摘 要

随着高速的社会发展，城市人口量和车流量的不断增多，为缓解交通压力，地下空间的利用被重视，城市地铁成为了最普遍便捷的交通工具。隧道盾构施工由于自动化程度高、对附近建筑、交通干扰较小而被广泛使用。在盾构隧道施工期间，周围土体受干扰，导致地层不同程度的变形和沉降。近接桩基施工时，由于桩土间的作用，土层的变形沉降导致桩基也产生水平和竖向的位移。

本课题利用有限元分析法，建立三维模型，研究盾构施工对地层沉降变形的影响以及引起桩基沉降、内力变化规律。对研究盾构施工近接桩基施工力学行为研究有重要意义。研究内容如下：

（1）建立盾构隧模型，在其他参数不变的情况下，通过改变盾构直径、隧道的埋深、衬砌弹性模量，对比分析，盾构外径越大，地表沉降越大；隧道埋深越大，地表沉降越小；衬砌弹性模量越大，地表沉降越小。

（2）桩基在隧道侧方时，在桩顶施加不同荷载，桩的水平位移几乎不受影响，竖向位移随着顶部荷载的增大而增大；探讨在盾构开挖前进的过程中，增大土仓压力，桩顶沉降随之增大。

（3）桩基在隧道上方时，不同桩顶荷载下，桩身的沉降随着荷载增大而增大，随着盾构刀盘与桩基距离的改变，不同土仓压力下，随着盾构开挖的前进，桩顶位移随着土仓压力增大而增大。

关键词：地铁盾构；近接桩基；有限元分析

Research on mechanics behavior of a shield tunnel construction in metro adjacent to existing pile foundation

ABSTRACT

With the rapid development of the society, the urban population and traffic volume are increasing. To alleviate the traffic pressure, the utilization of underground space is valued, and the urban subway has become the most common and convenient means of transportation. Tunnel shield construction is widely used due to its high degree of automation, small disturbance to nearby buildings and traffic. During the construction of the shield tunnel, the surrounding soil is disturbed, resulting in different degrees of deformation and settlement of the formation. During the construction of the pile foundation, due to the interaction between the pile and the soil, the deformation and settlement of the soil layer will cause the pile foundation to also produce horizontal and vertical displacement.

This topic uses the finite element analysis method to establish a three-dimensional model to study the influence of shield construction on the settlement deformation of the ground and the law of settlement and internal force of the pile foundation. It is of great significance to study the mechanical behavior of the construction of the adjacent pile foundation in shield construction. The research content is as follows:

(1) The shield tunnel model is established. By changing the shield diameter, the buried depth of the tunnel and the elastic modulus of the lining, the larger the outer diameter of the shield is, the larger the ground settlement is. Large, the smaller the surface settlement; the greater the lining elastic modulus, the smaller the surface settlement.

(2) When the pile foundation is on the side of the tunnel, different loads are applied at the top of the pile. The horizontal displacement of the pile is almost unaffected, and the vertical displacement increases with the increase of the top load. The discussion increases during the forward movement of the shield. The silo pressure and the pile top settlement increase.

(3) When the pile foundation is above the tunnel, the settlement of the pile body increases with the increase of the load under different pile top loads. With the change of the distance between the shield cutterhead and the pile foundation, under the pressure of different soil silos, with the shield Advancing, the displacement of the pile top increases as the pressure of the silo increases.

Key word：subway shield ；proximity pile foundation；finite element analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1盾构隧道施工对地层变形沉降影响研究现状 2

