盾构隧道开挖对邻近桩基影响研究

通过采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则,建立三维有限元数值模型,系统研究盾构隧道开挖引起的邻近单桩工作性状的变化规律。数值模拟结果表明,当隧道在距桩轴线0.5倍隧道直径的范围内推进时,邻近单桩水平位移、弯矩、轴力的变化最为明显;当桩端位于隧道拱底深度上方时,盾构隧道开挖对邻近单桩变形影响较大,而当桩端超过隧道拱底深度时,邻近单桩内力受开挖影响较大。     

隧道施工对上覆框架结构建筑物的影响

重庆市同茂隧道地处老城区,开挖跨度大、埋深浅、上覆建筑物密集、类型多且年代已久,为隧道设计和施工带来了一定的难度。结合同茂隧道工程实际,以框架结构建筑物为研究对象,建立三维有限元模型,通过隧道施工过程对建筑物影响的有限元分析,主要对桩基变形及框架结构的弯矩、轴力和变形进行了研究,揭示桩基变形及框架结构的弯矩、轴力和变形随施工过程的变化规律。本研究可为类似工程隧道施工对上覆框架结构建筑物的影响研究提供借鉴和指导。     

青岛地铁1号线施工对近接某大厦的影响研究

城市地铁隧道施工扰动会引起邻近高层建筑产生沉降现象,严重时引起建筑倾覆,威胁公共安全。青岛市中区某大厦距离青岛火车站200 m,地铁1号线侧穿于该大厦,为保证大厦运营安全,基于ABAQUS软件平台结合单元删除算法、D-P(Drucker-Prager塑性准则)准则以开展隧道开挖扰动对该大厦的稳定性影响。结果表明：隧道施工引起地表最大沉降值为18.23 mm,满足《建筑地基基础设计规范》要求。框架结构底层柱弯矩、轴向力最大,随着层高增加,弯矩、轴向力值逐渐减小。建议隧道每日掘进进度为10 m左右,同时可以采用螺纹钢树脂锚杆支护方案以降低地表沉降危害。     

考虑空间效应的基坑开挖对邻近隧道影响分析

基坑开挖引起的围护结构变形将引起周边土体的卸荷,而土体卸荷将会对邻近隧道附加变形及内力产生不利影响。考虑围护结构变形的空间效应,建立了基于基坑侧壁位移影响的三维土压力卸载计算模型,并借助Mindlin解得到了基坑开挖卸荷在隧道轴线处引起的附加应力。考虑地基土体变形连续性,将隧道视为置于Pasternak地基的Euler-Bernoulli梁,得到了隧道附加变形的受力响应。将基坑开挖引起的附加荷载施加于邻近隧道,得到了考虑空间效应的基坑开挖诱发邻近隧道附加变形的理论计算方法。通过与已有案例的对比分析,验证了本文方法的可靠性。进一步分析了围护墙最大变形、隧道与基坑边距离及地基模量等因素的影响规律,结果表明：围护墙最大变形的增大会进一步增加隧道的变形及内力,而隧道与基坑边距离及地基模量的增加,则会减小隧道的附加变形及内力。     

连拱隧道下穿高层建筑安全性分析

当前,国内外对于隧道下穿邻近建筑物的安全性影响分析及评估方法尚未建立,而作为异型结构的连拱隧道对邻近建筑物的影响研究更为缺乏。结合重庆市渝中区两江大桥渝中连接隧道的设计案例,采用地层-结构法对隧道下穿14层高层建筑进行力学分析。通过上部结构荷载估算、隧道建模等方法,建立连拱隧道下穿高层建筑安全性影响分析方法,并对隧道开挖后地基的变形与隧道支护的受力特性作出安全性评价,研究成果对类似工程具有参考与指导意义。     

类矩形盾构施工对邻近建筑影响的有限元模拟分析

采用MIDAS/NX软件建立三维有限元模型,研究了类矩形盾构施工对短桩基础框架建筑物的影响。分析了隧道水平位置和土质条件的改变对邻近建筑物沉降的影响以及隧道开挖过程中建筑物的受力及变形规律。研究结果表明:当建筑物中轴线到隧道中轴线的水平距离L=0 m时,随着隧道的开挖,建筑物的沉降逐渐增大且呈正态分布,建筑物最大第1主应力P_1和最大剪应变E_max整体上呈增大趋势,L的改变对建筑物的沉降影响较大;随着L的增大,P_1和E_max总体上呈减小趋势,建筑物产生向隧道一侧的倾斜,到一定距离后建筑物几乎不受影响;土质条件的改变对建筑物的沉降影响较大。     

