盾構(gòu)掘進(jìn)引起的鄰近樁基水平附加荷載分析

張潤峰，梁榮柱，張獻(xiàn)民

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盾構(gòu)掘進(jìn)引起的鄰近樁基水平附加荷載分析

張潤峰1, 2，梁榮柱3，張獻(xiàn)民1, 2

(1. 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，江蘇南京，210016；2. 中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院，天津，300300；3. 浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，浙江杭州，310058)

基于Mindlin基本解及彈性力學(xué)基本理論，考慮刀盤擠土效應(yīng)產(chǎn)生的附加推力、土體地層軟化特性且不均勻分布的盾殼摩阻力及土體損失等因素推導(dǎo)得到盾構(gòu)掘進(jìn)過程中鄰近樁基的水平附加荷載解析解答。算例分析結(jié)果表明：在方向上，盾構(gòu)刀盤到達(dá)前，鄰近樁基承受附加壓力荷載；刀盤通過樁基平面后，附加荷載轉(zhuǎn)為拉力；在盾尾通過后，樁身附加拉力荷載達(dá)到最大。在方向上，土體損失是引起樁身的附加荷載的主要因素，特別是在盾尾通過樁基平面后，對應(yīng)于隧道拱頂及拱底附近位置樁身分別承受較大的附加壓力及附加拉力荷載，這將會導(dǎo)致樁基產(chǎn)生較大的撓曲變形、彎矩及剪力，為最不利施工工況。

盾構(gòu)；推力；摩阻力；土體損失；附加荷載；樁基

在繁華密集的城市地下施工，盾構(gòu)掘進(jìn)往往不可避免穿越建筑結(jié)構(gòu)物。由于盾構(gòu)施工擾動，會對城市房屋基礎(chǔ)、天然氣管道、已有隧道、通訊管道等結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不良影響。城市房屋高樓多以樁基礎(chǔ)承載，在盾構(gòu)施工作用下，鄰近樁基礎(chǔ)產(chǎn)生附加內(nèi)力及變形，承載性狀產(chǎn)生變化，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致樁基承載失效，房屋樓房損毀。因此，研究盾構(gòu)隧道施工對樁基的影響成為目前較為緊迫的課題之一。目前，許多學(xué)者基于位移控制的“兩階段法”研究了隧道施工樁基撓曲及內(nèi)力響應(yīng)[1?6]。盾構(gòu)施工引起鄰近樁基的撓曲、剪力及彎矩的變化其本質(zhì)是荷載作用的結(jié)果，因此，亦可以通過荷載施加的方式研究盾構(gòu)施工對鄰近樁基的影響。目前只有少量學(xué)者通過荷載控制的方法研究樁基的響應(yīng)。李永盛等[7]利用彈性力學(xué)開爾文解，假定樁基為Winkler彈性地基梁，推導(dǎo)得到盾構(gòu)施工對鄰近樁基的影響。魏綱等[8]基于半空間的Mindlin彈性解，研究頂管施工對鄰近樁基附加荷載的影響，得到考慮刀盤切口、掘進(jìn)機(jī)及后續(xù)管道摩阻力引起的樁身附加荷載解答，但仍然沒有考慮到土體損失的對鄰近樁基的影響。而離心機(jī)試驗(yàn)[9?11]表明土體損失對鄰近樁基的變形及內(nèi)力有重要的影響。魏新江等[12]在前人基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮切口推力、盾殼摩阻力及土體損失等因素的共同作用，推導(dǎo)得到雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)引起鄰近樁基的附加荷載解答。本文作者在前人已有成果基礎(chǔ)上，全面考慮盾構(gòu)施工實(shí)際情況，進(jìn)一步研究盾構(gòu)掘進(jìn)施工全過程對鄰近樁基附加荷載的影響?；贛indlin彈性力學(xué)基本解，考慮盾構(gòu)施工刀盤的擠土效應(yīng)引起附加推力、不均勻分布且在軟土地層中具有軟化特性的盾殼摩阻力引起的樁基附加應(yīng)力，并結(jié)合彈性力學(xué)理論得到土體損失引起的樁基附加應(yīng)力，疊加三者得到盾構(gòu)施工全過程各個(gè)施工因素對鄰近樁基附加荷載解答。

