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CN107330194B - 盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法 - Google Patents

盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法 Download PDF

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CN107330194B
CN107330194B CN201710530270.7A CN201710530270A CN107330194B CN 107330194 B CN107330194 B CN 107330194B CN 201710530270 A CN201710530270 A CN 201710530270A CN 107330194 B CN107330194 B CN 107330194B
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Abstract

本发明公开了一种盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，所述方法包括：建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，对地表土体、隧道侧边土体的参数进行分析，得到隧道开挖对周围土体的影响情况；建立盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型，对隧道开挖过程中和结束后的群桩各参数进行分析，得到各桩基的位置对群桩各参数的影响情况；通过改变群桩的桩长、桩间距，对隧道开挖过程中的群桩各参数进行分析，得到群桩中桩长和桩间距对各桩基在隧道开挖过程中的影响情况；对实际盾构隧道开挖工程中的邻近群桩基础进行保护。本发明通过模拟分析得到盾构隧道开挖对邻近群桩基础的影响情况，可以广泛应用到实际盾构隧道开挖工程中。

Description

盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法
技术领域
本发明涉及一种数值模拟分析方法，尤其是一种盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，属于盾构施工对邻近群桩基础影响的分析领域。
背景技术
近些年来，随着经济的日益繁荣，中国的城市化水平取得了较大的突破。作为新时代的交通工具之一，地铁在改善和解决城市交通拥堵问题上占据着不可或缺的地位。目前，大规模的地铁扩建工程在全国各大城市仍在如火如荼地进行着。
在地铁设计与施工过程中，受到现实行车路线、市政管道网和已有建筑物基础等条件的限制，通常会出现各种各样复杂的工程问题，而在这众多问题中，隧道开挖对临近建筑物群桩基础的影响问题则最为经典。
当前，面对越来越复杂的城市建筑环境，城市地铁线路的设计规划就变得越来越艰难，而地铁的建设就会不可避免地近接或穿过已有建筑物的桩基。盾构隧道的施工必然会对邻近的桩基础产生影响，同时隧道施工导致的围岩变形将影响到邻近建筑物群桩基础。具体来说，盾构隧道近接或穿过已有建筑物桩基时，会引起桩基周围的土体发生扰动，从而引起桩基产生附加内力以及附加位移，导致桩基发生弯曲和沉降，进而减弱桩基的承载力。最后会导致建筑物的倾斜、开裂等病害，情况严重的甚至会使建筑物发生倾覆或者倒塌，严重威胁人民生命财产安全。
因此，如何在地铁修建过程中，准确预测盾构隧道施工对邻近建筑物群桩基础的影响，并提前做好相应的保护措施，最大程度降低盾构隧道施工对周围建筑物产生的不利影响，就成了当前急需解决的问题，同时对指导将来隧道的设计和施工具有非常重要的现实意义。
目前，对于隧道开挖对邻近桩基础影响的研究方法通常采用两阶段分析法，所谓两阶段分析法，就是把盾构隧道开挖对邻近桩基的影响分为两个阶段研究：第一个阶段，则先不考虑隧道开挖对桩基的影响，而是运用有限差分等数值模拟方法或经验法分析隧道施工对周边土层的影响；第二个阶段则是在第一个阶段的前提下，把第一个阶段所得的结果作为研究的边界条件，把桩基周边土层的变形作用到桩体上，仅仅考虑土层和桩基的相互作用，并运用解析法、半解析法或者其他数值模拟方法研究桩体的内力和变形。虽然两阶段分析法操作简单，研究人员容易上手，但是这种方法没有考虑土体、桩基和隧道之间的相互作用，得出的结果并没有反映实际工程中隧道开挖对邻近桩基的动态影响，还不能广泛应用到实际工程中。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，该方法可以通过模拟分析得到盾构隧道开挖对邻近群桩基础的影响情况，从而对实际盾构隧道开挖工程中的邻近群桩基础进行保护。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，所述方法包括以下步骤：
