面处于隧道高度范围之内的情况， 桩基的下沉和侧向变位都比较大；而对于桩基底面处于隧道拱顶之上的情况，桩基 的下沉会小一些，桩基的侧向变位也不大。 李强1 等人对于广州地铁某邻接桩基的隧道的暗挖施工进行了有限元数值 模拟，分析结果如下： ( 1 ) 在隧道施工过程中，桩侧摩阻力呈负摩阻力状态，对桩基的受力非常 不利，必须采用有效措施减小桩侧的负摩阻力效应，提高桩体的承载能力。 ( 2 ) 中洞、左洞临时支护拆除施工是高架桥桩基安全性降低的关键工序。 第1 章绪论 暑曼量量曼曼曼舅曼曼曼曼曼量鼍量曼量鼍量鼍量量置量曼量置暑曼曼量曼量曼曼鲁曼舅曼i i i 皇曼曼曼皇曼曼量曼曼曼量曼曼窖曼量曼曼曼量曼曼舅璺昌量 ( 3 ) 在中洞、左洞施工期间，高架桥桩基发生了整体倾斜，右洞施工期间， 会导致高架桥桩基由整体倾斜过渡到屈曲变形，这种变形模式对桩基的受力是不 利的。 ( 4 ) 高架桥桩基会出现不均匀沉降会导致其上部结构的应力重分布，出现 应力集中现象。 ( 5 ) 高架桥桩基属于端承桩，桩端围岩将承受绝大部分的桥梁荷载。计算 结果表明，桩端围岩承载力不足，因无法对桩基底端围岩进行加固处理，应该采 用隧道洞内加固和桩周土体联合加固的方法来控制桩端应力。 ( 6 ) 人行桥桩基属于摩擦桩，其上部荷载主要由桩周土体剪应力来平衡。 计算结果表明，桩周土体剪应力标准值小于计算剪应力。因此，在隧道施工之前， 必须对人行桥桩基桩周土体进行预加固处理。 何海健n 1 等人进行的广州地铁某车站施工的数值模拟中得出下列结论：桩基 底面与隧道的水平中心线的相对空间位置关系直接决定桩基的沉降和侧向变位 大小。 ( 1 ) 对于桩基底面处于隧道高度范围之内的情况，桩基的下沉和侧向变位都 比较大。 ( 2 ) 而对于桩基底面处于隧道拱顶之上的情况，桩基的下沉会小一些，桩基的 侧向变位也不大。 许江陋1 等人通过对某施工的高层和多层建筑物的地基基础及地下隧道围岩 的应力和位移规律的有限元数值分析计算，探索了地下隧道和建筑物基础的相互 影响，发现建筑物基础的应力和位移分布曲线在地下隧道附近有明显的突变现 象。 王柱睁1 采用大型岩土工程软件f i n a l ，通过数值仿真试验，分析了粘土地层条 件下地铁隧道开挖对于邻近桩基内力和变形、桩周土体变形及地表沉降的影响， 在分析中考虑了不同的桩长、不同桩端位置、不同桩土体参数等因素的影响，并 且根据数值试验成果，将桩周不同位置单桩分成四个区，总结出不同位置地铁隧 道开挖对于单桩影响的不同特点。 d a v i s & p o u l o s ( 1 9 8 0 ) n 们研究了地铁开挖时的桩的反应( 包括侧向、轴向) ， 基于一种简单的边界单元对桩的侧向反应利用计算机进行分析，在分析中，桩被 认为是简单的弹性地基梁，土假定为各向同性的弹性材料。桩上每一个单元的侧 向位移与桩的弯曲刚度和水平向桩土相互作用应力有关。土单元的侧向位移与土 的模量( 或刚度) 、水平向桩土相互作用应力和水平向土的位移有关。通过考虑 桩土单元水平位移的协调性，当桩土界面仍为弹性时，给出计算公式。他们同时 认为土体单元的竖向位移与桩土相互作用力、土体刚度( 或模量) 及可能作用于 北京下、l 匕大学丁学硕十学何论文 桩上的与初始应力场有关的土位移有关，并且认为要比较真实的模拟桩的侧向位 移，则要能模拟桩与土接触面的相互滑移。在桩土接触面未破坏时，p o u l o s 给出 了计算公式。他们在分析地铁开挖过程中桩的反应把轴向和侧向分开来考虑的， 但是在实际情况中，两者是同时发生反应，并且是相互影响的。 