1 盾構(gòu)施工對鄰近樁基影響的力學(xué)模型及基本假定

盾構(gòu)施工過程是一個(gè)動態(tài)三維過程，受到各種施工因素的影響，與周圍土體的作用非常復(fù)雜。本文根據(jù)盾構(gòu)施工產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，考慮主要施工因素的作用，可把盾構(gòu)施工簡化為刀盤附加推力、盾殼摩阻力及土體損失V3個(gè)因素共同作用[13?16]。盾構(gòu)推進(jìn)對樁基影響的力學(xué)模型見圖1。

為反映盾構(gòu)掘進(jìn)中主要因素對鄰近樁基附加荷載的影響及簡化計(jì)算，本文作如下假定：1) 假定土體為均質(zhì)的半無限空間線彈性體，規(guī)定壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。2) 在掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)保持水平，不考慮盾構(gòu)姿態(tài)的變化。3) 盾構(gòu)推進(jìn)為僅視為空間的變化，不考慮時(shí)間效應(yīng)。4) 切口附加推力作用面積與刀盤一致，作用方向與刀盤法向一致。5) 盾殼摩阻力沿盾殼縱向均勻分布，沿環(huán)向非均勻分布。

圖1 盾構(gòu)掘進(jìn)對樁基影響力學(xué)模型

2 盾構(gòu)推進(jìn)引起附加應(yīng)力解析解

2.1 考慮不均勻分布及具有軟化特性的摩阻力引起樁基附加應(yīng)力解

基于Mindlin彈性力學(xué)基本解[17]，可得到盾殼上任意一微小單元摩阻力dd引起樁身上任一點(diǎn) (，，)沿軸及軸的附加正應(yīng)力?及?，計(jì)算模型如圖2所示。求得：

圖2 盾構(gòu)摩阻力積分示意圖

式中：為盾構(gòu)軸線埋深，m；為盾構(gòu)半徑，m；；；為盾殼長度，m。

對式(1)和(2)積分便可求得盾殼摩阻力引起樁基上任一點(diǎn)(，，)沿軸及軸附加應(yīng)力p?(，，)及p?(，，)：

(4)

由式(1)和(2)可知：盾殼與地層摩阻力的取值對計(jì)算結(jié)果有重要的影響。魏綱等[13?15]在計(jì)算盾殼與地層摩阻力時(shí)假定其為一定值，這與實(shí)際中盾殼摩阻力非均勻分布的事實(shí)不符。由于盾殼與地層摩阻力產(chǎn)生機(jī)制與樁基中側(cè)摩阻力較為接近，可借鑒樁基中樁身摩阻力進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)ALONSO等[16]給出樁?土界面剪力計(jì)算公式，盾殼位置摩擦力為

表1 不同土體與光滑鋼材界面摩擦角取值[21]

注：′為土體有效內(nèi)摩擦角(°)。

張乾青等[18]指出在軟土地層中樁土相對位移超過其極限值后(此值一般在5~25 mm之間)，樁?土界面存在軟化現(xiàn)象。在軟土地層中，盾構(gòu)掘進(jìn)，盾殼與地層的摩擦受力機(jī)制與樁?土界面較為相似。梁榮柱等[19]指出在軟土地層中應(yīng)考慮盾殼與軟土地層的摩阻力軟化特性，并給出考慮軟化特性的摩阻力計(jì)算 公式：

式中：s為摩阻力軟化系數(shù)，即殘余摩阻力sr與極限摩阻力u的比值。張乾青等[20]在大量樁?土位移統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上建議s取值范圍為0.83~0.97。

應(yīng)該指出的是：在除軟黏土外的土體，如超固結(jié)硬粘土、砂土、粉質(zhì)黏土、角礫等土中，界面軟化效應(yīng)不明顯，計(jì)算中可不考慮。

2.2 考慮擠土效應(yīng)的盾構(gòu)刀盤附加推力引起樁基附加應(yīng)力解

基于Mindlin彈性力學(xué)基本解，可求解在任意一微小單元的切口附加推力dd作用下引起樁身任一點(diǎn)沿軸及軸的正應(yīng)力?，?，刀盤附加推力計(jì)算模型如圖3所示。求解得到：