S1、建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，将数值模拟和Peck经验公式计算得到的地表土体沉降槽进行比较，以及对地表土体的水平位移、隧道侧边土体的竖向位移和水平位移进行分析，得到隧道开挖对周围土体的影响情况；
S2、建立盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型，对隧道开挖过程中和隧道开挖结束后的群桩竖向位移、群桩水平位移、群桩轴向应力和群桩切应力进行分析，得到隧道开挖过程中和隧道开挖结束后各桩基的位置对竖向位移、水平位移、轴向应力、切应力的影响情况；
S3、通过改变群桩的桩长、桩间距，对隧道开挖过程中的群桩竖向位移、群桩水平位移、群桩轴向应力和群桩切应力进行分析，得到群桩中桩长和桩间距对各桩基在隧道开挖过程中的影响情况；
S4、根据隧道开挖对周围土体的影响情况，隧道开挖过程中和隧道开挖结束后各桩基的位置对竖向位移、水平位移、轴向应力、切应力的影响情况，以及群桩中桩长和桩间距对各桩基在隧道开挖过程中的影响情况，对实际盾构隧道开挖工程中的邻近群桩基础进行保护。
进一步的，步骤S1中，所述建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，具体包括：
S11、根据盾构隧道施工段的地质分层，选取各土层的材料参数；
S12、通过FLAC3D软件中的fix命令约束模型的边界条件；
S13、通过FLAC3D软件中set grav命令对地层赋值重力，并设置土体模型内部的自重应力，使地层达到初始平衡；
S14、采用FLAC3D有限差分法，取Y轴正方向为盾构隧道开挖的前进方向，地表的外法线方向为Z轴正方向，水平面右方向为X轴正方向，对隧道进行模拟，建立土体模型；
S15、根据各土层的材料参数、模型的边界条件和自重应力，通过FLAC3D软件中的solve命令，使土体模型的初始状态达到平衡；
S16、对盾构隧道开挖进行模拟，得到盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型。
进一步的，步骤S16中，所述对盾构隧道开挖进行模拟，具体包括：
a、利用FLAC3D软件中的shell单元模拟支护单元，对盾构开挖进行超前支护；
b、利用FLAC3D软件中的null单元对隧道进行逐步模拟开挖，设y＝0为开挖面，每步向前开挖2m，即两个衬砌单元长度；
c、在开挖完一步后，进行下一步开挖前，同样进行超前支护；此时，拆除上一步的超前支护，同时浇上混凝土衬砌和注浆层；
d、重复步骤a～c，直至盾构隧道开挖完成。
进一步的，所述各土层的材料参数包括厚度h、体积模量K、剪切模量G、内摩擦角
Figure GDA0002398145410000031
和粘聚力C，所述超前支护、混凝土衬砌和注浆层的材料包括厚度h、体积模量K、剪切模量G和重度γ；所述体积模量K和剪切模量G通过下式进行转化：
Figure GDA0002398145410000032
Figure GDA0002398145410000033
其中，E表示弹性模量，v表示泊松比。
进一步的，所述土体模型中，土体采用brick单元来模拟，隧道采用cylinder单元来模拟，衬砌和注浆层采用shell单元来模拟，隧道周边的土体采用radcylinder单元来模拟。
进一步的，步骤S2中，所述建立盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型，具体包括：
S21、根据盾构隧道施工段，选取群桩的承台和桩基材料及其参数；
S22、采用FLAC3D有限差分法，取Y轴正方向为盾构隧道开挖的前进方向，地表的外法线方向为Z轴正方向，水平面右方向为X轴正方向，对隧道和群桩进行模拟，并使承台顶面与地表齐平，建立桩基土体模型；
S23、通过FLAC3D软件中fix命令进行约束；
S24、对盾构隧道开挖进行模拟，得到盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型。
进一步的，步骤S24中，所述对盾构隧道开挖进行模拟，具体包括：
a、开挖前，对模型进行初始地应力平衡，即将此前因土层、桩基自身重力导致的土体位移清零；
b、利用FLAC3D软件中的shell单元模拟支护单元，对盾构开挖做超前支护；
c、利用FLAC3D软件中的null单元对隧道进行逐步模拟开挖，设y＝0为开挖面，每步向前开挖2m，即两个衬砌单元长度；
d、在开挖完一步后，进行下一步开挖前，同样需进行超前支护；此时，拆除上一步的超前支护，同时浇上混凝土衬砌和注浆层；
e、重复步骤b～d，直至盾构隧道开挖完成。
