（岩土工程专业论文）浅埋隧道施工对建筑物桩基的影响分析.pdf

摘要 摘要 随着隧道、地铁工程建设的增多，浅埋隧道开挖带来的周围环境影响问题 越来越受到重视，桩基础作为一种承载力高、强度大、耐久性好的深基础在现 代建筑工程中得到广泛应用。隧道工程建设有时就需要从这些桩基的下方、侧 旁或f 好桩位置处穿过，而浅埋隧道籀工几乎不可避免地会引起周围士体的变 形和移动，土体的变形和移动作用在建筑物桩基上，就会引起桩基的附加变形 和内力。因此浅埋隧道施工对建筑物桩基的影响问题值得关注。 本文在总结目前国内外隧道工程引起的地层移动以及邻近桩反应研究现状 的基础上，采取两阶段分析方法，研究了浅埋隧道施工对建筑物桩基的影响。 首先分析了浅埋隧道施工引起的自由场土体竖向和水平位移，即无桩情况 下浅埋隧道施工对周围土体的影响，并对目前的几种分析方法进行了比较。 在此基础上，基于w i n k l e r 地基模型，通过连续分布的土体弹簧模拟桩土 之间的相互作用，建立了桩土相互作用的有限差分格式，分别分析了浅埋隧道 施工引起的土体竖向和水平移动对分层士体中建筑物桩基的影响，并对主要影 响因素进行了一些探讨。 最后，应用本文方法，计算分析了某浅埋隧道开挖对隧道项桩位移及轴力 的影响，并与整体有限元计算结果进行了比较，结果表明本文方法是合理的， 满足工程计算需要。 关键词：浅埋隧道，桩基，两阶段方法，土体移动，桩反应 a b s t r a c t a b s t r a c t t u n n e la n dm e t r oh a v ed e v e l o p p i n gr a p i d l yi no u rc o u n t r y , m a n yb u i l d i n g sa r e s u p p o r t e db yp i l ef o u n d a t i o n s ，w h e nt u n n e la d j a c e n tt op i l ef o u n d t i o n si su n a v o i d a b l e t u n n e l l i n ga l m o s ti n v a r i a b l yw i l lc a u s eg r o u n dm o v e m e n t s ，w h i c hi nt u r nw i l li m p o s e a d d i t i o n a la x i a la n dl a t e r a lf o r c e sa n dd i s p l a c e m e n t so nt h ep i l ef o u n d a t i o n s m o r e a t t e n t i o nh a sf o c u s e do nt h ei s s u eo fa n a l y z ep i l er e s p o n s e sc a u s e db ys h a l l o wt u n n e l c o n s t r u c t i o n i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so ft a k e i n gar e v i e wo nt h ec o m p u t a t i o n a lt h e o r i e so f t h eg r o u n dm o v e m e n t sa n dp i l e r e s p o n s e s i n d u c e db yt u n n e l l i n g at w o - s t a g e a p p r o a c hi su s e dt oa n a l y z ep i l er e s p o n s e sc a u s e db ys h a l l o wt u n n e lc o n s t r u c t i o n f i r s t ，e s t i m a t i o no ft h ef r e e f i e l dg r o u n dm o v e m e n t si n d u c e db ys h a l l o wt u n n e l c o n s t r u c t i o n ，b o t hv e r t i c a la n dh o r i z o n t a l ，t h a ti st h ee f e e t so ft u n n e l i n go ns o i l a r o u n dw i t h o u tt h ep r e s e n c eo f t h ep i l e ，a n dc o m p a r i n gt h er e s u l t s s e c o n d ，t h ep i l e s o i li n t e r a c t i o n i ss i m u l a t e db yas e r i e so fc o n t i n u o u s l