(7)

式中：

。

對式(6)和(7)積分即可得到在切口附加推力作用下樁身上任一點(diǎn)(,,)沿軸及軸方向的附加正壓力p?(，，)及p?(，，)：

(9)

由式(6)和(7)可知：在盾構(gòu)幾何參數(shù)確定的情況下，盾構(gòu)在已知地層施工，附加推力對地層附加應(yīng)力有重要的影響。因此，準(zhǔn)確估算切口附加壓力尤為重要。在采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，王洪新[20]通過理論推導(dǎo)及現(xiàn)場試驗(yàn)，指出盾構(gòu)刀盤有明顯的擠土效應(yīng)，產(chǎn)生較大的接觸附加壓力。魏綱等[21]指出土壓盾構(gòu)擠土效應(yīng)將造成鄰近土體被擠開，向遠(yuǎn)離盾構(gòu)方向移動。侯永茂等[22]通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了王洪新理論的正確性。而現(xiàn)有研究多數(shù)假定盾構(gòu)刀盤附加壓力為20 kPa[8, 12?15]，忽略了刀盤擠土的效應(yīng)，低估了刀盤附加壓力引起地層的附加應(yīng)力。本文考慮土壓平衡盾構(gòu)擠土效應(yīng)這一實(shí)際情況，根據(jù)文獻(xiàn)[20]的理論分析給出盾構(gòu)刀盤附加接觸應(yīng)力的計(jì)算公式：

而對于泥水平衡盾構(gòu)而言，開口率幾乎為100%，式(10)右邊第1項(xiàng)為0，因此，正面附加推力可用泥水壓力與側(cè)向靜止土壓力之差求得[15]。

2.3 土體損失引起樁基附加應(yīng)力解

魏新江等[12]基于SAGASETA[24]推導(dǎo)得到隧道施工位移解的基礎(chǔ)上，通過鏡像法求解土體損失引起地層及樁基的附加應(yīng)力。但是，鏡像法求解過程極其復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用。本文采用PINTO等[25]提出的隧道施工引起地層位移解析解，避免了鏡像法解的繁瑣。PINTO等[25]假定土體損失均勻分布，在Sagaseta基礎(chǔ)上提出的隧道施工三維解析解：

(12)

(13)

式中：u，u和u分別為，和方向的位移，m；2D為土體損失(2D=2π)，m3/m；為隧道與周圍土體間隙，m；loss為土體損失率，%；；R為隧道外徑，m；

；

，。

通過彈性力學(xué)理論[26]，對各方向位移微分則得到各方向的應(yīng)變?yōu)?/p>

根據(jù)彈性力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可求解土體損失作用下樁基附加應(yīng)力：

(15)

式中：為彈性模量；為剪切剛度。

2.4 盾構(gòu)施工引起樁基水平附加應(yīng)力

疊加正面附加推力、盾殼與周圍土體的摩阻力及土體損失引起的及軸方向的附加應(yīng)力，最終得到盾構(gòu)掘進(jìn)過程中引起的及軸方向總附加應(yīng)力解答：

(18)

把得到的附加應(yīng)力乘以樁基直徑，就得到樁基在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中所受到的附加線性荷載：

(20)

式中：p和p分別為和方向樁基受到的附加線荷載，kN/m；D為樁基直徑，m。

3 算例分析

以杭州地鐵二號線某區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)為例，分析盾構(gòu)掘進(jìn)引起已有樁基水平向附加應(yīng)力。盾構(gòu)外徑為6.34 m，機(jī)身長為8.68 m。隧道管片為預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片外徑R為6.20 m，管片壁厚為350.00 mm。區(qū)間以軟土地層為主，盾構(gòu)主要在淤泥質(zhì)黏土中掘進(jìn)，盾構(gòu)軸線位置為14.60 m。地層剖面見圖4(a)，土體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表2。距離最近的橋梁樁基與盾構(gòu)外殼相距僅為1.00 m，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注施工，樁長p為30.00 m，樁徑p為1.00 m。盾構(gòu)與樁基平面位置如圖5(b)所示。

