盾壳摩擦对邻近单桩工作性状影响的研究

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1、盾壳摩擦对邻近单桩工作性状影响的研究郑刚1,2，路平1,2，张稳军1,2(1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学)，天津300072)摘要：盾壳摩擦作用下土体受到挤压和剪切，可引起临近桩身所受弯矩和变形显著增加。本文建立了考虑盾壳摩擦作用的三维有限元模型，研究了盾构掘进过程中不同盾壳摩擦作用对邻近单桩工作性状的影响，并以天津地铁东南角站至建国道站区间盾构工程为依托，结合盾构掘进参数及地表沉降的监测结果进行验证。研究结果表明，考虑盾壳摩擦作用的盾构掘进会引起土体沿掘进方向的

2、水平位移显著增大；盾壳摩擦的增大会造成邻近单桩桩顶沉降、沿掘进方向的桩身水平侧移和桩身弯矩增大，而对桩侧摩阻力、垂直于掘进方向的桩身水平侧移和弯矩影响微弱；盾壳摩擦对桩顶沉降的影响具有滞后性，当盾构机脱离桩身后，对其变形更需要严格控制。关键词：盾构隧道；盾壳摩擦；单桩；变形；弯矩中图分类号：TU91文献标识码：A随着城市轨道交通的发展，地铁线路常下穿复杂地下环境的城市中心地区，采用盾构法施工必然会造成土体扰动，并对邻近构筑物如建筑桩基础等产生影响。目前，国内外学者主要从数值模拟、试验分析、监测分析和理论推导四个层面进行了研究。朱

3、逢斌[1]等结合离心试验结果，采用摩尔库伦本构关系进行数值模拟，研究软土地区盾构隧道开挖对不同位置邻近桩基的影响规律。JongpradistP[2]等和王明年[3]等通过数值模拟分析了盾构掘进过程，并根据临近桩基的不同响应划分了盾构影响分区。DiasD[4]等综合里昂地铁监测数据和数值模拟，研究了不同施工阶段下土体位移。廖少明[5]等用边界元方法模拟分析了新建隧道对既有隧道的影响，并提出盾壳摩擦是影响土体位移的主要因素，且影响具有滞后性。袁海平[6]等基于桥桩结构耦合弹簧力学计算原理与有限差分方法，分析盾构推进过程中桥桩受力、水

4、平变形、地层沉降的变化规律，探讨桩实体结构单元弯矩、剪力计算方法的可行性。梁荣柱[7]等利用弹性力学的Mindlin解推导掌子面推力、盾壳摩擦、注浆压力和盾尾空隙造成的地表变形计算公式并通过实测结果进行验证。收稿日期：2015-3-28基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（编号：2010CB732106）*通信作者：路平，男，博士研究生，从事岩土与地下工程科研工作，paul1986612@126.com徐泽民[8]等介绍了天津地铁三号线下穿历史风貌建筑时由于盾壳摩擦过大导致的事故。该工程左线在接收过程中由于漏

5、水漏沙而停机采取多次注浆加固，期间双液浆硬化并固结在盾壳表面，造成盾壳与土体摩擦力增大。盾构机恢复掘进后，以54000kN较大顶推力仍难以掘进，对地层造成很大的扰动，盾尾后建筑不同位置在10天内出现30~90mm的较大沉降。清理完盾壳表面的浆体后盾壳摩擦减小，盾构能正常掘进且对上部建筑沉降增量可控制在正常范围之内。综上可见，盾壳摩擦对周围地层及结构物如桩基础的影响也不可忽视，而现有研究关于盾壳摩擦对临近单桩的变形及受力的研究相对较少。故本文采用考虑盾壳摩擦的影响对盾构施工过程进行三维有限元模拟，结合东南角站至建国道站区间的地表实

6、测结果进行验证，分析了周围土体的变形模式，并在此基础上研究了盾壳摩擦不同时对邻近单桩工作性状的影响。1有限元模型1.1模型尺寸由于对空旷场地(Greenfield)下的研究更具有代表性，本文研究场地范围取自天津地铁东南角站至建国道站区间左线第310环~360环，共50环，该区段地表建筑较少，场地平坦，盾构施工前土体未受到明显扰动。为了尽量降低边界效应对模拟计算结果的影响，本文计算模型沿掘进方向(Y向)总长度取90m，且仅对中间50环（60m）的地表沉降进行分析验证，并设Y=15m处为研究的第1环，Y=75m处为研究的第50环。模

7、型沿垂直于掘进方向(X向)宽度100m，深度方向(Z向)60m，模型的网格划分如图1。侧面及底面位移施加法向约束，水位位于地表并设为排水面。隧道覆土厚度约为17m。隧道管片采用目前国内通用的宽1.2m的钢筋混凝土预制管片，外径6.2m，内径5.5m。在模型研究的第25环侧方加入了单桩的模拟。单桩采用1m×1m的方桩，桩长30m，桩身外皮与盾构最小净距为6m。根据计算得到单桩的Q-s曲线，确定单桩极限竖向承载力为7800kN，考虑安全系数的影响取桩顶竖向荷载效应为2000kN。图1网格尺寸及地层示意图Fig.1TheFEmesha

8、ndthestrataprofile1.2土体及结构参数土体采用C3D8P孔压单元（共43200个单元，46614个节点，139842个自由度），本构关系采用修正剑桥弹塑性模型模拟，并假定研究范围内的土体为水平均匀分布且各向同性，将研究范围内的土体简化成七层土，