y d i s t r i b u t e ds p r i n g s ，as i m p l i f i e df i n i t ed i f f e r e n c ef o r m u l a t i o ni st h e nd e v e l o p e d ，b a s e d o nt h ew i n k l e rm o d e lo fs o i lr e a c t i o n , f o rc o m p u t i n gt h ea x i a la n dl a t e r a lp i l e r e s p o n s es e p a r a t e l yi n d u c e db yt h ee s t i m a t e df r e e f i e l dg r o u n dm o v e m e n t s ，a n dt h e f a c t o r so fe f f e c t i n ga r ed i s c u s s e d 。 i nt h ee n d ，t h em e t h o do ft h i sp a p e ri si n t r o d u c e dt oa s s e s sac a s eh i s t o r y , a n d c o m p a r ew i t hac o m p l e t ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h er e s u l t so b t a i n e db yb o t h m e t h o d sa r ei n f a i ra g r e e m e n t k e yw o r d s ：s h a l l o wt u n n e l ，p i l e ，t w o s t a g ea n a l y s i s ，g r o u n dm o v e m e n t s ，p i l e r e s p o n s e s i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 文蛐厂年 d 磷扎 弓月l 箩日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 k 一 劫 埔 邙艏 名 粥 明一 利一 作 年舴二渤f 位 一 靴羔 第1 章绪论 1 1 工程背景和研究意义 第1 章绪论 随着我国基础建设的大力发展，各种公路、铁路、地铁等隧道工程建设不 断增多。在隧道工程建设过程中，由于受到线路、空间等的限制，遇到的各种 特殊工程问题层出不穷其中浅埋隧道穿越上部结构地基基础的问题具有一定 代表性，尤其在城市地铁工程隧道施工中这种情况更是普遍。采用暗挖法进行 隧道施工，由于开挖工作对周围岩土体的扰动，无论是采用新奥法或盾构法， 或者是其它施工方法，都要引起岩土体向开挖空间的运动。实际隧道施工中， 开挖岩土体的体积与竣工隧道体积之差称为地层损失，周围岩土体在弥补地层 损失过程中，发生地层运动，引起岩土体及地表发生移动及变形。这些变形和 沉降对邻近固有建( 构) 筑物和设旄的损伤不可忽视。 桩基础作为一种承载力高、强度大、耐久性好的深基础在现代建筑工程中 得到广泛应用，在城市环境中，高层建筑、高架桥梁等密布云集，许多建( 构) 筑物和设施都采用桩基作为基础形式，隧道工程建设有时就需要从这些桩基的 下方、侧旁或正好桩位置处穿过，而隧道开挖几乎不可避免地会引起周围土体 的移动，土体的移动作用在桩上，就会引起桩的附加变形和内力，对桩产生不 利影响。因此研究隧道工程对于周围土体和邻近桩基的影响就显得尤为重要， 而桩基承载力的变化直接关系到上部结构的安全稳定性，能否准确确定桩基承 载力的变化特性及变形至关重要。 近几年来，一些建设单位和设计单位在积极的探索和研究解决浅埋隧道穿 越问题的方法。主要通过采用控制地表沉降的方法，保证地表构筑物的安全。 在施工方法的研究方面取得了一定的经验。第一种方法是用刚度控制设计，加 强支护，提高支护刚度，控制沉降。如在超浅埋大跨度城市公路隧道云集隧道 穿越宣昌火车站的施工中，从工程地质条件、隧道施工方法、支护手段、支护 结构的刚度和强度方面综合考虑，采用新舆法设计，采用复合式衬砌结构。通 过对比各种施工方法的沉降大小，采用超前支护，双侧壁导坑法施工。在开挖 过程中，采用短进尺、分部开挖的方法，确保了施工安全。另外一种方法是直 第1 章绪论 接对建筑物进行处理，采用基础托换等方法避免开挖对上部建筑的影响。如在 广州地铁一号线长寿路站中山七路站区间隧道线路穿过4 幢住宅楼的桩基础， 隧道采用盾构法施工。在施工过程中采用对桩基的托换工程及影响区的基础加 固工程，并特别要求盾构通过部分的上部结构与下部原基础完全脱离，使上部 建筑物荷载不再传递到地铁隧道结构上在地铁隧道穿越高层建筑的情况下，采 用桩基托换的施工方法对建筑物基础进行加固。监测结果表明，桩基托换达到 了预期的效果。