(a) 剖面圖；(b) 平面圖

表2 場地主要土層物理力學(xué)性能

相關(guān)參數(shù)取值如下：地層平均不排水彈性模量取11.0 MPa，平均泊松比取0.3，靜止側(cè)向土壓力系數(shù)0取0.57，盾構(gòu)與周圍土體界面有效摩擦角′取9°，摩阻力軟化系數(shù)s取0.97。由實(shí)測地表沉降反算得到土體損失率V為1%，得到土體損失2D為0.30 m3/m。由盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)測系統(tǒng)得到盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)如下：盾構(gòu)平均掘進(jìn)速度為=70 mm/min，開口率=40%，閉口條幅數(shù)=12，盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速為=0.168 rad/min，切口切入土體產(chǎn)生的擠壓力取20 kPa。則由式(10)可得：擠土效應(yīng)引起的切口附加推力為227 kPa。

3.1 刀盤推力引起鄰近樁基附加荷載

在盾構(gòu)刀盤推力作用下鄰近樁基方向附加荷載p分布如圖5所示。與坐標(biāo)軸一致，當(dāng)＞0時(shí)，表示刀盤在樁基所在平面后方；當(dāng)＜0時(shí)，表示刀盤在樁基平面前方；當(dāng)＞0時(shí)，在刀盤推力作用下，樁身中部承受附加壓力荷載。附加壓力荷載隨著盾構(gòu)接近而不斷增大。當(dāng)?shù)侗P在樁基后方與樁基相距(盾構(gòu)外徑)時(shí)，樁身附加壓力達(dá)到最大，最大附加壓力荷載位于與盾構(gòu)軸線成一致的樁身位置處，其值為19 kN/m。當(dāng)樁基與盾構(gòu)刀盤位于同一平面時(shí)(=0)，樁基附加壓力為0 kN/m。在刀盤通過樁基后，樁身上部產(chǎn)生壓力荷載，樁身中部位置產(chǎn)生附加拉力荷載，在刀盤遠(yuǎn)離樁基，距離為時(shí)，拉力荷載達(dá)到最大值，之后隨著盾構(gòu)遠(yuǎn)離而逐漸減小。

x：1—4R；2—R；3—0；4—?R；5—?3R；6—4R。

盾構(gòu)推力作用下鄰近樁基方向附加荷載p?y分布如圖6所示。從圖6可見：刀盤與樁基距離大于4時(shí)，樁基方向承受的附加壓力較小，幾乎可以忽略不計(jì)；當(dāng)?shù)侗P與樁基相距時(shí)，在樁身中部產(chǎn)生壓力荷載，并在與盾構(gòu)軸線相同位置處達(dá)到峰值8.5 kN/m；當(dāng)?shù)侗P與樁基位于同一平位置時(shí)(=0)，樁基附加荷載為0 kN/m。在刀盤通過樁基1后，與盾構(gòu)軸線同一位置處，樁基產(chǎn)生拉力荷載并達(dá)到峰值?8.5 kN/m。隨著盾構(gòu)脫開樁身平面(＜?3)，樁身附加荷載幾乎可以忽略不計(jì)。

x：1—4R；2—R；3—0；4—?R；5—?3R；6—4R。

1—pq?x；2—pq?y。

在樁身=14.6 m 處，(即與盾構(gòu)軸線同一水平位置)，刀盤附加推力引起的附加線荷載p和p沿掘進(jìn)方向分布如圖7所示。由圖7可見：附加線荷載p和p沿掘進(jìn)方向均呈“S”形分布，在刀盤前方引起附加壓力荷載，而在刀盤后方引起附加拉力荷載。不同的是：附加線荷載p最大值在距盾構(gòu)刀盤約為的位置，而附加線荷載p最大值位置在盾構(gòu)前方1 m處。刀盤附加推力引起的兩方向附加線荷載在達(dá)到峰值后，迅速衰減，其中方向附加荷載作用范圍為(?6，6)，大于方向作用范圍(?2，2)。