m r o u e h 和s h a h r o u r n l l 通过建立三维弹塑性有限元模型模拟了隧道开挖对单 桩和群桩的影响，模拟结果表明，隧道开挖会在邻近桩基中产生较大的内力， 而内力的分布则取决于桩尖与隧道水平轴线的相对位置以及桩基与隧道中心线 之间的水平距离，隧道开挖对群桩的影响结果表明，群桩效应会产生一些积极 的影响，大大减小了同一承台下另一侧桩基中的内力。 1 2 1 2 理论计算法 阮林望和李永盛n 2 1 分析了盾构施工引起相邻桩体变形和受力的机理，从盾 构、土体、桩体相互作用的角度分析了这个问题。他们认为主要从两个方面去考 虑这个问题，即力学效应和几何效应。力学效应具体是指盾构推进力和因注浆引 起的侧向挤压力的影响。几何效应主要针对盾构纠偏、衬砌变形和盾构尾部的建 筑空隙引起的土体松动。从大量的工程实测资料可知，盾构推进力和盾构尾部的 土体损失是引起土体扰动的两个最主要的因素。通过分析得出一些结论： ( 1 ) 桩体的受力和变形与盾构施工的具体细节和施工工艺有着密切的关系， 同时还取决于桩侧土体性能的好坏。 ( 2 ) 桩体的前后挠曲主要受正向推进力影响，与地层损失无关。桩体的左 右挠曲同时受正向推进力和地层损失的影响。从整个盾构推进过程看，桩体的左 右挠曲有弹性恢复过程。 ( 3 ) 盾构正向推进力引起桩侧摩阻力增加，桩轴力减小。而地层损失引起 桩侧摩阻力减小，桩轴力增加。受盾构推进的影响，桩顶的附加弯矩最大。从整 根桩体的受力和变形看，桩顶为最危险截面。 ( 4 ) 当桩间距大于6 倍桩径时，群桩的作用可以看作单桩作用的叠加，当桩 间距小于3 倍桩径时，应该考虑群桩效应。 ( 5 ) 桩和土是共同受力，相互影响的，桩侧土的性能好坏对于桩体的受力 和变形影响很大，在地下工程施工中保护地下构筑物的一个重要措施就是加固构 筑物周边的土体。 ( 6 ) 桩项约束情况对于桩体受力和变形影响显著。 c h e r t 、p o u l o s 、l o g a n a t h a n n 3 1 和l o g a n a t h a n 、p o u l o sn 钔采用两阶段法来分析 隧道开挖引起桩基的侧向和轴向反应，首先在解析法的基础上估算自由场地的土 体位移，然后用简化的边界元分析法将这些估算的土体位移作用在桩基上，进而 第1 章绪论 计算桩基的反应，并对一些关键性的影响因素进行了参数研究。 李永盛和黄海鹰( 1 9 9 7 ) n 司提出了盾构推进对相邻桩体力学影响的实用计算 方法。荷载传递过程通过弹性理论中的开尔文公式描述，分析中假定土体为均匀 的线弹性无限体，盾构和桩体为荷载作用点和所需计算的受荷点，不计入桩体本身 刚度对荷载传递的影响以及桩端的约束条件，盾构推进仅为空间位置上的变化， 与时间无关，盾构推进力可分解正向推进力和侧向挤压力。荷载作用过程按弹性 地基梁理论分析，其中假设桩体非荷载作用一侧的土体是分层均匀分布的线弹性 半无限体，其与桩体的共同作用符合文克尔弹性地基梁理论的基本假定，桩体为 有限长等截面线弹性体。 f o r t h & t h o d e y ( 1 9 9 6 ) n 6 1 利用理论方法和有限元方法分析了香港铁路交通系 统中“i s l a n d 线工程。 v e r m e e r & b o n n i e r ( 1 9 9 1 ) n 刀分析计算了桩隧相互影响中桩的位移。 1 2 1 3 试验研究法 m o r o n 和k i n g n 引进行了室内试验研究，探讨了隧道开挖对桩基承载力和沉 降的影响。他们发现邻近桩基会受到隧道开挖的极大影响，从而认为隧道开挖对 软土地层中既有邻近或其上部桩基的影响，是设计和施工时应考虑的主要的和控 制性的因素。 