另外，在广j i , i 地铁晓江区间南起晓港站，经昌岗东路后沿线穿 过广州美术学院及广东省电化教育学院共8 栋5 1 1 层建筑，采用托换施工较好 地达到了预期目的。 武隆隧道是渝怀线第二长大隧道，其出口d 2 k 1 9 7 + 9 0 8 + 9 9 0 段穿越重庆 市汇邦制药厂厂区。其中，d 2 k 1 9 7 + 9 6 0 + 9 9 0 段从制药厂楼房及围墙下方穿越。 在该类工程中，浅埋隧道如何穿越临近桩基，保证上部结构的安全稳定和正常 使用就成为工程的难点和关键，本文以此为背景对浅埋隧道开挖过程中建筑物 桩基的变化机理进行研究，依托导师的研究课题“浅埋隧道穿越建筑物桩基的 关键性技术研究”，对浅埋隧道开挖过程中建筑物桩基的垂直和水平承载特性及 变形的变化机理进行研究，分析隧道施工对建筑物桩基影响的基本规律以及影 响桩基承载特性及变形的主要因素。本课题的研究为浅埋隧道穿越建筑物桩基 提供理论基础，对于相似的工程有参考价值是一个既有理论意义又有实际应 用价值的课题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 隧道施工对周围体的影响 采用暗挖法进行隧道施工，由于开挖工作对周围岩土体的扰动，无论是采 用新奥法或盾构法，或者是其它施工方法，都要引起岩土体向开挖空间的运动。 隧道施工引起的周围土体的变形包括横断面沉降和纵向变形，这里着重介绍横 断面沉降的研究成果。计算方法大致分为三类：经验方法、有限元法、解析方 法。 1 、经验方法 目前比较成熟的经验公式主要计算竖向位移尤其是地表的，最常用的计 第1 章绪论 算公式最早是由美国的p e c k ( 1 9 6 9 ) 提出的。p e c k 1 通过对大量地表沉陷数据及 工程资料分析后，首先提出地表沉降槽似正态分布的概念，认为地层移动由地 层损失引起，并认为施工引起的沉降是在不排水条件下发生的，所以沉陷槽的 体积应等于地层损失的体积。提出地表沉降横向分布的估算公式： j 0 ) = s 。e x p ( - x 2 2 f 2 ) ( 1 - 1 ) s 。= 巧2 万i ( 1 - 2 ) 式中：s 为地面沉降量，x 为距隧道中心线的距离 s 一为隧道中心线出最大沉降量，k 为隧道单位长度地层损失量 i 为沉降槽宽度系数( 隧道中心线到曲线反弯点的水平距离) i = z 磊协n ( 4 5 。一庐2 ) ( 1 - 3 ) z 为地面至隧道中心深度，一为土的内摩擦角 这是研究隧道施工引起地层变形的经典预测方法，自此以后的国内外许多 学者都是遵循这一认识，对隧道施工引起地层变形进行了大量卓有成效的进一 步研究，使其不断完善和发展。 c l o u g h 等口1 ( 1 9 8 1 ) 在其关于软粘土隧道工程的著作中，提出饱和含水塑性 粘土中的地面沉降槽宽度系数可以采用： i = r ( z 1 2 月1 0 b ( 1 4 ) 式中：月为隧道半径。 a t t w e l l 等 3 1 ( 1 9 8 1 ) 也假定沉降槽曲线为正态分布，给出了估算地表沉降 的经验公式。 s 。= v 、2 n i ( 1 - 5 ) i = k r ( z 2 r 1 r | ( 1 - 6 ) 式中：矿为沉降槽的断面积，k 、珂为与土体性质和施工因素有关的系数。 o r e i l l y 等4 1 ( 1 9 8 2 ) 在现场观测的基础上，提出了估算地表沉降的如下公 式： f = 彪( 1 7 ) 式中：k 为与土性有关的系数，对于粘性土中等值为0 5 ，对于砂性土中等值为 0 2 5 。 第1 章绪论 f u j i t a t 5 1 ( 1 9 8 2 ) 从事了在软弱地层中隧道工程不同施工方法对地层影响有 何差别的研究，提出了基于盾构型式、地层条件、辅助工法、隧道直径及埋深 等因素有关的最大沉降量预测值。 m a i r 等1 6 ( 1 9 9 3 ) 把经验法延伸到计算地下土体沉降，通过大量实测资料和 离心模型试验资料的分析，假设地下某水平参考面处的沉降槽曲线也为似正态 分布，探讨了粘土中隧道施工引起的地表沉降槽宽度与最大沉降随深度的变化。 2 、解析方法 经验公式采用正态分布的概率曲线并没有理论基础，采用该曲线的主要原 因是它的形状跟实测沉降曲线形状很类似，它不能考虑地层的详细条件，特殊 的隧道形状、施工工艺及施工中采取的一些辅助措施。随着对隧道施工引起的 地层变形的研究的深入，许多学者将相关学科的研究成果引入到地层变形研究7 中，考虑地层变形特点，将土体作为弹性、弹塑性和粘弹性体考虑。 s a g a s e t a l7 j ( 1 9 8 7 ) 得到了弹性均质不可压缩土中由于近地表的地层损失所 引起的应变场。s a g a s e t a 认为这个问题是应变控制的，只用了不可压缩条件就得 出了应变。s a g a s e t a 引入了影像源法( v i r t u a li m a g et e c h n i q u e ) 有效解决了用其 它方法将会产生的地表垂直应力不为零的难题。第一步首先考虑弹性无限空间 中出现一个奇点之后引起的空间位移解，第二步考虑对称于地表面的上部空间 的一个影响奇点引起的空间位移解，第一，二步结果叠加。