摘 要

隧道开挖引起的地层变形超过一定范围，会威胁邻近结构物的安全，引起一系列的环境岩土问题。许多隧道建在原有建筑的地下结构物附近，且近距离穿越结构物的现象增多。本文针对由于隧道开挖所造成的对原有高架桥桩施工力学的影响，采用二维有限元软件，分析盾构隧道在不同工况下，对桥桩结构受力、变形、以及周围地表沉降的变化规律。研究结果表明：

（1）当隧道外轮廓线与桩基轴线的间距在3m到6m之间变化时，单桩沉降值变化曲线最陡，桩身水平位移分布图、桩身轴力以及弯矩分布图中在隧道外轮廓线至桩轴线的距离为3m至6m这个区间内曲线变化幅度大，最大值之间的差值也是最大的。

（2）盾构隧道的直径越大，也就是土体的体积损失越大，由于盾构隧道所造成的最大地表沉降值也就越大，在单桩条件下直径为14m的隧道所造成的最大地表沉降值为46mm，群桩条件下的最大地表沉降值为47mm。当隧道直径在6m到8m之间变化时，地表的变化还是较为稳定的，没有出现下凹的趋势。

（3）在盾构施工的影响下，下穿隧道会对邻近高架桥桩的应力与变形起到一定的约束作用，桩基、承台及下穿隧道的存在，能一定程度上控制地表沉降。在基本算例中，群桩基础条件下的地表沉降值以及桩身弯矩值总是小于单桩情况下的数值。

关键词：盾构隧道；变形；内力；沉降；有限元软件

Study on the influence of shielding tunnel at close range on the construction mechanics of viaduct pile

ABSTRACT

When ground deformations caused by the tunnel excavation exceed a certain range, it will pose a threat to the security of neighboring structures, causing a series of environmental geotechnical problems. Many tunnels are built near the underground structures of the original buildings, and the phenomena of crossing underground structures at close range have increased markedly. In this paper, the effect of tunnel excavation on the construction mechanics of the existing viaduct is analyzed. Two-dimensional finite element software is used to analyze the stress, deformation and surrounding surface settlement of the bridge pile under different working conditions. In order to gain some change rules, the research shows that:

(1) When the distance from the outer contour of the tunnel to the pile axis is between 3m and 6m, the horizontal displacement of the single pile, the axial displacement of the pile, the axial force and the bending moment change obviously in this range.

(2) The larger the diameter of the shield tunnel means the greater volume loss of the soil, the maximum surface subsidence caused by the shield tunnel is bigger. When the tunnel’s diameter is 14m. The maximum surface subsidence is 46 mm under a single pile condition and the other figure under is 47 mm the group pile condition. When the diameter of the tunnel changes between 6m and 8m, the surface changes are more stable.

(3) Under the influence of shielding tunnel, the tunnel will play a certain constraint role in the stress and deformation of the adjacent viaduct. The existence of the pile foundation and cap can control the surface settlement to a certain extent. In the basic case, the surface subsidence and bending moment of the group pile foundation are always smaller than those in the case of single pile.

Key words: shield tunnel; deformation; internal force; settlement; finite element software

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及方法 3

1.2.1 研究盾构隧道对邻近桩基的影响的传统方法 3

1.2.2 研究盾构隧道对邻近桩基的影响的数值分析方法 5

1.2.3 通过具体实验研究盾构隧道对邻近桩基的影响 9

1.3 研究中存在的问题 10

1.4 主要研究内容 10

1.5 论文工作、步骤 11

2 盾构侧穿单桩桥桩不同参数的数值模拟分析 12

2.1 基本有限元模型及模拟分析 12

2.2 隧道直径的影响性分析 17

2.3 隧道与桩基水平距离的影响性分析 20

2.4 隧道与桩基垂直距离的影响性分析 23

2.5 单层、双层土层的影响性分析 26

2.6 本章小结 28

3 盾构侧穿群桩桩桥桩不同参数的数值模拟分析 29

3.1 基本有限元模型以及模拟分析 29

3.2 群桩条件下隧道直径的影响性分析 33

3.3 隧道与群桩水平距离的影响性分析 37

3.4 隧道与群桩垂直距离的影响性分析 41

3.5 单层、双层土层的影响性分析 45

3.6 本章小结 47

4 结论和展望 49

4.1 结论 49

4.2 展望 50

致 谢 51

参考文献 52

绪论

1.1 研究背景及意义

在二十一世纪，随着中国城市化进程的快速推进，城市公共交通系统以及设施有了迅猛的发展，尤其是地铁建设，在各大城市都有了快速发展，地下空间开发规模不断扩大，城市地铁交通线路建设成为缓解城市地面交通压力的有效途径，全国各大城市的轨道交通建设例如地铁在不断地发展建设中。这些年来，全国各地掀起的“地铁和轻轨热”方兴未艾，全国各地城市轨道交通的线路数量和运营总长度由于这个现象都在不断增加。截至目前，在全国多达51座城市的人口达到100万以上，其中有20多个城市拥有正在运行的城市轨道交通系统，像北京、上海、广州、香港、深圳、重庆、天津、大连、南京、成都、沈阳和西安等; 全国也有20多个城市有相关计划建设或正在修建地铁以及快速轻轨交通项目，例如贵阳、哈尔滨、青岛、长沙、郑州、石家庄、厦门、济南、南宁和宁波等。根据海外版人民日报中的文章《中国地铁开进二三线城市》介绍，到2015年，全国地铁运营总里程将达3000公里;而2020年，将达到目前总里程的4.3倍，其总规划里程有7000公里。

以南京为例，地铁项目规划工作于1984年开始，截至目前新确定的南京轨道交通线网规划为14条线，运营里程达到433公里，预计将于2050年前建成、。随着地铁轨道交通的建设，南京的交通拥堵得到了一定的解决，总的来说，学会如何利用地下空间，开辟交通通道，增加交通面积，是解决城市“交通难”的根本性措施之一。地铁线路不断从城市中心扩散向城市外围，带来的是，其所使用的地下隧道穿越高层建筑基础和桥梁桩基的次数越来越多。不可避免的是，建设施工过程中必然将会对周围建筑物或者构筑物产生一定的影响，而且浅层地表中包含了各种管线，如排污管、军事电缆等等。地铁隧道将会从大型建筑基础以及高架桥桥桩的下部或侧边进行近距离穿越，在原有建筑的地下结构物附近不可避免的会建造许多隧道，并且近距离穿越结构物这一现象明显增多。图1-1所示为盾构隧道开挖穿越高架桥桩的结构模型。众所周知，当开挖掘进的隧道引起的地层变形超过了一定范围时，必然会对邻近结构物的安全造成威胁，从而导致一系列的环境岩土问题。所以在隧道施工前，必须正确掌握和预测“隧道—土体—结构物”的相互作用机理与效应，根据原理以及现象来制定相关的防灾措施，从而更加深入地理解并掌握隧道开挖对沿线结构物造成的负面影响效应，基于这些掌握的知识隧道的设计才能更加完善，邻近结构物或者隧道施工可行性也可以得到正确地判断，和邻近结构物及原有隧道相关的保护措施才能够被正确地采用。