进一步的，所述群桩的承台材料采用C40砼，所述群桩的桩基材料采用C30砼，群桩的承台和桩基材料参数包括体积模量K、剪切模量G、泊松比υ和重度γ；所述超前支护、混凝土衬砌和注浆层的材料参数包括厚度h、体积模量K、剪切模量G和重度γ；所述体积模量K和剪切模量G通过下式进行转化：
Figure GDA0002398145410000034
Figure GDA0002398145410000041
其中，E表示弹性模量，v表示泊松比。
进一步的，所述桩基土体模型中，土体采用brick单元来模拟，隧道和桩单元采用cylinder单元来模拟，衬砌和注浆层采用shell单元来模拟，桩基承台和隧道周边的土体采用radcylinder单元来模拟。
进一步的，所述盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型中，土体的本构模型采用摩尔-库伦模型，土体和衬砌采用实体单元进行模拟；
所述盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型中，土体的本构模型采用摩尔-库伦模型，桩结构的本构模型采用各向同性的弹性模型，土体、衬砌和桩单元均采用实体单元进行模拟。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明方法通过建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，在分析后得到隧道开挖对周围土体的影响情况，通过建立盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型，在分析后得到隧道开挖过程中和隧道开挖结束后各桩基的位置对竖向位移、水平位移、轴向应力、切应力的影响情况，然后通过改变群桩的桩长、桩间距，对隧道开挖过程中的群桩各参数进行分析，得到群桩中桩长和桩间距对各桩基在隧道开挖过程中的影响情况；对实际盾构隧道开挖工程中的邻近群桩基础进行保护。
附图说明
图1为本发明实施例的数值模拟分析方法流程图。
图2为本发明实施例的隧道结构示意图。
图3为本发明实施例的土体模型边界条件示意图。
图4为本发明实施例的土体模型图。
图5为本发明实施例土体模型的最大不平衡力收敛图。
图6a为本发明实施例的隧道开挖一步的示意图。
图6b为本发明实施例的超前支护的示意图。
图6c为本发明实施例的注浆及衬砌支护示意图。
图7a为本发明实施例的盾构隧道开挖后的隧道横向沉降槽示意图。
图7b为本发明实施例的盾构隧道开挖后的隧道纵向沉降槽示意图。
图8为本发明实施例的数值模拟结果与Peck经验公式计算结果得到的地表土体沉降槽的对比图。
图9为本发明实施例的地表土体水平位移曲线图。
图10为本发明实施例的在X＝-3m处的土体竖向位移曲线图。
图11为本发明实施例的在X＝-3m处的土体水平位移曲线图。
图12为本发明实施例的桩基土体模型示意图。
图13a为本发明实施例的桩基土体模型中群桩与隧道位置关系一般透视图。
图13b为本发明实施例的桩基土体模型中群桩与隧道位置关系侧面透视图。
图14a为本发明实施例的桩基土体模型边界条件的正面透视图。
图14b为本发明实施例的桩基土体模型边界条件的俯视图。
图15为本发明实施例的桩基土体模型某一步开挖过程图。
图16a为采用两阶段法和数值模拟方法计算盾构隧道开挖引起邻近群桩基础前排桩A11和后排桩B12竖向位移的对比图。
图16b为采用两阶段法和数值模拟方法计算盾构隧道开挖引起邻近群桩基础前排桩A11和后排桩B12轴向应力的对比图。
图17a为本发明实施例的盾构隧道开挖至一半群桩的竖向位移图；
图17b为本发明实施例的盾构隧道开挖完后群桩的竖向位移图。
图18a为本发明实施例的盾构隧道开挖至一半群桩的水平位移图；
图18b为本发明实施例的盾构隧道开挖完后群桩的水平位移图。
图19a为本发明实施例的盾构隧道开挖至一半群桩轴向应力图；
图19b为本发明实施例的盾构隧道开挖完后群桩轴向应力图。
图20a为本发明实施例的盾构隧道开挖至一半群桩切应力图；
图20b为本发明实施例的盾构隧道开挖完群桩切应力图。
图21a为本发明实施例的桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中前排桩A11的竖向位移图；
图21b为本发明实施例的桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中后排桩B12的竖向位移图。
图22a为本发明实施例的桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中前排桩A11的水平位移图；
图22b为本发明实施例的桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中后排桩B12的水平位移图。
图23a为本发明实施例的桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中前排桩A11的轴向应力图；