会在地表位置产生 正应力或剪应力，为了符合边界自由条件，需要抵消这一部分力，于是第三步 考虑地表面处作用正应力或剪应力产生的空间位移解，将三部分的结果叠加， 即可得到弹性半空间中的位移解。这种方法近似的地方在于，分析中没有考虑 隧道存在的影响。 v e r r u i j t 等【8 i ( 1 9 9 6 ) 在s a g a s e t a 研究的基础上，提出了均质弹性半空间中 隧道变形引起的地表沉降的解析解。他们给出的结果不仅适用于不可压缩土的 情况( 泊松比为o 5 ) ，而且适用于泊松比为任意值的土体情况，同时他们还考 虑了隧道衬砌椭圆化变形的影响。但遗憾的是他们的方法计算的沉降槽比实测 的结果要宽，水平向位移比实测的结果要大。产生这个结果可能的原因是：( 1 ) 实际的土体性状是非线性的，表现出塑性行为；( 2 ) 分析中假设隧道处土界面 的土层径向位移均一的假设跟实际情况不符。 综合l o 等【9 1 ( 1 9 8 2 ) ，r o w e 等【1 川( 1 9 8 3 ) ，l e e 掣1 1 ( 1 9 9 2 ) 提出的间隙参 数以及v e r r u i j t 等f 8 】( 1 9 9 6 ) 得出的闭合解，l o g a n a t h a n 等【1 2 j ( 1 9 9 8 ) 对不排水 第l 章绪论 条件下地层损失重新定义，提出“等效地层损失”参数，考虑了隧道施工方法、 隧道形状及士体类型等因素的影响。l o g a n a t h a n 等【1 2 】用这些公式对5 个工程实 例进行了计算，并跟实测数据进行对比，发现同硬质粘土地质条件下的情况符 合的很好，但是软粘土地质条件下符合的不太好。但是相比于v e r r u i j t 等【8j 提出 的公式预测的结果来说。跟实际情况符合的要好一些。 3 、有限元法 地层的变形不仅和土层特性有关。而且与施工方法，衬砌形式等有关，解 析方法只能考虑较为简单的定解条件，而有限元等数值方法的发展，使得复杂 定解条件的处理成为可能，在分析隧道施工引起的地层变形时。可以对施工过 程进行不同程度的模拟，在这方面，有限元以其特有的灵活性得到了广泛的应 用。 i t o 等【1 3 1 ( 1 9 8 2 ) 用边界元分析了弹性地基的浅埋隧道施工引起的三维地表 沉降，考虑了掘进速度、隧道开挖面位置的影响。 r o w e 和l e e 等【1 4 】l ”1 ( 1 9 8 3 ) 编制了一种可以对不同土性和施工技术条件下 隧道开挖引起的地表沉降进行预测的弹塑性有限元程序，并且提出了“间隙参 数”的概念。后来【1 6 i 1 7 】【1 8 】又发展了一种用于模拟施工工序、后继地层位移、 丌挖面周围和地表应力状态及地表沉陷的三维弹塑性有限元方法。给出了非线 性问题的求解步骤和适用于三维隧道分析的弹塑性土体本构模型，研究了浅埋 隧道的三维性状，考虑了具有简单几何形状和地层条件的隧道，对无村砌和完 全衬砌隧道这两种极限状况下隧道周围土体的应力场和位移场进行了有限元计 算。 f i n n o 等【2o 】( 1 9 8 5 ) 经现场测试表明，土压平衡盾构开挖隧道的土体反应是 三维空间和历时变化的。他们认为为保持合理的计算费用，可采用纵、横两个 方向的二维平面有限元模拟土压平衡盾构开挖陇道的过程及地表移动。 李桂花【2 l j ( 】9 8 6 ) 用弹塑性有限元法模拟施工间隙参数，求得地层沉降预 估公式，利用不同间隙参数可以模拟不同的沉陷因素的影响。 r o w e 和l e e l 2 2 】( 1 9 9 2 ) 对用于估算软土中浅埋隧道施工中引起的土体i 维 应力变化和地层位移的各种简化方法( 如轴对称分析、轴向平面应变分析、经 验的累积概率分布方法等) 进行了评价，采用二维横向平面应变分析来估算所 需参数值，并指出用纵向平面应变分析来模拟三维位移不能给出符合实际的结 果。 第1 章绪论 r o w e 和l e e i 珏j 1 2 4 1 ( 1 9 9 2 ) 认为间隙参数反映了隧道顶的垂直位移和软土隧 道施工中的地层损失的大小，它是隧道掘进面处土体三维弹塑性变形、盾构机 性能、衬砌的几何形状和施工工艺等因素的函数，正确估算它并利用二维有限 元或经验法关系可以对地层位移规律加以预测。 籀美礼等【25 l ( 1 9 9 3 ) 运用粘弹塑性双届服面流变模型，根据有限元分析理 论建立了一整套的相应计算公式和分析方法。并且依照上海市打浦路隧道现场 软粘土试样进行三轴流变试验所获得的参数，对打清路隧道1 号井进行了三维 粘弹塑性及土体固结的有限元分析，揭示了隧道与1 号井刚性连接部位开裂的 原因。通过沉降实测与计算结果的对比分析，论证了模型的合理性和计算方法 的正确性。 曾小清【2 6 】f 2 7 1 ( 1 9 9 5 ) 应用时变力学弹塑性理论，采用半解析数值法对双线 盾构隧道施工过程中的地层移动、隧道受力进行了三维时空动态的数值模拟分 析。 