鉆孔樁施工對(duì)已建隧道影響的有限元分析

魯 志 杰

(邁進(jìn)建筑工程設(shè)計(jì)(深圳)有限公司，廣東 深圳 518033)

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鉆孔樁施工對(duì)已建隧道影響的有限元分析

魯 志 杰

(邁進(jìn)建筑工程設(shè)計(jì)(深圳)有限公司，廣東 深圳 518033)

采用有限元軟件PLAXIS，建立了土體、套筒、泥漿等數(shù)值模型，分析了鉆孔樁施工對(duì)已建隧道的影響，并結(jié)合深圳某項(xiàng)目實(shí)例，將有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)值作了對(duì)比，結(jié)果顯示所得有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)位移值較吻合。

鉆孔樁，TBM隧道，土體本構(gòu)模型，泥漿支撐，有限元

0 引言

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和高層建筑的不斷增加，越來(lái)越多的高層建筑需要修建在已建地鐵附近，這樣必然會(huì)影響到地鐵的安全與穩(wěn)定。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)主要研究隧道施工對(duì)已有樁基或臨近建筑物的影響[1-3]，較少研究樁基施工(包括樁基礎(chǔ)和基坑施工圍護(hù)樁)對(duì)已建隧道的影響，基于此，對(duì)于因樁基施工引起的已建隧道問(wèn)題必須做出深入研究。

通過(guò)PLAXIS有限元軟件研究鉆孔樁施工對(duì)已建隧道的影響，并與實(shí)測(cè)地鐵隧道位移值比較，以驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。

1 模型及參數(shù)選擇

1.1 土的本構(gòu)模型選擇

在開(kāi)挖模擬中，坑槽底部的土主要承受卸載，因而表現(xiàn)的相對(duì)較硬；墻邊的土主要承受剪切應(yīng)力，因而表現(xiàn)的剛度較小。在PLAIXS中可以選用更先進(jìn)的具有處理卸載特性的Harding Soil模型來(lái)使這些差別得到體現(xiàn)。HS 模型是由鄧肯—張(Duncan & Chang)模型推導(dǎo)而來(lái)，不同于鄧肯—張模型，HS模型使用的是塑性理論，而不是彈性理論；其次它考慮了土體的剪脹性；再次，它引入了一個(gè)屈服帽蓋。眾多工程實(shí)例表明，由于土體卸載性質(zhì)對(duì)基坑開(kāi)挖有很大影響，HS模型比摩爾—庫(kù)侖模型可以給出更真實(shí)、更可靠的模擬結(jié)果。因此選用HS模型為土體的本構(gòu)模型。

1.2 土體本構(gòu)模型參數(shù)取值

1.3 套筒模型參數(shù)取值

套筒模型示意圖見(jiàn)圖1。

套筒可按下列方式模擬：

套筒在PLAXIS中用板模擬，主要參數(shù)為抗彎剛度EI和軸向剛度EA，可按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

EI=Ecd3/12

(1)

EA=Ecd

(2)

其中，Ec為套筒彈性模量；d為套筒厚度,m。

水平撐和斜撐在PLAXIS中用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬，水平撐和斜撐剛度為：

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

(3)

EA=khoop×H×x

(4)

保守計(jì)算，水平撐和斜撐剛度除以3作為支撐剛度。

其中，E為套筒彈性模量；A為套筒截面面積，A=t×H；D為鉆孔樁直徑,m；R=D/2,m；H為水平撐間距，一般為1.0 m；t為套筒厚度,m；x為樁基間距,m。

1.4 混凝土樁模型參數(shù)取值

混凝土樁按材料模型進(jìn)行模擬，采用Mohr-Coulomb 模型。

1.5 泥漿模型參數(shù)取值

泥漿對(duì)鉆孔有護(hù)壁的作用。泥漿具有一定的比重，槽內(nèi)泥漿液面一般高出地下水位一定高度，泥漿在槽內(nèi)對(duì)槽壁產(chǎn)生一定的靜水壓力，泥漿液柱壓力作用在開(kāi)挖槽段土壁下，除平衡土、水壓力外，還給槽壁一個(gè)向外的作用力，相當(dāng)于一種液體支撐，可以防止槽壁倒塌和剝落。同時(shí)，泥漿在槽壁內(nèi)的壓差作用，部分水滲入地層，在槽壁表面形成一層透水性很低的固體顆粒膠結(jié)物——泥皮，可使泥漿的靜水壓力有效地作用于槽壁上，能防止槽壁剝落，起到護(hù)壁作用[6,7]。泥漿的液體支撐作用在PLAXIS中采用荷載的形式模擬，荷載大小為：