3.2 盾殼摩阻力引起鄰近樁基附加荷載

在盾殼摩阻力作用下鄰近樁基方向附加荷載p?x分布如圖8所示。從圖8可見：當(dāng)盾構(gòu)刀盤在樁基后方時(shí)，樁身上產(chǎn)生壓力附加荷載，附加荷載呈“正態(tài)分布”形態(tài)，最大附加壓力荷載值與盾構(gòu)軸線同一位置，樁身附加壓力荷載大小隨刀盤臨近而增加；當(dāng)盾構(gòu)刀盤與樁基位于同一平面時(shí)(=0)，樁身附加壓力荷載達(dá)到最大值，最大壓力荷載為12.7 kN/m；隨著刀盤遠(yuǎn)離，樁基附加壓力荷載減少；當(dāng)盾尾完全通過樁身后(<－3)，摩阻力在樁身產(chǎn)生拉力荷載，并達(dá)到最大拉力荷載位置與盾構(gòu)軸線一致，最大拉力荷載為12.8 kN/m。在隨著盾構(gòu)進(jìn)一步遠(yuǎn)離樁基，樁身附加拉力荷載進(jìn)一步減小。

x：1—4R；2—R；3—0；4—?R；5—?3R；6—4R。

在盾殼摩阻力作用下，鄰近樁基方向附加荷載p?y分布如圖9所示。從圖9可見：當(dāng)?shù)侗P位于樁基后方時(shí)，隨著盾構(gòu)刀盤接近樁身，盾殼摩阻力引起樁身附加壓力荷載；當(dāng)?shù)侗P與樁基位于同一平面時(shí)(=0)，樁身附加壓力荷載達(dá)到最大(3.6 kN/m)，最大附加壓力位于樁身下15 m處，在盾構(gòu)軸線位置下位置，這是盾殼摩阻力分布不均勻所導(dǎo)致；隨著盾構(gòu)遠(yuǎn)離樁基，附加壓力荷載逐漸減少，當(dāng)盾尾完全離開樁基時(shí)(＜?3)，樁身產(chǎn)生最大拉力荷載，拉力荷載最大值位于樁身17 m處，最大值為?2.8 kN/m；隨著盾尾遠(yuǎn)離樁基，附加拉力荷載逐漸減少。

x：1—4R；2—R；3—0；4—?R；5—?3R；6—4R。

1—pf?x；2—pf?y。

在盾構(gòu)摩阻力作用下，對應(yīng)于盾構(gòu)軸線位置(=14.6 m)處樁身附加荷載分布隨盾構(gòu)掘進(jìn)過程變化如圖10所示。從圖10可見：方向附加荷載p?x隨刀盤掘進(jìn)距離呈現(xiàn)“S”分布；刀盤與樁基平面距離?/2處為分界點(diǎn)(為盾構(gòu)長度)，當(dāng)＞?/2引起附加壓力荷載，當(dāng)＜?/2引起附加拉力荷載；當(dāng)?shù)侗P與樁基位于同一平面時(shí)(=0)，附加壓力荷載p?x達(dá)到最大值；在盾尾脫開樁基所在平面時(shí)(＜?3)，附加拉力荷載到達(dá)最大值；而方向附加荷載p?x產(chǎn)生的附加荷載作用范圍及大小較小，其影響可忽略。

3.3 土體損失引起鄰近樁基附加荷載

在土體損失作用下鄰近樁基方向附加荷載p?x隨盾構(gòu)掘進(jìn)過程變化較為復(fù)雜，其分布如圖11所示。從圖11可見：在盾尾脫離樁基前(＞?3)，附加線荷載沿樁身呈現(xiàn)“之”字形分布，以盾構(gòu)軸線位置為分界點(diǎn)，在軸線上部樁基承受附加壓力荷載，而軸線下部承受附加壓力荷載，在相對應(yīng)盾構(gòu)上部及下部位置，附加壓、拉荷載達(dá)到最大值；隨著盾尾的臨近，附加荷載值增大；在盾尾完全脫開樁基平面時(shí)(＜?3)，樁身附加荷載產(chǎn)生突變：上部附加壓力荷載轉(zhuǎn)化為附加拉力荷載，而下部附加拉力荷載轉(zhuǎn)變?yōu)楦郊訅毫奢d。由此可見，在盾尾脫開樁基平面為較為不利工況，易于引起樁身變形及內(nèi)力突變。