有限元法可以克服经验公式法的限制，不过结果很不稳定，r o w e 和k a c k t 2 卅 ( 1 9 8 3 ) 在他们对于以往实例的分析中发现，尽管在一些实例中存在不合理的 比较，他们的有限元方法对土的沉降的估计通常和与他们所测量的相一致，利 用有限元方法成功的预测土的侧向运动也被l e e 等【2 9 】( 1 9 9 4 ) 提出。然而，g u n n 等【3 0 j ( 1 9 9 3 ) 提出，在一个检查过的实例中，即使有一个非常精确的土体模型， 有限元方法也不能很好的估计土的表面沉降。他发现，用误差曲线和场地测量 的结果相比，用有限元方法得出的表面沉降曲线过于宽广和平缓，这个观测结 果同样被c h e n 等 3 1 ( 1 9 9 8 ) 所证实。然而，a d d e n b r o o k e t 3 2 1 ( 1 9 9 5 ) 指出，如 果用考虑小应变情况下土体的非线性特性的复杂模型可以更好的预测土体的位 移。 1 2 2 隧道施工对邻近桩基的影响 对于隧道开挖过程中上部结构临近桩基础的变化机理，国内外学者从试验 研究、计算分析和工程对策等方面进行了广泛的研究。 试验研究包括离心模型试验和现场试验。m o r t o n 等3 筇( 1 9 7 9 ) 通过室内模 型试验研究了隧道施工对桩基承载力和沉降的影响，他们发现隧道施工对桩基 的影响很大，并得出结论：在软弱土的地下工程的设计和施工中，隧道对己有 第1 章绪论 的邻近桩或者上部桩的影响将是主要的考虑问题。 a t t e w e l l 等 3 4 】( 1 9 8 6 ) 报道了一个工程实例，为了减小未来隧道施工可能产 生的负摩擦力的影响，桩身采用了沥青质涂层。 l e e 等 3 5 ( 1 9 9 4 ) 报导了一个工程实例，该隧道从新建的七层并带有两层地 下室的建筑物桩基之间穿过。尽管估算了总的长期地层沉降，但是对于桩基的 可能的影响并没有明确指出。 h e r g a r d e n 等【3 6 】( 1 9 9 6 ) 通过离心模型试验研究了隧道施工对端承桩的影响。 在实验中，测试了隧道位于三种不同位置的情况，测量了桩基沉降和地表沉降， 并研究了隧道施工对桩基承载力的影响。发现当桩距离隧道的水平距离小于o 2 5 倍隧道直径时，桩将受到严重的影响；当桩离隧道的距离达到2 倍直径以上时， 桩几乎不受影响。 l o g a n a t h a n 等【3 7 】( 2 0 0 0 ) 通过三个离心模型试验研究分析了隧道施工引起 的地层变形以及变形对临近桩基的影响。模型桩被压入预先周结的粘土中，均 位于隧道侧旁，三个试验中隧道的深度不同，分别为隧道顶位于桩底平面，隧 道轴线位于桩底平面，隧道底位于桩底平面，来估计隧道深度对地层移动，桩 的轴向力，桩的沉降，桩的侧向变形等的影响。当隧道轴线位于或临近桩底平 面时，隧道施工引起的临近桩基的弯矩和侧向变形可能是主要的，桩的侧向变 形和土体的侧向变形大小基本相同；而当隧道轴线位于桩底平面以下时，隧道 施工引起的临近桩基的轴向力可能是主要的。同时也发现隧道施工引起的离隧 道同样距离的单桩和群桩的弯矩和变形几乎相同。 关于浅埋隧道旋工对建筑物桩基影响的分析方法可以分为两种，即整体分 析法和两阶段分析法。整体分析法就是将士体和结构物( 桩) 作为个整体来 进行分析，一般需用有限元等数值方法进行计算分析。两阶段分析法则是把隧 道施工对桩的影响分成两个阶段来分析。其思路是：首先，采用经验方法、解 析方法或有限元等数值方法，估计隧道施工引起的自由场地情况下桩基位置处 土体的位移，然后把所估计的土体位移施加于桩，利用各种方法( 比如剪切位 移法、弹性理论法、有限差分法、有限单元法或边界元法等) ，分析桩的内力和 位移。 李永盛等f 3 8 j ( 1 9 9 7 ) 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 第1 章绪论 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，盾构推进力可分解为垂直分布于盾构工作面的正向推进力，以及 法向于盾构筒体表面的侧向挤压力。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粱理论的基本假定，桩体为有限长等截面线 弹性体，根据桩顶与地面结构的连接情况可以处理为固定、铰接或自由，在某 一相对位置上盾构推进引起的附加荷载的大小和作用方向保持不变。在这些假 定的基础上进行计算分析，得出了一些对于工程有指导意义的结论。 阮林旺等p 川( 1 9 9 7 ) 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；几何效应则主要针对盾构纠偏、衬砌变形以及 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。 c h e l a 等 4 0 j ( 1 9 9 9 ) 采用两个阶段方法来分析由隧道施工引起的桩的侧向和 轴向的反应，首先，用l o g a n a t h a n ( 1 9 9 8 ) 的隧道开挖引起土体位移的解析解公 式来估计自由场地位移。