l o g a n a t h a n 和p o u l o s n 等还进行了离心机实验，通过等效地层损失来模拟隧 道的开挖过程，研究了隧道开挖对邻近单桩和群桩的影响，得出了许多有益的结 论。 l c h e n 等人采用n l o g a n t h a n & h g p o u l o s 的隧道工程引起土体位移的解 析解公式分析了隧道开挖引起的桩反应的问题啪1 2 1 o 桩的反应通过d a v i s & p o u l o s 描述的简化的边界元来分析，桩模型简化为弹性梁，土简化为弹性介质，并且制 定了对于实际工程具有指导意义的简单图表。 剑桥大学研究了隧道施工对打入桩的影响。j a 2 e o b s ze ta 1 ( 2 0 0 1 ) 1 和j a e o b s z ( 2 0 0 2 ) 发表了他们的离心试验工作。 1 2 1 4 工程实例法 l e e 和m a i r 报导了一个实际工程实例，估算出总的长期地层沉降，但是对 于桩基可能的影响没有明确指出。而代替的措施是，桩被套筒来减小摩擦力的 影响，并用有限元法估计了桩的侧向偏斜，计算所得的最大值被用来进行桩基 的设计。 m a i r & t a y l o r ( 1 9 9 7 ) 乜4 1 总结t m a i r e t a 1 ( 1 9 9 3 ) 嘲和l e e e ta 1 ( 1 9 9 4 ) 船叼报导 北京下业大学t 学硕十学何论文 过的两个工程实例，发表了一些隧道施工对邻近桩基础影响的看法。 1 2 1 5 其它分析法 p o u l o s 乜7 1 研究了隧道开挖对于群桩和单桩的影响，得出了以下结论： ( 1 ) 桩的弯距、轴力、变形随地层损失的增加而增加。 ( 2 ) 沿桩长，桩的沉降相对均匀。 ( 3 ) 单桩上产生的压应力和拉应力是由于土的竖向沉降引起，如果地层损 失达到5 ，此时有最大桩侧摩阻力。 ( 4 ) 桩的侧向变形和土的侧向变形相似。 ( 5 ) 最大弯距发生在洞轴线以上位置。 ( 6 ) 地层损失达到5 时产生的弯距将超过桩的允许弯距。 1 2 2 建筑物桩基对地铁隧道影响的研究现状 1 2 2 1 计算机模拟法 张志强、何川啪1 等人通过计算机三维模拟，发现在既有桩基的影响下，邻接 桩基的隧道施工将引起新建隧道自身结构，特别是与既有桩基邻接一侧边墙不 利的受力状况，从而得出以下结论： ( 1 ) 在高层建筑物桩基础附近进行地下隧道开挖，将在地下隧道周围围岩 中产生相对应力集中现象，在隧道侧墙处产生较大的压应力，在拱顶出现拉应 力。 ( 2 ) 有桩条件下隧道的沿水平方向的变形均表现出高于无桩条件下变形情 况的特征。 ( 3 ) 由于桩基的作用，使得新建隧道沿水平方向左右边墙的变形结果不具 备对称性，邻接桩基的一侧隧道边墙的水平变形要大于远离桩基一侧。 ( 4 ) 有桩作用条件下，所获得最大弯矩均比无桩情况下相同位置结果要高， 最大正负弯矩值均出现在与桩基近接一侧的隧道管片边墙位置，而对应轴力则 相差不多，表明在有桩作用条件下，结构安全性呈现出降低的趋势。 1 2 2 2 工程试验法 m o r g a n & b a r t l e tt ( 1 9 6 9 ) 1 指出为研究钻孔灌注桩施工对邻近隧道的影响 进行了两个试验。在f i n s 2 b u r y 公园下的隧道旁施工1 8 m 直径桩。第一个试验 中，在隧道旁1 m 处沉入两根桩，2 4 小时后隧道变形约1 6 m m ；第二个试验，两 根1 8 m 直径桩距离隧道0 4 5 m 。6 天后，铸铁管片的隧道水平直径最大增加了 第1 章绪论 3 4 m m ，混凝土管片增加了2 7 r a m 。