盾構(gòu)隧道側(cè)穿引起橋梁樁基礎(chǔ)變形的數(shù)值研究

　　摘 要：隨著城市軌道交通建設(shè)增多，軌道交通盾構(gòu)穿越建筑物的情況時(shí)有發(fā)生。軌道交通隧道側(cè)穿建筑物樁基，會(huì)對(duì)建筑物和地面產(chǎn)生影響，而隧道在不同位置穿越樁基礎(chǔ)，對(duì)土體和樁基礎(chǔ)影響不同。隧道施工引起土體變形常見分析方法包括有限元分析法、理論解析法和經(jīng)驗(yàn)公式法。

　　關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;隧道埋深;偏心比;樁基礎(chǔ);數(shù)值分析;豎向變形

　　引言

　　隨著我國(guó)公共交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，城市建筑和人口稠密地區(qū)下正在修建越來越多的地鐵隧道。地鐵隧道不得不穿過附近的重要建筑。因此，在護(hù)盾施工期間，他必須確保周圍建筑物的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，才能夠穿越或機(jī)翼惡化。對(duì)于由盾牌引起的建筑物附近的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了理論分析、數(shù)字模擬等，以計(jì)算和預(yù)測(cè)建筑物可能減少的情況，并將其保持在可接受的范圍內(nèi)，以確保相應(yīng)建筑工程的安全和正常使用。

　　1隧道開挖對(duì)樁基礎(chǔ)影響機(jī)理分析

　　隧道補(bǔ)償產(chǎn)生了圍繞樁外表面移動(dòng)的土層的垂直變形。土的垂直變形導(dǎo)致樁基的另一垂直變形，樁基場(chǎng)周圍的大規(guī)模應(yīng)力分布以及樁的強(qiáng)深層變形，但在一定程度上，土層限制樁基直至達(dá)到。

　　2工程實(shí)例

　　城市軌道的一側(cè)穿過人行天橋，人行天橋的地板有雙鋼帶，柱長(zhǎng)φ60厘米，樁長(zhǎng)2×120厘米，樁長(zhǎng)11m。隧道通向直徑6.6米、寬度1.5米、深度1.5米的溝渠。

　　3有限元模型

　　FLAC3D利用有限差分軟件模擬了地鐵盾構(gòu)穿越人行天橋側(cè)面的施工。通過提取80米×30米×35米的模型尺寸來考慮模型邊界的效果。基于上述設(shè)計(jì)背景，創(chuàng)建了樁基礎(chǔ)模型：長(zhǎng)度為4m、寬度為4m、高度為2m的便攜包。支撐連接至13m樁的總長(zhǎng)度，半徑為0.6m(支撐頂部與地面齊平)，并且隧道出口方向與模型y軸方向一致。對(duì)隧道側(cè)進(jìn)行研究后，通過樁基礎(chǔ)相對(duì)于隧道水平軸和斷裂面的空間位置、隧道中心比和隧道深度來表示。樁、隧道施工水平中心線和軌道碎石面之間的相對(duì)空間關(guān)系見圖1。隧道從隧道中心線到建筑物中心線的距離是建筑物長(zhǎng)度的一半，隧道比隧道中心線到地面h的距離深，隧道補(bǔ)償大于圖例2的距離(x是隧道中心線到建筑物中心線的距離，L/2是建筑物長(zhǎng)度)。

　　其中隧道偏心比可表示為：

　　地鐵交通的平均深度為27米，導(dǎo)致電壓降低。為此，設(shè)計(jì)了三維數(shù)值模擬計(jì)算，使莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則成為巖石塊的理想基礎(chǔ)模型。帶有外部載荷的樁帽、盾構(gòu)管片和電纜橋架的變形主要是使用彈性設(shè)計(jì)模型的彈性階段。樁基礎(chǔ)為C30混凝土，彈性模量為30GPa，泊松常數(shù)為0.2，密度為2.4g/cm3，底層表面用65kPa(根據(jù)人行天橋自重)代替建筑物自重。每次挖方時(shí)，挖方的面積單位都保留為空，從而將護(hù)盾埋在土層中。同時(shí)，在挖方區(qū)域上應(yīng)用模擬盾構(gòu)推力的手動(dòng)支撐，并將護(hù)盾外殼推至7.5米。然后，軟管組合、兩個(gè)回路的反沖開始，仿真計(jì)算凹槽質(zhì)量和管路組合參數(shù)，并模擬回路設(shè)計(jì)。

　　4橋梁結(jié)構(gòu)豎向變形分析

　　護(hù)盾左右兩側(cè)最大垂直偏移為11.5mm，用于橋梁施工，在左側(cè)護(hù)盾隧道附近的橋面中心進(jìn)行灌注后。托板的最大偏差為5.3mm，支撐的最大偏差為2.2mm。對(duì)護(hù)盾左側(cè)靠近橋面長(zhǎng)軸的橋面變形進(jìn)行了研究，以確定盾構(gòu)開挖時(shí)橋面的垂直變形曲線。橋面的最大離隙值為10.5mm，并顯示在中間位置。橋面缺勤值隨護(hù)盾的增加而增加。由于護(hù)板靠近橋面，因此挖方對(duì)橋面的影響更大。右側(cè)護(hù)盾距離橋梁很遠(yuǎn)，并且在挖方過程中無法看到橋梁的扭曲。