然后把这些所估计的土的位移旌加于桩上，来计算桩 的侧向和轴向反应。并分析了一系列参数对于桩反应的影响，包括隧道几何尺 寸，地层损失比，土体强度，桩径，桩长与隧道覆盖层厚度比等参数，制定了 对于实际工程有指导意义的简单图表。 m r o u e h 等一l j ( 2 0 0 2 ) 采用整体有限单元法分析了隧道施工对附近单桩和群 桩的影响，并进行了主要参数的研究，文中采用非相关联的m o l a r - - c o l o u m n 准 则理想弹塑性模型。 在工程对策方面，王占生等【4 2 】( 2 0 0 2 ) 讨论了盾构施工对周围建筑物的安 全影响；分析了盾构通过建筑物时的组织方法；论述了盾构施工影响区域的划 分和对建筑物影响进行预测的手段；提出了盾构通过建筑物时的旌工控制参数 和常见的工程处理措施。 1 3 本文研究思路和研究内容 综观以上文献，国内外专家学者从实验、计算分析及工程对策等方面就浅 第1 章绪论 埋隧道施工对临近桩基的影响进行了广泛的研究。 在计算分析方面，已有文献主要采用了整体有限元分析法和两阶段分析法。 尽管整体有限元分析法可以分析各种复杂情况，但从工程实用角度看，两阶段 分析方法更容易被工程技术人员所接受；其中有关两阶段分析法基本上采用弹 性理论并限于均匀土层，未见基于w i n k l e r 地基模型进行分析的文献，弹性理论 的主要缺点是不能考虑土体的非线性特性，也不能对土体的分层特性进行充分 的考虑，w i n k l e r 地基模型虽没有考虑地基的连续性，不能反映地基应力相互影 响，但对于工程实际来说，认为其精度是足够的，并且相对要简便一些。另外 已有文献中一般桩基离开隧道有一定的距离，没有涉及到隧道顶桩的截桩处理 问题。 本文采用两阶段分析方法，并基于w i n k l e r 地基模型来研究浅埋隧道施工对 建筑物桩基的影响。 首先分析浅埋隧道施工引起的自由场土体竖向和水平位移，即不考虑桩体 时，浅埋隧道施工引起的桩基位置处土体的水平和竖直位移，并对目前的几种 分析方法进行比较。 对于土体竖向变形对桩的内力和变形的影响，基于w i n k l e r 地基模型，用连 续分布的竖向弹簧来模拟桩与桩侧土之间的相互作用，桩端与桩端下土的相互 作用通过单个弹簧来模拟，考虑分层土体，建立桩土相互作用的有限差分格式， 对隧道旁桩及隧道顶桩的截桩处理进行计算分析，并对主要影响因素进行参数 化研究。 对于土体水平变形对桩的内力和变形的影响，基于w i n k l e r 地基模型，把桩 作为地基上的梁，考虑分层土体，建立桩土相互作用的有限差分格式，对隧道 旁桩进行计算分析，并对主要影响因素进行参数化研究。 摄后，应用本文方法，计算分析某浅埋隧道开挖对隧道顶桩位移及轴力的 影响，并与整体有限元计算结果进行比较。 9 第2 章隧道施工引起的周围土体变形 第2 章隧道施工引起的周围土体变形 本章对浅埋隧道施工引起的周围土体的变形进行分析。采用暗挖法进行隧 道施工，由于开挖工作对周围岩土体的扰动，无论是采用新奥法或盾构法，或 者是其它施工方法，都要引起岩土体向开挖空间的运动，实际隧道施工中开挖 岩土体的体积与竣工隧道体积之差称为地层损失，周围岩土体在弥补地层损失 过程中发生地层运动，引起岩土体及地表发生移动及变形，正确获得隧道拖工 中和施工后的地层反应尤其是位移场的分布变化对于确定合理的隧道扰动范围 及有效保护附近的建筑环境和自然环境意义重大。 2 1 几种分析方法的比较 隧道施工引起的周围土体变形的评估计算方法大致分为三类：经验方法、 有限元法、解析方法。 经验公式法原理简单，易操作，在工程实际中应用比较广泛，由于它根据 现场及室内试验结果而来，采用大量实测数据进行拟合，所以采用这种方法预 测的结果往往同实际工程的测量结果符合的很好，是发展比较成熟也较多采用 的预测地层沉降的方法。经验公式法采用正态分布的概率曲线并没有理论基础， 采用该曲线的主要原因是它的形状跟实测沉降曲线形状很类似，由于正态分布 的概率曲线可由几个参数就能确定形状，所以对于每个实际工程，可以很容易 拟合得到和实际工程符合很好的结果，但是也不可避免的具有它的局限性：( 1 ) 不能考虑特殊的隧道形状和施工工艺；( 2 ) 不能考虑侧向士体位移，因此，对 于研究隧道开挖对周围建筑物和地下构筑物的影响问题时，经验方法是无法解 决的；( 3 ) 只能考虑单一地质条件；( 4 ) 只能考虑地表的竖向沉降，用m a i r 等 的方法虽然可以考虑地面以下的沉降量，但对于地层情况异于所研究的情况时， 仍需要实测资料的支持；( 5 ) 异常边界条件导致不对称的沉降不能考虑；( 6 ) 只能用于施工良好的条件下，施工条件不好不能考虑。另外研究表明经验方法 对于正常固结的粘土，结果符合很好，但对于粒状土( o 。r e i l l y ，1 9 9 1 ) 和超固 结粘土( e i s e n s t i e n 等，1 9 8 1 ) ，结果就符合的不好。 0 第2 章隧道施工引起的周围土体变形 有限元法是一种十分有效的数值分析方法。