摘要:以南昌地鐵二號線側(cè)穿某高層樁基建筑物為背景，利用ABAQUS有限元三維建模，研究了盾構(gòu)隧道側(cè)穿建筑物樁基過程對樁基的影響。結(jié)果表明，建筑物樁基水平位移增長與其距掌子面距離有關(guān)，通常距離掌子面越近樁基變形增長越大，當距離超過一定值，隧道開挖對樁基變形幾乎無影響，隧道開挖完成后靠近隧道側(cè)樁基變形基本一致;隧道側(cè)穿建筑物樁基過程中對樁身彎矩值影響較大，對其延樁深變化規(guī)律影響較小，且距離掌子面越近彎矩值變化越大，隧道開挖完成后靠近隧道側(cè)樁身彎矩基本保持一致。

　　關(guān)鍵詞:側(cè)穿;樁基變形;樁身彎矩;傾斜;沉降

　　0引言

　　近年來我國地下軌道交通工程發(fā)展迅速，其中盾構(gòu)法施工在地鐵修建中扮演著重要角色。盾構(gòu)機掘進過程中常有側(cè)穿、下穿一些既有高層建筑物，其中不乏穿越樁基建筑物，盾構(gòu)隧道施工時會對周圍土體產(chǎn)生擾動，而引起建筑物樁基產(chǎn)生一定附加應(yīng)力和位移。因此研究盾構(gòu)隧道施工對臨近既有樁基建筑物的影響具有重要的意義。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者在盾構(gòu)隧道施工方面做了較多研究，如Katebi等[1]利用ABAQUS有限元軟件詳細分析了隧道埋深、土體參數(shù)、隧道與建筑物間距、建筑物剛度等因素對襯砌應(yīng)力及變形的影響。

　　Lambrughi等[2]利用數(shù)值計算方法結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，詳細分析了土體采用修正劍橋模型和摩爾庫倫模型時地面沉降情況，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場實測值比較，得出采用修正劍橋模型計算出的結(jié)果與現(xiàn)場實測值更加接近。Wang等[3]、賀美德等[4]以北京地鐵隧道近距離側(cè)穿高層建筑物為背景，利用有限元軟件，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，研究了盾構(gòu)隧道達到建筑物之前、側(cè)穿過程及離開后3階段，建筑物的沉降及傾斜變化規(guī)律。

　　張澤民等[5]以天津地鐵3號線下穿2座歷史風(fēng)貌建筑物為背景，采用現(xiàn)場實測的方法，研究分析了不同施工階段對建筑物變形影響的規(guī)律特點。本文以南昌地鐵2號線側(cè)穿某高層樁基建筑物為背景，利用ABAQUS有限元軟件建立了三維計算模型，分析了盾構(gòu)隧道到達建筑物樁基之前、側(cè)穿建筑物樁基過程及離開之后3個階段對樁基及建筑物沉降和傾斜的影響。

　　1工程概況

　　該工程為南昌地鐵2號線陽明路段盾構(gòu)隧道側(cè)穿鄰近既有高層樁基建筑物。鄰近建筑物為12層鋼筋混凝框架結(jié)構(gòu)，總高度為37.5m，建筑物基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為1.0m，樁長19.6m，樁基凈距為2m，矩形筏板承臺長43m，寬16m，高2.5m。盾構(gòu)隧道直徑為6m，埋深11m，與建筑物水平凈距為3.2m。

　　2數(shù)值分析

　　2.1數(shù)值模型及邊界條件

　　為消除有限元計算時邊界條件對模型應(yīng)力應(yīng)變的影響，選取模型尺寸長100m，寬60m，高40m。土體本構(gòu)模型采用修正劍橋模型。利用ABAQUS中小應(yīng)變分析及“Soils”分析步考慮土體中的流固耦合作用。土體模型包含49786個計算單元，單元計算類型為C3D8P，相對于C3D8R，C3D8P增加了孔壓自由度，以對應(yīng)本文考慮的流固耦合分析。土體四周約束其法向位移，底面約束其豎向位移，地表面設(shè)置為不排水邊界條件。

　　2.2建筑物模擬

　　建筑物為高37.5m的混凝土框架結(jié)構(gòu)，矩形筏板承臺，加上鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，三者均采用三維實體單元建模。建筑物共包含26938個計算單元，單元類型為C3D8R，并利用“Enhanced”命定控制計算過程中可能產(chǎn)生的沙漏。矩形筏板承臺與土體及樁頂面采用tie約束;樁側(cè)面與土體之間采用面-面接觸，切線方向為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.35，法向為硬接觸。建筑物本構(gòu)模型選用彈性模型，彈性模量30GPa，泊松比0.2，密度為2600kg/m3。

　　2.3隧道襯砌及盾尾注漿模擬

　　實際情況中襯砌管片施工完成后，應(yīng)及時進行盾尾注漿，以將襯砌與土體之間的間隙填充密實。本文襯砌和注漿體均采用三維實體建模，計算單元個數(shù)均為2706，單元類型C3D8R，利用“Enhanced”命定控制計算過程中可能產(chǎn)生的沙漏現(xiàn)象。