　　5數(shù)值模型及邊界條件

　　本文計(jì)算了有限元計(jì)算中約束對(duì)模型拉伸的影響，如圖2所示。選取100m、60m寬和40m高模型標(biāo)注。質(zhì)量分量模型采用修正劍橋模型。采用ABAQUS分析進(jìn)行中小應(yīng)變和土壤分析，考慮地球上強(qiáng)流耦合。體量模型包含4986個(gè)計(jì)算單元，計(jì)算類型為C3D8P，壓力自由度高于C3D 8R，以考慮本文中要考慮的流量阻力分析。地面依賴于正常位移，底面依賴于垂直位移，曲面依賴于沒有排水系統(tǒng)的邊界。在該圖中，J1-J4是地面垃圾觀測(cè)點(diǎn)，其中J2正好位于隧道上方。

　　6不同偏心比對(duì)樁基礎(chǔ)的影響

　　隧道垂直變形是邊樁施工過程中的一個(gè)歷史過程。當(dāng)隧道出口到第五個(gè)施工步驟時(shí)，由于距樁基礎(chǔ)最遠(yuǎn)，四個(gè)不同的偏心比垂直e變形減小。樁基礎(chǔ)的豎向變形隨著施工現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)一步加工而增大，在施工步驟20中達(dá)到最大值。偏心率為0.5時(shí)，隧道出口對(duì)樁基影響較大，垂直立柱變形的最大值約為。10mm。如果隧道不隨機(jī)穿過樁基，隧道出口對(duì)樁基影響最小，豎梃垂直變形的最小值約為。8mm由于四種不同的偏心率，可以看出，偏心率e在0～1.5之間，當(dāng)偏心率為0.5時(shí)，豎梃的垂直變形會(huì)增大和減小，其中豎梃的垂直變形最大。當(dāng)偏心率在0.5-1.5范圍內(nèi)時(shí)，樁帽的垂直衰減會(huì)降低。e值為1.5時(shí)的最小偏心率。

　　7建筑物模擬

　　該建筑是高度為37.5m的混凝土框架構(gòu)件、矩形木筏支撐和冷料井底部，所有這些都是使用三維實(shí)體單位建模的。該建筑總共包含26938個(gè)計(jì)算單元，單元類型為C3D 8R，并使用“優(yōu)化”命令控制計(jì)算過程中可能產(chǎn)生的沙漏。矩形船隊(duì)要求使用從實(shí)體和樁的頂部附著的約束。樁側(cè)與土接觸面，切線方向?yàn)槟Σ料禂?shù)0.35，法向?yàn)橛步佑|。建筑設(shè)計(jì)模型(可選)柔性模型，柔性模塊30GPa，蒲松氏常數(shù)0.2(2600kg/m3)。

　　8樁基頂部豎向位移

　　偏移計(jì)數(shù)器用于記錄樁帽頂部的垂直偏移。分析發(fā)現(xiàn)，樁帽的頂部坡度值和35厘米長(zhǎng)的樁帽垂直位移值遠(yuǎn)低于樁帽頂部坡度值和樁帽垂直位移值。隧道開挖后，由于土壤質(zhì)量損失的原因，土壤偏移場(chǎng)發(fā)生變化，樁的分裂導(dǎo)致隧道附近的壓強(qiáng)減小，樁相對(duì)向下偏移。當(dāng)樁長(zhǎng)為45厘米時(shí)，由于樁母土的垂直位移，導(dǎo)致樁的阻力減小，樁端阻力增大，從而導(dǎo)致樁頂部的下降值較小。當(dāng)樁長(zhǎng)為35厘米時(shí)，樁的橫向摩擦阻力也會(huì)減小，而且由于樁的深度位于隧道底部的平坦平坦位置上，因此移動(dòng)隧道出口將導(dǎo)致樁的最低層壓縮模塊減小。樁的阻力也因松弛而減小，小于樁的承載力45厘米，因此當(dāng)樁長(zhǎng)超過45厘米時(shí)，樁向下傾斜35厘米。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　如果隧道是以側(cè)壁以外的偏心為基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)的垂直變形是線性分布的。樁基礎(chǔ)垂直偏折變形的最大值發(fā)生在e = 0.5處，樁帽垂直變形值隨偏心率的增加而減小。2)樁基礎(chǔ)相對(duì)于隧道裂縫面的位置發(fā)生變化時(shí)，樁基礎(chǔ)越靠近隧道中心線的缺口面，樁基礎(chǔ)的垂直變形值越大，離隧道中心線越遠(yuǎn)，直至其偏離分型面位置，樁頂部的樁基礎(chǔ)垂直變形值越小。3)樁基礎(chǔ)的垂直畸變受不同隧道偏心比和隧道入口的影響很大。偏心率為0.5時(shí)，扭曲變形會(huì)隨著深度的增加而增大，直到達(dá)到最大值。對(duì)于深度為2.5d-3.0d的隧道，隧道內(nèi)基本減壓變形的靈敏度提高。本文的研究結(jié)果用于隧道農(nóng)民的分析，以適合

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