1.2.2地铁盾构施工引起桩基的内力变化规律研究现状 9

1.3研究内容 11

第二章 盾构隧道施工原理及有限元分析理论 12

2.1盾构法施工的基本原理 12

2.2盾构隧道有限元软件模拟 12

2.3 ABAQUS有限元软件数值模拟 13

2.4本章小结 14

第三章 盾构隧道施工对地表沉降研究 15

3.1盾构施工地表沉降的影响因素 15

3.2施工有限元模拟 15

3.2.1模型建立 16

3.2.2模型计算结果分析 17

3.3不同埋深下对地表沉降的影响分析 20

3.4不同开挖外径下对地表沉降的影响分析 21

3.5不同衬砌弹性模量下对地表沉降的影响分析 22

3.6本章小结 23

第四章 盾构施工对近接桩基的影响分析 25

4.1桩基础概论 25

4.1.1单桩竖向极限承载力 26

4.1.2单桩轴向荷载的传递机理 26

4.2盾构隧道施工对邻近桩基的影响 27

4.3盾构隧道施工对正侧方桩基的研究 27

4.3.1有限元模型建立 27

4.3.2盾构施工时土仓压力对桩顶竖向沉降的影响 31

4.3.3不同桩顶荷载下桩身水平位移 32

4.3.4不同桩顶荷载下桩身竖向位移 33

4.3.5不同桩顶荷载下桩身轴力 34

4.3.6桩顶一点处沉降变化 35

4.4盾构隧道施工对正上方桩基的研究 35

4.4.1有限元模型建立 36

4.4.2桩的水平、竖向位移 37

4.4.3不同土仓压力下桩顶沉降位移 40

4.5本章小结 41

第五章 总结与展望 42

5.1结论 42

5.2展望 43

致 谢 44

参考文献 45

第一章 绪论

1.1 研究目的及意义

随着中国经济水平的提高、现代化建设进入新征程，城市发展新理念的产生，省级市及地级市城市规模不断扩大，消费趋向多样化，各类交通不断涌现，地下空间的利用，建立高密度，高交通运量的交通系统，大大提高了城市效率。城市隧道及地下构筑物也将是近多年来城市发展的新趋势。

早期的伦敦的交通工具是公共马车，严重影响当地交通。伦敦建造了世界上第一条蒸汽机车牵引的地铁线路。第一条地下铁道的诞生，为人口密集的大都市如何发展公共交通取得了宝贵的经验。1879年，随着电力驱动机车研究的成功，地铁在地下空间使用环境和服务环境方面取得了重大进展。从那时之后，世界文明大都市相继建起了地铁。然后巴黎、纽约、波士顿、布达佩斯、维也纳率先建造和使用地下铁路。经过150多年的发展，已形成了四通八达的地铁网络。地铁运输量占城市公交运行量的50%以上，城市地下空间利用领域已经达到相当规模和水平。近年来，中国地铁发展迅速，2017-2018年间中国开通地铁的城市有35个，地铁通车总运行距离为5021.7公里，已排世界第一。根据最新的2018年3月中国轨道交通最新运行距离的最新排名，有14个城市的行驶里程超过100公里。主要是北上广深四个人口超过1000万的城市，以及南京、武汉、重庆、成都、天津、沈阳、郑州、杭州8个城区人口超过500万的特大城市，还有大连与苏州两个城区人口达300多万的大城市。日后城际地铁兴起，广州佛山之间，上海昆山之间等都为中国区域发展，城市一体化带来了动力，各类交通类型并存的现代城市交通新格局。地铁因其准时，便捷和舒适而受大多数旅客的青睐。但是为了减少交通拥堵，满足出行者需求，地铁一般沿着城市主干道修建，主要用来分流，大城市的主要道路由高层建筑立交桥组成，因此地铁开挖对邻近桩基的影响是不可避免的，土层的变形和移动，地层应力的变化引起周围土体的变形和位移，并且在桩基附近产生内力，桩基结构也会引起位移和二次内力，从而影响桩基的整体稳定性。

当下，世界上地铁的开挖方法主要包括盾构法、暗挖法、明挖法等。施工方法的选择应根据施工性质、规模、水文条件和地下障碍物，施工设备，环境保护和施工期确定的。盾构法可以竖井施工，而且地下作业不会影响地面正常交通，也会减少对附近住宅者噪音和振动的影响。盾构推进、挖掘、衬砌安装等主要工程工期长，施工管理简便，施工人员相对少，土方较少。施工不被气候条件的影响。在地质条件较差、地下水位较高的地区，可以建造大埋深的隧道，因此盾构法具有较好的技术经济前提。但是，根据国内外多年的施工案例和经验，隧道开挖施工对土层的影响一直是工程施工的重点，在地铁盾构隧道桩基和桥梁桩基临近连接建筑物施工时，不容忽视盾构施工的扰动效应。在地铁盾构隧道桩基施工力学性能研究中，水平挠曲变形、水平方向桩基础附加剪力和弯矩是盾构施工水平方向引起的。因此，在竖向盾构施工中，桩基产生垂直附加沉降变形和附加轴向力，综上所述，需要研究各方向的不同影响方式。