　　注漿體內(nèi)表面與襯砌外表面，及注漿體外表面與土體之間均采用tie約束。隧道襯砌計算本夠選擇彈性模型，密度為2600kg/m3，泊松比為0.2，彈性模量按如下方式選取。襯砌管片之間的接頭，引起襯砌剛度之間的不連續(xù)，而在接頭部位襯砌剛度相對較低，此問題國內(nèi)外已有學(xué)者做過相關(guān)研究，其中應(yīng)用最多是日本學(xué)者Koyama提出的將襯砌剛度折減20%～40%。

　　本文取折減系數(shù)ξ=0.3，因此折減后隧道襯砌剛度為:E=(1-ξ)Et=(1-0.3)×35000=24500(MPa)其中:E為襯砌的有效彈性模量，Et為鋼筋混凝土實際彈性模量。注漿體剛開始時較軟，彈性模量較低，隨著時間的增加而逐漸硬化，本文利用ABAQUS中溫度場變量實現(xiàn)此過程，剛開始彈性模量設(shè)置為0.1MPa，隨著時間增加彈性模量逐漸增大，最后完全硬化后彈性達到15MPa。注漿體密度為1950kg/m3，泊松比由0.42減小至0.22。

　　2.4開挖過程模擬

　　隧道開挖過程及襯砌和注漿體的施工，利用ABAQUS中生死單元功能實現(xiàn)，建筑物范圍以外開挖步長取7m，建筑物區(qū)域內(nèi)開挖步長取3m，如圖2所示。實際工程中采用土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)機刀盤表面與掌子面的土壓力保持平衡，為此每開挖完成一步，需在掌子面上施加一個梯形分布的面荷載。荷載大小為:P=207.96+20.1×(29-Z)，其中207.96kPa為隧道頂部的荷載，20.1kg/m3為隧道區(qū)域內(nèi)土體加權(quán)平均容重，29m為隧道頂部的Z坐標(Z=29～23m)，由此可計算出梯形面荷載分布為207.96～328.56kPa。

　　2.5計算模型物理力學(xué)參數(shù)

　　土體采用修正劍橋模型，此模型中包括對數(shù)硬化模量λ、對數(shù)彈性模量κ，其值可分別取為Cc/2.303、Cs/2.303，Cc、Cs為土體的壓縮指數(shù)和膨脹指數(shù);初始孔隙比e0，滲透系數(shù)k(m/s)，密度ρ(kg/m3)，泊松比ν;臨界狀態(tài)線斜率M，其值可取為M=6sin��/(3-sin��)，�紴橥馏w內(nèi)摩擦角;β為控制屈服面形狀參數(shù)，取β=1;K為三軸拉伸流動應(yīng)力與三軸壓縮流動應(yīng)力的比值(0.778≤K≤1)，本文取K=1。

　　3計算結(jié)果分析

　　盾構(gòu)隧道施工側(cè)穿樁基建筑物時，由于樁基周圍土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，而導(dǎo)致樁基產(chǎn)生附加應(yīng)力及變形，同時建筑物也會發(fā)生不均勻沉降及傾斜。為研究盾構(gòu)隧道達到建筑物樁基之前、穿越樁基過程及離開樁基后3個階段建筑物樁基的應(yīng)力及位移的變化情況，本文選取圖3中①號、②號、③號樁作為分析對象;并選取3根樁9m處的A、B、C3個點作為觀測點(由計算可知大約在9m出位移最大)。

　　4結(jié)語

　　依托南昌地鐵2號線側(cè)穿某臨近樁基建筑物，利用ABAQUS三維建模對盾構(gòu)隧道開挖過程所導(dǎo)致建筑物樁基水平位移、彎矩和建筑物傾斜及沉降的變化進行了詳細分析，得出如下結(jié)論。

　　1)建筑物樁基水平位移增長與其距盾構(gòu)隧道掌子面的距離有關(guān)，距離掌子面越近的樁基位移變化越大，且當隧道掌子面與樁基距離超過一定距離時，隧道開挖對建筑物樁基的變形幾乎無影響;隧道開挖完成后靠近隧道側(cè)建筑物樁基變形基本一致。

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　　2)隧道穿越樁基過程中對樁基彎矩大小影響較大，對樁基彎矩變化規(guī)律影響較小，且樁基距離掌子面越近，彎矩值變化越大;當隧道掌子面與樁基距離超過一定值后，隧道掘進對樁基彎矩幾乎無影響;隧道開挖完成后，靠近隧道側(cè)建筑物樁基彎矩基本一致。

　　參考文獻:

　　[1]KatebiH，RezaeiAH，Hajialilue-BonabM，etal.Assessmenttheinfluenceofgroundstratification，tunnelandsurfacebuildingsspecificationsonshieldtunnelliningloads(byFEM)[J].Tunnelling&UndergroundSpaceTechnology，2015(49):67-78.

　　[2]LambrughiA，RodríguezLM，CastellanzaR.Developmentandvalidationofa3DnumericalmodelforTBM-EPBmechanisedexcavations[J].Computers&Geotechnics，2012，40(1):97-113.

　　作者：魏正明