这些试验当中，只有靠近钻孔的隧道移动 了，竖向直径的减小值约为水平直径增加值的2 3 。 b e n t o n & p h i l l i p s ( 1 9 9 1 ) 1 分两个方面对桩施工和荷载对隧道性状的影响 进行分析和研究最接近隧道的桩的影响，特别是造成的应力变化和隧道直径变 形，由于桩群的荷载造成的隧道纵向变形。 1 2 2 3 理论分析法 h i g g i n s e t a l ( 1 9 9 9 ) m 1 介绍了伦敦e f f r a 项目中桩基础设计进行的分析。他们 利用一系列平面分析描述复杂的桩隧道相互作用问题，分为5 个阶段： ( 1 ) 场地发展历史以及隧道建设的平面应变分析，以得到桩施工前的场地 应力状态。 ( 2 ) 利用阶段l 中获得的结果作为初始应力分布对隧道施工进行轴对称分 析。 ( 3 ) 深入第2 阶段的分析，计算不排水加载和后面长期的排水。 ( 4 ) 综合阶段2 和阶段3 的结果计算桩之间的相互作用。 ( 5 ) 深入阶段1 的分析，将阶段4 的结果作为边界条件，获得桩施工、不 排水加载以及长期条件下对隧道的影响。 楼晓明、金志靖( 1 9 9 6 ) m 1 采用群桩基础共同作用的分析方法，对某高层建 筑钻孔灌注桩基础跨越地铁隧道线可能带来的影响进行了计算分析。计算结果 表明：由于桩基础下卧层中的竖向附加应力与土的自重应力相比很小，引起桩 基沉陷的主要因素是桩身的压缩变形和孔底沉渣的变形，桩基础在隧道轴线方 向上引起的最大相对变形曲率发生在基础边缘附近。 1 2 2 4 工程实例法 w a r d ( 1 9 6 1 ) t 嘲，m e a s o r & w i l l i a m s ( 1 9 6 2 ) m 1 和w a r d ( 1 9 9 1 ) 懈1 讨论了伦敦 s h e l l 中心的桩对邻近隧道的影响。s h e l l 中心位于u 几中b a k e r l o o 线的上方， 工程的板桩和灌注桩距离隧道很近。 w a r d ( 1 9 6 1 ) 啪1 给出了由于桩打入造成的隧道位移和变形。在某一位置，板 桩平行于隧道打入，离隧道约3 3 m ，深度基本在隧道埋深处。施工造成距板桩 最近的衬砌局部向内侧位移，监测环处水平直径减小约3 7 r a m 。灌注桩为人工 挖孔的，w a r d ( 1 9 9 1 ) 1 指出桩基础的施工造成隧道几个毫米的整体沉降。 楼晓明、刘建航( 2 0 0 3 ) 嘲1 分析研究了上海延安东路越江隧道在邻近工商大 厦施工及竣工后一段时间内的变形观测结果。工商大厦基坑开挖、桩基沉降的 影响在隧道总体变形中只占其中的一部分，另外相当大一部分沉降由其它因素 北京下业大学t 学硕+ 学位论文 产生，其影响主要可能有软粘土的振陷和地面下沉。 1 2 3 研究现状总结 对于桩基一隧道相互影响问题的研究通常采取以下几种方法进行：根据相关 工程实测数据进行统计分析，得出经验性的结论；利用简单的理论计算公式分析 桩基周围的位移场、应力场，计算其对于隧道支护结构的影响；利用计算机对桩 基一隧道一土体相互作用进行数值模拟。 1 3 本文研究思路及内容 本文概述了目前国外地铁的发展情况以及我国目前地铁的发展现状，指出 了近接施工影响问题是当前地铁施工中常见的，也是必须解决的施工问题。详 细描述了国内外关于地铁隧道与近接桩基础相互作用影响的研究现状。 1 3 1 本文研究的思路 本文首先系统的归纳了针对地铁近接施工问题的研究方法，阐述了地铁开 挖过程中桩基础的受力和变形状态和桩基础作用下隧道结构受力和变形状态， 以便了解隧道与桩基础相互作用影响的具体特点。