隧道下穿施工诱发框架结构建筑物变形规律研究

隧道下穿既有高大建筑物越来越多的出现在城市地铁建设中,有必要对建筑物受地铁隧道下穿影响发生变形的规律进行研究。采用FLAC3D软件,考虑建筑物–土体–隧道共同作用,模拟了双线暗挖隧道先后穿越独立基础框架结构建筑物的工况。模拟结果表明框架结构的存在对隧道开挖引发的沉降位移曲线形状有明显影响,沉降槽深度明显减小,宽度有所增加。在垂直于隧道方向,上部结构的存在减小了柱间沉降差,使框架结构柱间基础沉降趋于平缓。最终柱间沉降差较大值出现在沉降槽曲线拐点两侧框架柱间。在平行于隧道方向,建筑物柱间沉降差与隧道掌子面位置密切相关,掌子面位置前后两柱间沉降差较大。隧道通过后,该方向上最终柱间沉降差将很小。     

考虑桩侧土体三维效应和地基剪切变形的隧道开挖对邻近桩基影响分析

目前就隧道开挖对桩基变形影响的解析理论研究一般基于Winkler地基模型,较少考虑地基的剪切变形和桩侧土体三维作用效应。基于Pasternak地基模型,首先推导了隧道开挖与邻近桩基相互作用的简化理论解,该解反映了地基剪切变形但未考虑桩侧土体三维作用效应。在此基础上,为反映桩侧土体三维作用效应,将其等效成集中力通过剪切层传递到桩基两侧,推导了体现三维作用效应的群桩反应表达式。将考虑与不考虑桩侧土体三维作用效应的结果进行对比,发现考虑桩侧土体三维作用效应的桩基水平位移和弯矩值更接近监测数据和离心试验数据。此外,还针对群桩影响因素进行了分析。结果表明：土体剪切变形对桩基影响不容忽视,剪切层模量越大,隧道开挖引起的桩身水平位移越小;桩径越大,桩身水平位移越小,桩身弯矩越大;桩基与隧道距离越小,桩基最大水平位移和弯矩值越大。     

交叠隧道相互影响性研究

随着隧道邻近建筑物施工的增多,如何确保邻近建筑物与隧道结构物交叉段的安全成为施工中的难题。采用三维有限元方法,对具有横洞隧道下穿既有隧道进行模拟和分析。研究表明,当新建隧道下穿既有隧道时,二者相互“吸引”,既有隧道沉降沿自身轴线呈“拱形”曲线分布,且受力增大,远离交叉段影响逐渐减小;横洞开挖对主洞的影响表现为交接处拱顶、拱腰受力增加,下沉量增加,周边收敛减少,出现应力集中现象。研究成果对具有横洞的交叉隧道的安全施工有一定的指导意义。     

软土地层并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响

为了研究并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响,以横琴杧洲隧道工程为依托,建立了并行曲线隧道三维有限元数值模型。在此基础上,研究了不同施工顺序和曲率半径r(r=500,800 m)下新建曲线盾构隧道开挖对既有隧道变形的影响。结果表明:施工顺序对既有隧道位移影响较小,曲率半径对既有隧道位移影响相对较大; 随着曲率半径(r=500～800 m)的增加,既有隧道位移增加约15%; 既有隧道的位移主要在盾构开挖面前方2D(D为隧道外径)、后方1D范围内产生; 施工顺序对既有隧道内力的影响与曲率半径有关; 隧道曲率半径为500 m时,施工顺序对既有隧道内力变化影响规律相似,即离盾构开挖面最近的既有隧道剖面产生的弯矩最大,且最大弯矩和最小弯矩均出现在靠近新隧道一侧; 内侧隧道先开挖时,既有隧道的弯矩(绝对值)更小,此时对于并行曲线隧道施工,内侧隧道先开挖更安全; 在盾构开挖面前方一定距离内既有隧道产生的轴力最大; 隧道曲率半径为800 m时,双线隧道近似于平行隧道,施工顺序对既有隧道内力变化和大小影响较小。     