F=K0γh

(5)

其中，K0為泥漿的靜止土壓力系數(shù)；γ為泥漿的密度；h為計(jì)算點(diǎn)距離填土表面的深度。

另外，因泥皮透水性很低，在PLAXIS中可用板來(lái)模擬其近似不透水性，主要參數(shù)抗彎剛度EI和軸向剛度EA可取無(wú)窮小數(shù)值。

1.6 TBM隧道模型參數(shù)取值

TBM隧道在PLAXIS中用隧道來(lái)模擬，主要參數(shù)為抗彎剛度EI和軸向剛度EA，其求法同式(1)及式(2)。其中，Ec為隧道襯砌彈性模量；d為襯砌厚度,m。

1.7 分步計(jì)算

為模擬鉆孔施工過(guò)程中每一步對(duì)隧道的影響，在PLAXIS中采用分步計(jì)算。分步加載及施工流程如下：

隧道施工→超載施加→安裝套筒→鉆孔施工→灌注混凝土。

2 工程實(shí)例

在深圳某高層建筑支護(hù)樁施工中對(duì)隧道位移進(jìn)行了實(shí)測(cè)。現(xiàn)對(duì)比分析計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，以驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性，為以后類似工程提供參考。

該工程距隧道最近距離為25.08 m，支護(hù)樁采用咬合樁，樁徑1.5 m，樁間距1.8 m，支護(hù)樁要求進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖不小于3.0 m。

2.1 地層參數(shù)、板結(jié)構(gòu)參數(shù)和錨桿參數(shù)

地層參數(shù)、板結(jié)構(gòu)參數(shù)和錨桿參數(shù)如表1～表3所示。

表1 地層參數(shù)

表2 板結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 錨桿參數(shù)

2.2 有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)位移值對(duì)比

通過(guò)分析圖2～圖6結(jié)果可見(jiàn)，用PLAXIS進(jìn)行有限分析得到的位移值較準(zhǔn)確，其最終位移最大相對(duì)誤差不超過(guò)15%，可以獲得較高的精度。采用PLAXIS進(jìn)行有限分析所得數(shù)值比實(shí)測(cè)值稍大，其結(jié)果相對(duì)保守。

3 結(jié)語(yǔ)

本文給出了在有限元分析中土體本構(gòu)模型選擇原則，樁基模型選擇原則，套筒模型和相關(guān)參數(shù)取值原則等，并結(jié)合深圳某項(xiàng)目實(shí)例，通過(guò)有限元軟件PLAXIS研究鉆孔樁施工對(duì)已建隧道的影響。由分析結(jié)果可知：

1)在有限元模型中，除中等及微風(fēng)化巖采用Mohr-Coulomb 模型外，其余土層皆采用Hardening Soil 模型。

2)在有限元模型中，泥漿的護(hù)壁作用可以用荷載加板的形式替代。

3)通過(guò)實(shí)例分析表明用PLAXIS 2D有限元模型分析樁基施工對(duì)隧道的影響是可行的，可以獲得較高的精度。

[1] 楊曉杰,鄧飛皇,聶 雯,等.地鐵隧道近距穿越施工對(duì)樁基承載力的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(6):1290-1295.

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[4] 武亞軍,欒茂田,楊 敏.深基坑土釘支護(hù)的彈塑性數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(9):1550.

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[7] 羅云峰.地下連續(xù)墻成槽施工中的泥漿性能研究和探討[J].巖土工程學(xué)報(bào),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

魯志杰(1982- ),男，碩士，工程師

TU473.12

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