它具有几个突出的特点：( 1 ) 可以用于求解非线性问题；( 2 ) 易于处理非均质材料，各向异性材料；( 3 ) 能 适用于各种复杂的边界条件。而这几点正是岩土材料用其他方法难于处理的问 题，因此，有限元法自2 0 世纪5 0 年代发展至今已经成为求解复杂的岩石力学 及岩土工程问题的有力工具。 采用有限单元法( f e m ) 预计隧道施工引起的地表沉降时，将沉降视为力 学过程，不仅能够计算出地表的移动及变形，而且可以得到地层内部的应力、 变形状况。根据隧道施工的地层条件及隧道施工的实际情况，可以将地层假定 为弹性、弹塑性或者粘弹塑性等不同类型的介质。弹性有限元方法一般适用于 地层和施工条件较好的情况。日本大阪地区曾采用弹性有限元法对隧道开挖施 工引起的地表沉降进行了估算，并取得了较为满意的效果。由于在隧道施工过 程中，周围的土体可能受到较大的扰动，采用弹性介质有限元法常常使估算值 偏小，因此通常需要将土体视为弹塑性介质进行非线性分析。非线性有限元法 不仅能够考虑隧道施工引起的地层损失，而且可以考虑土体的排水固结等，并 且能够考虑多种施工方法对地表沉降的影响，并可以考虑各种断面形式，因而 获得了广泛的应用。目前已经开发出了各种成熟的二维及三维线性与非线性有 限元程序，能够考虑不同类型土的本构关系和各种施工因素。在分析中，因存 在地层单元和结构物分离的可能性，往往需在建筑物基础和地基、管片衬砌和 周围土层之间设定特殊的接触面单元。对盾构施工工艺影响的模拟，常要考虑 开挖面压力的模拟、盾尾间隙和注浆的模拟、管片衬砌的模拟。 考虑到经验公式的局限性，有限元法的不确定性，简单的闭合解析解是一 种可取的分析隧道工程对周围岩土环境影响的有效方法。近年来，通过解析方 法来解决一些工程实际问题得到了各国学者的普遍重视，解析方法的优点不仅 在于能够提供更加全面的地层位移信息，而且能够为进一步研究隧道建设对地 下其它设施的影响提供理论基础。由于理论上的复杂性，解析方法一般对土体 是基于弹性假设，要求隧道是浅埋隧道，因此在工程实际中运用受到一定的限 制。 解析方法从土体位移发生的机理着手，运用经典弹性力学的理论，得到的 是精确理论解公式，精度高，计算量小，目前解析法的研究基本上都考虑弹性 或者粘弹性分析，实际情况是隧道周围的地层以及衬砌的变形都不是弹性的。 解析解分析的结果和工程实测数据的对比说明了这一点，但是弹性或者粘弹性 第2 章隧道施工引起的周围士体变形 的分析仍然十分有意义，尤其是在缺少地层的变形特性资料时候或者为了确定 地层变形的非均匀性和多变性需要做大量的数据处理时。简化的弹性方法可以 迅速找到要求解的结果相对于各参变量的敏感程度，为用数值法求解提供了一 定的基础。 2 2 工程实例分析 本文采用由l o g a n a t h a n 等【1 2 】( 1 9 9 8 ) 提出的解析公式来计算浅埋隧道旌：1 - 引起的周围土体变形。 关于由隧道施工引起的地表沉降，地表以下沉降，以及侧向变形的计算公 式分别是： u z = o = e r 2 - 4 j h i j ( i 1 - v ) p f l 3 8 j 2h + r r l ( 2 1 ) u z = 积2 ( 一赫+ c ，一一v ，赫 一j ；! i 。i ： ；。帮 。e 一 l l 3 8 j 2 “ + 月) 2 i 。6 9 ：2 ， 2 l 吣础k 南+ 赫一沼， 兰! 竺尘 l 盯 1 3 8 x 2 伽一】+ i o6 9 z t l h 2 l 【x 2 + ( + = ) 2 】2l 式中：u 。= 地表沉降，u ：= 地表以下沉降，u ，= 侧向土变形，r = 隧道半径，= = 地表以下深度，h = 隧道轴线水平的深度，v = 泊松比，占= 地层损失比，x = 距隧 道中心线的侧向距离。 下面用这些公式对四个工程实例进行分析，其中计算参数及实测数据来自 l o g a n a t h a n 等【1 2 】( 1 9 9 8 ) 。 工程实例1 ：希思罗机场快车试验隧道( h e a t h r o we x p r e s st r i a lt u n n e l u k ) 隧道参数：隧道半径为4 2 5 m ，隧道轴线的深度为1 9 m 。 地质条件为：0 2 m 为回填土，2 - - 4 m 为砂砾，4 m 以下为伦敦土 ( 巴= 5 0 - 2 5 0 k p a ) 。 地层损失比为1 4 。 第2 章隧道施工引起的周围士体变形 图2 1 为希思罗机场快车试验隧道( h e a t h r o we x p r e s st r i a lt u r m e l ，u k ) 地表位移、隧道拱顶至地表竖向位移、距隧道中心线6 m 处土体侧向变形及距隧 道中心线9 m 处土体侧向变形l o g a n a t h a n 方法计算结果及实测数据的比较。 、 o 夕 4 4 0 5 0 5 一1 0 3 剖1 5 姥 2 0 2 5 3 0 3 5 ( a ) 地表位移 侧向变形( m m ) 2 03 04 05 0 o 实测数据 l o g a n a t h a n 方法 囊r t j 上 二。 ( b ) 隧道拱顶至地表竖向位移 侧向变形( m m ) 0 1 0 - 2 0 - 3 0 4 0 5 0 o 实测数据 l o g a n a t h a n 方洼 ( c ) 距隧道中心线6 m 处土体侧向变形 ( d ) 距隧道中心线9 m 处土体侧向变形 图2 - 1希思罗机场快车试验隧道计算结果与实测数据比较图 工程实例2 ：t h u n d e r 隧道( t h u n d e rb a yt u n n e l ，c a n a d a ) 隧道参数：隧道半径为1 2 3 5 m ，隧道轴线的深度为1 0 7 m 。 地质条件为：0 - 8 m 为砂土，8 - 1 3 m 为粘土( e = 3 0 6 0 k p a ) ，1 3 2 5 m 为硬 粘土( c ，大于6 0 k p a ) 。 地层损失比为1 3 7 。 图2 2 为t h u n d e r 隧道( t h u n d e rb a yt u n n e l ，c a n a d a ) 地表位移、隧道拱顶 至地表竖向位移、距隧道中心线2 2 m 处土体侧向变形l o g a n a t h a n 方法计算结果 0 0 加坫船踮 瞄 一) 越黯 第2 章隧道施工引起的周围土体变形 及实测数据的比较。 名 越 晰 一2 0 一 一 。 静 掣 足 崩 水平距离( r i ) 1 001 02 0 、：o 。 o1 0 、口2 0 4 矿。 5 0 1 ( a ) 地表位移 ( b ) 隧道拱顶至地表竖向位移( b ) 距隧道中心线2 2 m 处土体侧向变形 图2 2t h u n d e r 隧道计算结果与实测数据比较图 工程实例3 ：g r e e n 公园隧道( g r e e n p a r k t u n n e l u k ) 隧道参数：隧道半径为2 0 7 m ，隧道轴线的深度为2 9 4 m 。 地质条件为：o 2 m 为砂砾土，2 m 以下为硬粘土( c 1 = 5 0 2 5 0 k p a ) 。 地层损失比为1 6 。 图2 3 为g r e e n 公园隧道( g r e e n p a r k t u n n e l ，u k ) 地表位移、隧道拱项至 地表竖向位移l o g a n a t h a n 方法计算结果及实测数据的比较。 第2 章隧道施工引起的周围土体变形 一3 0 省 3 饕 趟 莲 斟 水平距离( m ) 2 01 001 02 03 0 0 v j 8 实测数据 1 0 l o g a n a t h a n 方法 1 2 。 ( a ) 地表位移 竖向位移( ) 一51 01 5 图2 - 3g r e e n 公嗣隧道计算结果与实测数据比较图 方法 工程实例4 ：泰国曼谷下水管道( b a n g k o k s e w e r t u n n e l t h a i l a n d ) 隧道参数：隧道半径为1 3 3 m ，隧道轴线的深度为1 8 5 m 。 地质条件为：0 1 2 m 为软粘土( 巴= 1 5 - 2 5 k p a ) ，1 2 - 2 5 m 为硬粘土 ( q = 5 0 k p a ) ，2 5 3 5 m 为细砂，3 5 m 以下粉质粘土。 地层损失比为6 2 。 图2 - 4 为泰国曼谷下水管道( b a n g k o k ，s e w e r t u n n e l ，t h a i l a n d ) 地表位移、 距隧道中心线4 m 处土体侧向变形l o g a n a t h a n 方法计算结果及实测数据的比较。 弋 。厂 | 每 1 陟三 ( a ) 地表位移 ( b ) 距隧道中心线4 m 处土体侧向变形 图2 - 4 泰国曼谷下水管道计算结果与实测数据比较图 由计算结果可以看出：浅埋隧道施工引起的自由场土体竖向位移，在隧道 中心线上方的地层沉降随深度增加而增大，在接近隧道顶端的位置达到最大。 0 0 m 坫 肋 筋 踮 一3 越嚣 第2 章隧道施工引起的周围土体变形 引起的自由场土体水平位移，距隧道中心线一定距离处土体水平位移在隧道上 方随深度增大而增加，但改变不大，在隧道水平面处附近急剧增大，达到峰值， 在隧道下方，随深度增加而迅速减小为零；随着距隧道中心线距离的增大，土 体水平位移在隧道上方和隧道下方逐渐减小，但变化不大，在隧道水平面处附 近则迅速减小。 l o g a n a t h a n ( 1 9 9 8 ) 提出的解析公式计算浅埋隧道拖工引起的周围土体变形， 同硬质粘土地质条件下的情况符合的较好，但是软粘土就符合的不太好。 运用解析方法在工程实际中有着重要意义，尤其是在地层参数不够充分并 且无实际工程参考的情况下，运用解析方法来预测隧道周围土体的变形就是一 条比较合理的途径。分析隧道工程对于周围土体的影响的三种主要方法，每种 分析方法各有利弊，三种方法并不是完全割裂的，分析中往往是采用其中某两 种甚至三种方法的综合，从而可以得到合适的结果。 1 6 第3 章土体竖向移动对桩的影响 第3 章土体竖向移动对桩的影响 本章在阐