基于HSS模型隧道近接群桩基础施工影响分析

依托盾构隧道近接侧穿群桩工程建立三维数值分析模型,土体采用小应变硬化(HSS)模型,参数取值借鉴已有研究成果并根据监测位移数据反演,同时考虑土体开挖、衬砌拼装以及盾尾同步注浆等一系列施工工艺措施,并将模拟结果与监测数据进行对比验证,研究了不同工况下地表沉降的形态分布、群桩桩基变形及基桩结构受力,同时考虑地表位移对等代层厚度的敏感性。结果表明:HSS模型能有效预测隧道近接侧穿高架桥桩引起的变形,模拟结果与监测值较吻合; 隧道开挖引起土相对桩产生了滑移,地表沉降及桩身竖向位移在中心线前后各1D(D为管片外径)范围内随推进步数的增加而不断增大,且增加幅度明显减小; 两线推进地表沉降具有叠加效应,最大沉降量增幅达76.8%; 隧道与基桩水平距离越近,引起基桩沉降变化越大,两线推进基桩桩顶沉降增幅达134%; 群桩中各排桩的水平位移变化趋势基本相同,且同排桩的水平位移值相差不大,由于群桩遮挡效应,水平位移值由大到小依次为前排桩、中排桩、后排桩; 桩身水平位移主要在盾构中轴线2.5D范围内,桩身最大水平位移均出现在隧道中轴线附近; 群桩中同排桩桩身附加弯矩及附加轴力沿桩身分布规律相同,桩身最终附加受力与其距离隧道远近有关; 随着注浆充率β的增大,等代层厚度及地表沉降呈线性减小; 穿越段采取的施工工艺方案是有效的,经估算附加弯矩及轴力对桩基承载力的影响在容许范围内。     

盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分析

经与离心试验结果对比分析,验证了应用数值模拟研究盾构隧道开挖对邻近桩基影响是可靠的。通过采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则,建立三维有限元数值模型,研究软土地区盾构隧道开挖对邻近桩基的影响规律。数值模拟结果表明,开挖导致群桩中前排桩变形及内力均大于后排桩,且同排桩水平位移、弯矩和轴力沿桩身分布几乎重合;与同位置单桩相比,群桩中各桩水平位移稍大,而沉降则更小;前排桩最大弯矩与同位置单桩相差不大,而后排桩最大弯矩稍大于同位置单桩,前、后排桩最大轴力均大于同位置单桩。     

基坑开挖卸荷引起的公路桥梁桩基变形受力响应

采用两阶段分析法分析基坑开挖卸荷作用下公路桥梁的受力变形规律,首先基于明德林解析解,利用复合辛普森公式进行数值积分求解得出基坑侧壁卸荷与坑底卸荷同时作用下土体内桩体位置处的水平附加应力; 其次采用Kerr三参数地基模型建立公路桥梁桩基的挠曲微分方程,结合水平附加应力,利用有限差分数值计算方法得到桩基挠曲微分方程的数学解析矩阵表达式。利用所得计算公式对公路桥梁桩基附近有基坑开挖的工况进行计算,并通过与数值模拟计算结果的对比验证所提计算方法的有效性; 最后针对桩基轴向荷载大小、基坑与桩基距离及基坑三维尺寸进行了影响因素分析。结果表明:桩基轴向荷载的变化对桩基水平位移及桩身弯矩影响不明显; 随着桩基与基坑距离的加大,桩基水平位移及最大弯矩逐渐减小,并且在较大距离范围内桩基水平位移及弯矩变化愈发平缓; 开挖深度对桩基水平位移及弯矩的影响远大于开挖长度和开挖宽度,基坑开挖宽度对桩基的影响最小。     

盾构法施工对近距离侧穿桥梁桩基的影响分析

盾构法施工地铁隧道近距离侧穿高速公路桥梁桩基时,引起地层移动和应力调整,导致桩基位移和内力发生变化,给上部结构带来安全隐患。以杭州地铁3号线工大站—留和站盾构区间双线施工为依托,运用三维有限元软件模拟盾构开挖施工的全过程,研究开挖过程对地层沉降及邻近桥梁桩基影响规律。结果表明,先行隧道开挖导致地表形成沉降槽,后行隧道开挖沉降曲线向后行线扩展;桩基竖向呈现刚体位移,单线开挖时在横向(Y方向)上嵌入土体桩基上半部分向隧道内倾移,下半部分背离隧道方向倾移,在纵向(X方向)上桩基呈现拱形弯曲,双线开挖时桩基横向位移发生反向叠加效应,导致最终横向位移基本接近初始状态,纵向上弯曲位移发生正向叠加效应;双线隧道先后开挖使桩基产生附加摩阻力和附加轴力,在隧道顶面分界线以上桩基总侧摩阻力较初始状态不断减小,分界线以下增加,位于-2.5 m以上桩基轴力较初始状态减小,以下增加;单线开挖时桩基弯矩变化明显,双线开挖弯矩出现反向叠加效果,基本保持初始状态。     