图23b为本发明实施例的桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中后排桩B12的轴向应力图。
图24a为本发明实施例的桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中前排桩A11的切应力图；
图24b为本发明实施例的桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中后排桩B12的切应力图。
图25a为本发明实施例的桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中前排桩A11的竖向位移图；
图25b为本发明实施例的桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中后排桩B12的竖向位移图。
图26a为本发明实施例的桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中前排桩A11的水平位移图；
图26b为本发明实施例的桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中后排桩B12的水平位移图。
图27a为本发明实施例的桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中前排桩A11的轴向应力图；
图27b为本发明实施例的桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中后排桩B12的轴向应力图。
图28a为本发明实施例的桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中前排桩A11的轴向应力图；
图28b为本发明实施例的桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中后排桩B12的切应力图。
具体实施方式
实施例：
本实施例以广州地铁三号线某盾构隧道施工段工程为例，借助有限差分软件FLAC3D进行模拟。
如图1所示，本实施例的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，包括以下步骤：
1)建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，将数值模拟和Peck经验公式计算得到的地表土体沉降槽进行比较，对地表土体的水平位移、隧道侧边土体的竖向位移和水平位移进行分析，得到隧道开挖对周围土体的影响情况；
1.1)建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型
盾构法施工引起土体沉降主要有以下两个方面的原因。一是盾构隧道开挖过程中对隧道周围土体造成扰动，使得地层损失，周围土体从而产生沉降；二是盾构隧道开挖后，之前受到扰动的土体再固结引起土体沉降，从而造成地层损失。
本实施例利用FLAC3D软件建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)3D是利用连续介质的快速拉格朗日法迭代原理计算的三维有限差分软件，能够较好模拟计算三维岩体、土体及其他介质中工程结构的受力与变形形态。
FLAC3D相对于其他有限元软件，它的操作界面较简洁，且容易上手，主要计算特点有三个，如下：
A、采用“混合离散法”(Marti and Cundall，1982)来模拟塑性破坏和塑性流动，这比传统的有限元软件采用的“离散集成法”更为准确和合理；
B、采用动态运动方程求解，克服了模拟静态系统过程中FLAC3D模拟物理上的不稳定过程时数值上的障碍；
C、采用显式差分法求解微分方程，尤其是在求解大变形问题时，可采用小变形本构关系，再将各时步的变形叠加起来，便可以巧妙地得到大变形的解。
在运用FLAC3D进行数值模拟时，必须指定三个基本部分，即：有限差分网格；材料特性和本构关系；边界和初始条件，各部分详细介绍如下：
A、有限差分网格：用来定义分析模型的几何形状。通过网格生成器gen，可以匹配、连接之前生成的局部网格，最后生成所要求的三维结构网格，网格位置通过整体坐标系x，y，z来确定。网格包含节理单元，即界面单元，通过这种单元可以模拟不同材料之间的界面特性。
B、材料特性和本构关系：用来表征模型在外力作用下的力学响应特性。FLAC3D中包含12种材料模型，分别是1个开挖模型(null)、3个弹性模型(各向同性模型、横向各向同性模型和正交各向异性模型)和8个塑形模型(Morh-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、应变硬化/软化模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型、遍布节理模型、双屈服模型、霍克-布朗模型和修正的剑桥模型)。