其次，研究了在有桥桩情况 下，地铁隧道开挖过程中支护结构的受力和变形情况；地铁隧道开挖过程中， 加固后桥桩的变形情况，评价地铁近接施工情况下，对隧道和桩基的影响，为 今后类似工程提供有益的借鉴。 1 3 2 本文研究的内容 ( 1 ) 系统的归纳了地铁近接施工问题的研究方法，阐述了地铁开挖过程中 桩基础的受力和变形状态、桩基础作用下隧道结构受力和变形状态，在进行地 铁隧道设计时必须考虑到隧道与桩基础相互作用影响的具体特点，采取必要的 措施，确保隧道和桩基础安全。 ( 2 ) 介绍了隧道支护结构设计的力学模型，隧道近接施工中桩基础加固的 具体方法。 ( 3 ) 结合北京地铁十号线第七标段健德门站暗挖隧道的施工过程，对隧道 开挖过程进行了三维f l a c 数值模拟，对隧道支护结构变形进行分析，总结支护 结构随隧道开挖和距离桥桩远近而造成的变形差异情况。 ( 4 ) 利用f l a c 程序分析在有桥桩加固的情况下，地铁隧道开挖过程中支 护结构的变形情况；地铁隧道开挖过程中，原有桥桩和后补桥桩的变形情况， 并且与现场实测数据进行对比，归纳出隧道和桥桩的受力和变形规律。 r 第1 章绪论 ( 5 ) 通过对北京地铁十号线第七标段健德门站暗挖隧道的施工监测，得到 隧道支护结构和围岩压力随时间和工况变化的曲线，掌握隧道变形、支撑内力 的变化动态，并且结合数值模拟成果总结地铁隧道施工中支护结构的内力与变 形、围岩的压力与变形的规律，为判断隧道稳定安全提供参考数据，并为以后 类似工程作技术储备。 第2 章隧道支护结构与桩基础相互作用机理及t 稗加同方法 第2 章隧道支护结构与桩基础相互作用机理及工程 加固方法 在地铁隧道近接施工过程中，隧道支护结构、周围的土体、桩基础构成了 一个相互作用的整体。随着隧道开挖的进行和完成，桩基周围的位移场和应力 场必然会对隧道支护结构的变形和受力产生影响，桩基本身受隧道结构作用而 产生安全性的降低。 2 1 支护结构的力学作用分析 根据地下结构设计的特点，隧道结构设计模型分为：工程类比模型、荷载 反力模型、收敛约束模型、连续体模型。 2 1 1 荷载反力模型 荷载反力模型是隧道设计规范和地铁设计规范中推荐采用的方法，在这种 模型中，围岩压力的来源被认为是坍塌岩块的重量。计算方法简单，工作量小， 具有明确的安全系数评价方法。在采用这种方法计算的时候，依照规范而行， 比较有把握和信心，在地下结构设计中，除了确有可供借鉴的工程经验进行类比 外，一般都要进行受力分析。 目前铁路隧道规范推荐的计算模式主要是“荷载一结构 模式，对于这种 模式，根据地层对结构变形的约束能力，又分为“径向和切向反力法”、“自由 变形法 、“三角形反力法 和“径向反力法 四种模型。 ( 1 ) “径向和切向反力法 ：除了考虑地层的径向反力作用，还应考虑地层 对结构的切向摩擦力作用( 即切向反力) ，地层对结构的径向和切向摩擦作用分 别用沿结构的径向弹簧和切向弹簧进行模拟。 ( 2 ) “自由变形法 ：认为结构处于自由变形状态，结构所承受的荷载作用 只考虑土体的水平和垂直压力、结构自重以及竖向均布的地基反力，而不考虑 地层对结构的弹性反力作用。 ( 3 ) “三角形反力法：假定在外荷载作用下，衬砌结构两侧产生朝向地层 方向的水平变形，地层阻止此种变形而对结构产生水平的弹性反力作用，同时 假定地层反力与衬砌水平变形成比例增加，按三角形分布，在水平直径处地层 反力最大，反力主要作用在结构上与水平轴成4 5 。的范围。 ( 4 ) “径向反力法 ：认为当结构在外荷载作用下向地层发生位移时，地层 会提供沿结构的径向弹性反力，不考虑地层对结构的切向摩擦力作用，在计算 北京 二业大学工学硕士学位论文 模型中，结构外侧用全环径向弹簧单元模拟地层反力( 仅考虑弹簧受压而不考 虑其受拉作用) 。 