隧道开挖对临近桩基影响的二维数值分析

基于隧道开挖的工程实例,采用有限元方法,分析了临近桩基的隧道开挖对建筑物桩基的影响。选取了不同隧道挖深,模拟开挖对临近建筑物桩基础的影响。对开挖引起的地面、建筑物角点的沉降规律做了分析与探讨,同时也分析了桩和底板的弯矩、轴力、剪力等变化规律,得出了有意义的结论。     

复合地基侧向开挖上覆荷载影响规律离心机试验研究

进行了三组临近复合地基开挖的离心机模型试验,对比分析了相同开挖工况、不同上覆荷载下的桩轴力、桩侧摩阻力、桩土应力比以及桩弯矩的变化规律。结果表明,当复合地基上覆荷载增加时:①桩轴力及其因开挖产生的增量明显增大,桩侧摩阻力数值增大,但方向不变;②桩土应力比及其增量明显增大,其变化趋势与桩轴力曲线一致;③各级开挖工况下的桩体弯矩也会相应增加,而且随着与基坑距离的增加,弯矩值逐渐变小,荷载的影响也逐渐降低;④随着复合地基上覆荷载的增加,高应力水平下的桩间土更容易受到临近基坑开挖的扰动,荷载更多地向刚性桩转移,桩轴力增加,同时伴随着更大的桩体弯矩,进而加快桩体的破坏趋势。研究成果可为既有复合地基临近基坑开挖支护设计提供参考。     

盾构隧道受上方地下空间开挖荷载的影响分析

利用有限元软件MIDASGTS建立的三维有限元模型模拟下方盾构隧道的竖向和水平方向变形过程,以及在地下室和覆土荷载作用下的隧道变形增量、转换梁和连接板竖向变形、保护桩竖向和水平方向变形增量等,结果表明盾构隧道处于中风化岩层产生的变形增量约为其处于强风化岩层的13;增大转换梁刚度可在一定程度上减小盾构隧道和转换梁在上方荷载作用下的变形量;在基坑开挖和地下室施工全过程,盾构隧道的轴力和弯矩均处于较低受力水平,结构安全性未受影响。     

边载作用下隔离桩隔离效果的影响因素研究

以港珠澳大桥海底沉管隧道基础沉降控制研究为科研背景,为研究岛头边载作用下隔离桩隔离效果的影响因素,进行了8组室内模型试验,分别研究了隔离桩桩长、桩径、桩间距及隔离桩距减沉桩距离S₁等因素对隔离效果的影响。试验结果表明：减沉桩桩身最大轴力、弯矩随隔离桩桩长的增加而减小,并且当隔离桩桩长达到所需的嵌固深度时,对弯矩的隔离效果非常显著;隔离桩桩径的增加或桩间距的减小不仅提高隔离桩对竖向变形的隔断能力,同时也使得隔离桩之间土拱效应增强,减沉桩桩身最大轴力、弯矩随着隔离桩桩径的增加而减小,随隔离桩桩间距的减小而减小,同时,当隔离桩桩间距达到8D时,对轴力与弯矩的隔离效果可以忽略不计;减沉桩桩身最大轴力随S₁的减小而减小,而S₁的变化对弯矩的隔离效果影响不显著;研究成果可为隔离桩的应用提供较好的参考。     

隧道-基坑多重开挖对既有桩影响的参数分析

隧道和基坑作为两种不同的开挖形式,是目前常见的城市地下工程。随着城市地下空间利用率的提高,既有桩周围存在隧道和基坑依次开挖的工况越来越普遍。从隧道-桩-基坑三者相对位置的角度出发,以“先隧道后基坑”开挖顺序为例,采用ABAQUS建立数值模型开展参数分析,并与相关试验结果进行对比,结果表明:Z₀/L_p对既有桩基附加沉降、水平位移和弯矩均呈现先增后减的变化规律,桩身轴力在Z₀/L_p不同时表现的响应模式不同。H/D或d/H_e越大,桩基附加沉降越小并趋于稳定;最大桩身水平位移的位置随H/D的增大由桩端逐渐上移至桩身中部,但基本不受d/H_e的影响;桩身弯矩随着水平间距的增大先递减后递增并趋于稳定。研究结果可为实际工程设计和施工提供参考。