x：1—4R；2—R；3—0；4—?R；5—?3R；6—4R。

z/m：1—11.0；2—14.6；3—18.0。

圖12給出不同樁身位置處附加荷載p的隨盾構(gòu)推進(jìn)的變化情況。由圖12可見：樁身=11.0 m(與隧道拱頂同一位置)處附加壓力荷載在刀盤通過樁身平面約2后達(dá)到最大值25 kN/m，在盾尾通過樁基平面過程中，附加荷載產(chǎn)生突變，由附加壓力荷載轉(zhuǎn)化為附加拉力荷載，并在盾構(gòu)通過約后達(dá)到峰值，隨后迅速衰減；在樁身=18.0 m(與隧道拱底位置)處的變化與=11.0 m處變化恰好相反，附加荷載由拉力荷載突變?yōu)閴毫奢d，其最大值位置均與=11.0 m相同。在盾構(gòu)軸線位置同一位置處=14.6 m樁身在盾尾通過前產(chǎn)生附加拉力荷載，并在盾尾通過時(shí)達(dá)到峰值，隨后隨著盾尾通過2后，變成附加拉力荷載。

在土體損失作用下鄰近樁基方向附加荷載p?y分布如圖13所示。由圖13可見，在盾尾脫開樁基平面前(＞?3)樁身附加荷載p?y數(shù)值較小，在盾構(gòu)脫開樁基所在平面后(＜?3)，作用在樁身附加荷載突然增大，最大附加壓力及拉力荷載值分別對應(yīng)于=13 m及=16 m位置。圖14所示為樁身不同位置處由土體損失引起附加荷載隨盾構(gòu)推進(jìn)變化。由圖14可見：隨著盾尾脫離樁基所在平面附加荷載迅速增大，其中最大附加壓力荷載及附加拉力荷載達(dá)到261 kN/m 及?228 kN/m。這將引起樁身產(chǎn)生大的撓度及彎矩。LEE等[9]通過離心試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在土體損失作用下，隧道拱底及拱底位置的樁身產(chǎn)生正負(fù)彎矩值達(dá)到最大。CHENG等[27]通過位移控制有限元分析得到相似的結(jié)果。因此，在盾構(gòu)剛脫離樁基所在平面時(shí)，樁基將承受較大的彎矩及剪力作用，為最不利工況，在實(shí)際施工過程可以通過注漿等手段嚴(yán)格控制土體損失對樁基的不良影響。

x：1—4R；2—R；3—0；4—?R；5—?3R；6—4R。

z/m：1—13.0；2—14.6；3—16.0。

3.4 各個(gè)因素共同作用下樁基附加荷載

疊加上述各個(gè)因素可以得到在盾構(gòu)施工過程中刀盤附加推力、盾殼摩阻力及土體損失共同作用下樁基方向附加荷載分布，結(jié)果如圖15所示。從圖15可見：刀盤在樁身水平面后方時(shí)，樁身受附加壓力荷載作用；在=位置，樁身中部附加荷載達(dá)到最大值(約20 kN/m)；隨著盾構(gòu)遠(yuǎn)離樁基，樁身附加壓力荷載轉(zhuǎn)化為附加拉力荷載，在盾尾剛通過樁基時(shí)(=?3)，樁身附加拉力荷載達(dá)到最大值?48 kN/m，最大附加荷載位于盾構(gòu)軸線附近。隨著盾構(gòu)進(jìn)一步遠(yuǎn)離樁身，樁身附加拉力荷載逐漸減小。

隨盾構(gòu)掘進(jìn)各因素對樁身=14.6 m處附加荷載p的影響如圖16所示。由圖16可見：在盾構(gòu)到達(dá)前附加荷載以壓力荷載為主，而隨著切口通過后，附加荷載變?yōu)閴毫奢d。由于各個(gè)因素在盾尾通過后均引起樁基附加拉力荷載，其值大于刀盤到達(dá)前引起的附加壓力荷載，因此，為最不利工況。