如图2 1 所示。 世世世蜘心 三角形反力法 图2 1 1 四种模型 2 1 。2 收敛约束模型 径向反力法 该模型认为围岩压力和支护抗力是在围岩和支护系统共同变形中形成的， 它主要关心的是支护抗力作用下的地层状态，而不是荷载作用下的支护结构状 态，从而体现了新奥法的岩石支承作用的思想。 该方法是以测试为主的设计方法，因为它能够提供直觉的材料，以更确切 地估计地层和结构的稳定性和安全度，但在具体应用的时候，存在很多问题难 以解决。目前无法正确的确定地层和支护的响应曲线( 特征曲线) ，从而使该方 法停留在定性的描述阶段。 2 1 3 连续体模型 该模型将地层和衬砌结构视为共同受力的统一体，计算的目的在于分析。 由于开挖引起的地应力重分布和由此产生的变形和围岩稳定性问题，支护手段 氧螯氧蠢 三 愚 矬粼 粼 雌域嘲矬詹盛 第2 章隧道支护结构与桩基础相互作用机理及下程加同方法 是作为连续体模型的边界条件来考虑的，分别计算衬砌和地层的内力，并据此 验算地层的稳定性和进行结构断面设计。 从理论上讲，这种模型最为合理，但由于实际问题的复杂性，目前只有小 部分问题取得了解析解，一部分是在作各种简化条件下的近似解，而大部分问 题只能依赖数值解。 2 1 4 工程类比模型 工程类比在我国甚至世界隧道及地下工程的设计领域仍占据主导地位，我 国已成功修建的长达1 4 2 9 5 k m 的大瑶山隧道，以及秦岭特长隧道( 长1 8 4 6 k m ) ，在结构设计中都毫不例外地以工程类比法为主。另外，主要根据经验总 结而创立的新奥法在预设计阶段，支护参数仍需要采用工程类比的经验方法来 确定，即便是依据监控量测资料来进行施工方法和支护参数的设计变更，经验 仍起决定作用。 工程类比法经验设计方法的关键在于建立正确的围岩分类，以及既有工程 资料的积累和整理，现行围岩分类本身带有很大的人为因素，仍是一个定性为 主的分类，而工程类比也只是各单位仅依据局部有限的经验进行类比，同时标 准图的设计方法可对具体工程的适应性也绝非尽善尽美，由此设计出来的隧道 工程设计文件，无法做到精益求精，经济合理的评定标准也只能人为而已。 2 2 桩土相互作用分析 桩土相互作用问题属于固体力学中不同介质的接触问题，表现为材料非线性 ( 混凝土、土为非线性材料) 、接触非线性( 桩土接触面在复杂受荷条件下有黏 结、滑移、张开、闭合4 形态) 等，是典型的非线性问题。 2 2 1 理论分析法 2 2 1 1 经典理论分析法 a 弹性理论法：以p o u l o s 口刀方法为代表，假定桩和土为弹性材料，土的杨氏 模量或为常数或随深度按某一规律变化。由轴向荷载下桩身的压缩求得桩的位 移，由荷载作用于半无限空间内某一点所产生的m i n d l i n 位移解求得桩周土体的 位移。假定桩土界面不发生滑移，即可求得桩身摩阻力和桩端力的分布，进而求 得桩的位移分布。如果假定m i n d l i n 位移解在群桩的情况下仍旧适用，则弹性理 论法可以被推广至群桩的相互作用分析中。 b 荷载传递法：荷载传递法本质为地基反力法，根据求取传递函数手段的不 北京丁业大学下学硕十学侍论文 同，可将传递函数法分为s e e d 等汹卜口训提出的位移协调法和佐腾悟等h 们提出的解 析法。荷载传递法可较好地模拟单桩性状。由于没有考虑土体的连续性，荷载传 递法一般不能直接用于群桩，除非经分层积分位移迭代或与有限元耦合。 c 剪切位移法：以c o o k e 等h 叫捌为代表，根据线性问题的叠加原理，可将 剪切位移法推广到群桩的桩土相互作用分析中。n o g a m i 等n 们基于上述思想再把 每根桩分成若干段并考虑地基土分层特性，得到比m i n