钻孔桩施工对已建隧道影响的有限元分析

鲁 志 杰

(迈进建筑工程设计(深圳)有限公司，广东 深圳 518033)



钻孔桩施工对已建隧道影响的有限元分析

鲁 志 杰

(迈进建筑工程设计(深圳)有限公司，广东 深圳 518033)

采用有限元软件PLAXIS，建立了土体、套筒、泥浆等数值模型，分析了钻孔桩施工对已建隧道的影响，并结合深圳某项目实例，将有限元分析结果与实测数值作了对比，结果显示所得有限元结果与实测位移值较吻合。

钻孔桩，TBM隧道，土体本构模型，泥浆支撑，有限元

0 引言

随着城市规模的扩大和高层建筑的不断增加，越来越多的高层建筑需要修建在已建地铁附近，这样必然会影响到地铁的安全与稳定。目前，大多数文献主要研究隧道施工对已有桩基或临近建筑物的影响[1-3]，较少研究桩基施工(包括桩基础和基坑施工围护桩)对已建隧道的影响，基于此，对于因桩基施工引起的已建隧道问题必须做出深入研究。

通过PLAXIS有限元软件研究钻孔桩施工对已建隧道的影响，并与实测地铁隧道位移值比较，以验证有限元模型的准确性。

1 模型及参数选择

1.1 土的本构模型选择

在开挖模拟中，坑槽底部的土主要承受卸载，因而表现的相对较硬；墙边的土主要承受剪切应力，因而表现的刚度较小。在PLAIXS中可以选用更先进的具有处理卸载特性的Harding Soil模型来使这些差别得到体现。HS 模型是由邓肯—张(Duncan & Chang)模型推导而来，不同于邓肯—张模型，HS模型使用的是塑性理论，而不是弹性理论；其次它考虑了土体的剪胀性；再次，它引入了一个屈服帽盖。众多工程实例表明，由于土体卸载性质对基坑开挖有很大影响，HS模型比摩尔—库仑模型可以给出更真实、更可靠的模拟结果。因此选用HS模型为土体的本构模型。

1.2 土体本构模型参数取值

1.3 套筒模型参数取值

套筒模型示意图见图1。

套筒可按下列方式模拟：

套筒在PLAXIS中用板模拟，主要参数为抗弯刚度EI和轴向刚度EA，可按下列公式进行计算：

EI=Ecd3/12

(1)

EA=Ecd

(2)

其中，Ec为套筒弹性模量；d为套筒厚度,m。

水平撑和斜撑在PLAXIS中用点对点锚杆模拟，水平撑和斜撑刚度为：

khoop=(EA/R2)/(x/D)

(3)

EA=khoop×H×x

(4)

保守计算，水平撑和斜撑刚度除以3作为支撑刚度。

其中，E为套筒弹性模量；A为套筒截面面积，A=t×H；D为钻孔桩直径,m；R=D/2,m；H为水平撑间距，一般为1.0 m；t为套筒厚度,m；x为桩基间距,m。

1.4 混凝土桩模型参数取值

混凝土桩按材料模型进行模拟，采用Mohr-Coulomb 模型。

1.5 泥浆模型参数取值

泥浆对钻孔有护壁的作用。泥浆具有一定的比重，槽内泥浆液面一般高出地下水位一定高度，泥浆在槽内对槽壁产生一定的静水压力，泥浆液柱压力作用在开挖槽段土壁下，除平衡土、水压力外，还给槽壁一个向外的作用力，相当于一种液体支撑，可以防止槽壁倒塌和剥落。同时，泥浆在槽壁内的压差作用，部分水渗入地层，在槽壁表面形成一层透水性很低的固体颗粒胶结物——泥皮，可使泥浆的静水压力有效地作用于槽壁上，能防止槽壁剥落，起到护壁作用[6,7]。泥浆的液体支撑作用在PLAXIS中采用荷载的形式模拟，荷载大小为：

F=K0γh

(5)

其中，K0为泥浆的静止土压力系数；γ为泥浆的密度；h为计算点距离填土表面的深度。

另外，因泥皮透水性很低，在PLAXIS中可用板来模拟其近似不透水性，主要参数抗弯刚度EI和轴向刚度EA可取无穷小数值。

1.6 TBM隧道模型参数取值

TBM隧道在PLAXIS中用隧道来模拟，主要参数为抗弯刚度EI和轴向刚度EA，其求法同式(1)及式(2)。其中，Ec为隧道衬砌弹性模量；d为衬砌厚度,m。

1.7 分步计算

为模拟钻孔施工过程中每一步对隧道的影响，在PLAXIS中采用分步计算。分步加载及施工流程如下：

隧道施工→超载施加→安装套筒→钻孔施工→灌注混凝土。

2 工程实例

在深圳某高层建筑支护桩施工中对隧道位移进行了实测。现对比分析计算值与实测值，以验证有限元分析的准确性，为以后类似工程提供参考。

该工程距隧道最近距离为25.08 m，支护桩采用咬合桩，桩径1.5 m，桩间距1.8 m，支护桩要求进入强风化岩不小于3.0 m。

2.1 地层参数、板结构参数和锚杆参数

地层参数、板结构参数和锚杆参数如表1～表3所示。

表1 地层参数

表2 板结构参数

表3 锚杆参数

2.2 有限元结果与实测位移值对比

通过分析图2～图6结果可见，用PLAXIS进行有限分析得到的位移值较准确，其最终位移最大相对误差不超过15%，可以获得较高的精度。采用PLAXIS进行有限分析所得数值比实测值稍大，其结果相对保守。

3 结语

本文给出了在有限元分析中土体本构模型选择原则，桩基模型选择原则，套筒模型和相关参数取值原则等，并结合深圳某项目实例，通过有限元软件PLAXIS研究钻孔桩施工对已建隧道的影响。由分析结果可知：

1)在有限元模型中，除中等及微风化岩采用Mohr-Coulomb 模型外，其余土层皆采用Hardening Soil 模型。

2)在有限元模型中，泥浆的护壁作用可以用荷载加板的形式替代。

3)通过实例分析表明用PLAXIS 2D有限元模型分析桩基施工对隧道的影响是可行的，可以获得较高的精度。

[1] 杨晓杰,邓飞皇,聂 雯,等.地铁隧道近距穿越施工对桩基承载力的影响研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(6):1290-1295.

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[3] 李永盛，黄海鹰.盾构推进对相邻桩体力学影响的实用计算方法[J].同济大学学报,1997,6(3):274-280.

[4] 武亚军,栾茂田,杨 敏.深基坑土钉支护的弹塑性数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2005,24(9):1550.

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[6] 温世游,陈云敏,唐晓武.泥浆护壁过程及效果的有限元分析[J].工业建筑,2003,33(5):46-49,65.

[7] 罗云峰.地下连续墙成槽施工中的泥浆性能研究和探讨[J].岩土工程学报,2010,33(S2):47-50.

FEM analysis of the impact on the adjacent as-constructed TBM tunnel due to the installation of bored pile

Lu Zhijie

(Meinhardt(Shenzhen)Ltd,Shenzhen518033,China)

The paper adopts the finite element software, PLAXIS, sets up the numeric models for the earthwork and sleeve slurry, analyzes the influence of the bored pile construction on existing tunnels, compares the analysis results and measured data by combining with some program in Shenzhen City, and displays by the results that the FEM analysis result is consistent with the measured displacement.

bored pile, TBM tunnel, earthwork constitutive model, slurry support, finite element

1009-6825(2016)20-0162-02

2016-05-06

鲁志杰(1982- ),男，硕士，工程师

TU473.12

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