x：1—4R；2—R；3—0；4—?R；5—?3R；6—4R。

1—推力；2—摩阻力；3—土體損失；4—共同作用。

圖17所示為盾構(gòu)掘進(jìn)過程樁身附加荷載p的分布情況，各因素作用下對樁身為13 m和16 m處附加線荷載的影響如圖18所示。對比圖17與圖18可知：在盾尾通過后(＜?3)，道土體損失率為附加線荷載p的主導(dǎo)因素；在與隧道拱頂線附近位置處的樁身截面上方產(chǎn)生較大的附加壓力荷載，而與隧道拱底線附加位置處產(chǎn)生較大的附加拉力荷載。因此，在盾尾通過樁基平面為最不利工況，樁身將產(chǎn)生較大的撓曲變形、剪力及彎矩，嚴(yán)重情況下將引起樁身失穩(wěn)。

x：1—4R；2—R；3—0；4—?R；5—?3R；6—4R。

1—推力；2—摩阻力；3—土體損失；4—共同作用。

4 結(jié)論

1) 鄰近樁基所受到附加荷載的大小及方向與盾構(gòu)相對位置密切相關(guān)。在方向上，盾構(gòu)到達(dá)前樁基受到以壓力為主的附加荷載，隨著盾構(gòu)刀盤遠(yuǎn)離樁基所在平面，樁身產(chǎn)生拉力荷載。在方向上，樁身附加荷載水平由土體損失產(chǎn)生的附加荷載主導(dǎo)，在盾尾通過樁基所在平面時(shí)，樁身在對應(yīng)隧道拱底、拱底位置分別產(chǎn)生較大的附加壓力、拉力荷載，將會導(dǎo)致樁基產(chǎn)生較大撓曲變形及剪力，為最不利工況。

2) 進(jìn)一步考慮在土壓平衡盾構(gòu)刀盤在掘進(jìn)過程中，刀盤的擠土效應(yīng)，及盾殼摩阻力不均勻分布及軟化特性的情況，使得計(jì)算結(jié)果更加貼近盾構(gòu)施工實(shí)際情況。

3) 盾構(gòu)掘進(jìn)過程中引起鄰近樁基的附加荷載研究，是進(jìn)一步研究盾構(gòu)施工過程樁基內(nèi)力及變形響應(yīng)的理論基礎(chǔ)，亦可為盾構(gòu)掘進(jìn)鄰近樁基保護(hù)提供理論依據(jù)。本研究僅在均質(zhì)地層條件下討論盾構(gòu)掘進(jìn)對鄰近樁基的附加荷載的影響，可進(jìn)一步推廣到非均質(zhì)地層中。

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(編輯 陳愛華)

Analysis on lateral additional loads on adjacent pile induced by shield advancing

ZHANG Runfeng1, 2, LIANG Rongzhu3, ZHANG Xianmin1, 2

(1. College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;2. Airport College, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China;3. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

The analytical solutions of the lateral additional loads on adjacent pile induced by shield advancing process were derived on the basis of Mindlin’s solutions and the basic theory of elasticity. The proposed analytical solutions take full accounts of the additional thrust induced by compacting effects of the bulkhead, non-uniform distributed shield shell friction forces with softening property in soft soil ground and soil loss caused by shield over-excavation. The proposed solutions were verified by sample analysis. The analyzed results indicate that on the-direction, the adjacent pile suffers additional pressure when the shield is approaching. During the passing of the bulkhead of the shield, the additional squeeze pressure transforms into additional tension pressure. Its values reach the maximum as the shield tail just leaves the pile. On the other hand, the soil loss is the main reason to generate the additional loads on the pile on-direction. In particular, the depths of pile shaft that corresponds to the tunnel crown and invert lines level support lager magnitude of additional squeeze pressure and tension loads, respectively, which lead to excessive deflection, bending moments and shears on the pile shaft. Therefore, it is the most adverse condition for shield advancing an adjacent pile foundation.

shield tunnel; thrusts; shield shell friction forces; soil loss; additional loads; pile foundation

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.027

TU455

A

1672?7207(2017)02?0473?11

2016?03?15；

2016?06?29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472284，U1234204)(Projects(41472284, U1234204) supported by the National Natural Science Foundation of China)

張潤峰，博士研究生，從事道路與鐵道工程研究；E-mail：cauczrf@126.com