C、边界和初始条件：用来定义模型的初始状态。包括重力以下地下水位等，且可以自由设定变化梯度。
本实施例所建立的盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，土体的本构模型采用摩尔-库伦模型(Mohr-Coulomb Model)，土体和衬砌采用实体单元进行模拟，具体建立过程包括：
1.1.1)各土层的材料参数
根据上述广州地铁三号线某盾构隧道施工段工程的相关勘察资料，该盾构隧道施工段地质分层自上而下依次为人工填土、粉粘性土、全风化层、强风化层和微风化层。为了方便计算，假设各土层均为水平均质分布，其中各土层的材料参数如下表1所示。
Figure GDA0002398145410000071
表1各土层的材料参数
FLAC3D有限差分程序中，主要的材料物理参数为K和G，即体积模量和剪切模量，而不是一般的弹性模量E和泊松比v表示，所以需要对E和v进行转化，它们之间的关系如下：
Figure GDA0002398145410000081
Figure GDA0002398145410000082
隧道埋深(隧道中心轴线到地层表面的距离)H＝17米，即隧道处在土层全风化层和强风化层之间，隧道外半径R＝3米，隧道结构如图2所示。
1.1.2)边界条件
因为该隧道埋深较浅，且为了建模的方便，所以忽略掉地层的构造应力，只考虑土体的自重和地层的应力，从而使地层达到平衡状态。
土体模型的边界条件可以通过FLAC3D程序中fix命令来进行约束，且做以下设定：在X＝-25m、X＝25m、Y＝0m和Y＝50m四个面上添加法向约束，在Z＝-33m面上添加固定约束，Z＝17m(上表面)为自由边界。土体模型边界条件如图3所示。
1.1.3)初始应力
地层应力的处理问题上，本实施例忽略了土体的孔隙水压力，只考虑地层的重力，通过FLAC3D程序中set grav命令对地层赋值重力。此外，若没有对土层施加初始应力，则土体模型会在自身重力的作用下运动，直至模型反作用力才逐渐达到平衡，而这个过程通常是比较花时间的。因此除了对地层赋值重力外，还要设置土体模型内部的自重应力，使地层达到初始平衡。
地层的初始应力包括竖向应力σz和水平应力σx和σy，可通过以下公式求解：
σz＝σ0+∑γihi (3)
σx＝σy＝K0σz (4)
其中，σ0为地层表面的超载应力(KPa)，γi为第i层土体的重度(KN/m3)；hi为第i层土体的厚度(m)；K0为土层静止时的土压力系数。
该土体模型中土层的重度为18～25KN/m3，为了简化计算过程，取每一层土的重度为22KN/m3，地表应力为零，模型中取地表以下-17m作为坐标的原点，所以求得坐标原点处Z方向的渐变应力为：
σz＝σ0+γh＝-17m×22KN/m3＝-374KPa (5)
其中，负号表示此应力为压应力。
而X和Y方向的应力，取K0＝0.5，求得坐标原点处X、Y方向的渐变应力为：
σx＝K0σz＝-0.5×374KPa＝-187KPa (6)
σy＝K0σz＝-0.5×374KPa＝-187KPa (7)
土压力梯度grad计算公式如下：
Figure GDA0002398145410000091
其中，σ1为地层底部应力(KPa)；h为地层的高度(m)。
由式(3)求得地层底部Z方向的应力为：
σ1＝σ0+γh＝-50m×22KN/m3＝-1100KPa (9)
由式(8)求得土压力梯度为：
Figure GDA0002398145410000092
1.1.4)模型网格的划分
运用FLAC3D有限差分法建立土体模型时，取Y轴正方向为盾构隧道开挖的前进方向，模拟的长度为50m，地表的外法线方向为Z轴正方向，模拟的长度为50m，水平向右方向为X轴正方向，模拟的长度为50m。隧道外半径为3m(其中内半径为2.7m，衬砌层厚度为0.25m，注浆层厚度为0.05m)。此外，该土体模型中土体采用brick单元来模拟，隧道采用cylinder单元来模拟，衬砌和注浆层采用shell单元来模拟，隧道周边的土体采用radcylinder单元来模拟；整个土体模型一共有140000个网格单元，146931个节点单元，如图4所示。
1.1.5)地层的初始平衡
在建立好土体模型后，还要根据此前土体的材料参数、模型的边界条件和自重应力使模型的初始状态达到平衡，这个过程一般通过FLAC3D程序中的solve命令执行，经过一定时步后，土体的不平衡力慢慢减小，当不平衡力和加载力的比值小于1％时，则认为系统达到了平衡状态；经过计算，该土体模型的最大不平衡力收敛图如图5所示。
1.1.6)盾构隧道施工模拟
此次盾构隧道施工模拟还考虑了衬砌管片和注浆层等盾构物理因素，以及施工过程中的前方顶推力和超前支护等施工工艺。为了简化计算，假设盾构刀盘的尺寸大致与盾壳外径相等，盾尾空隙会损失部分盾构上方的土体，导致地层沉降。
盾构施工过程中，一般采用即时注浆法来填补盾尾产生的空隙，而经盾构开挖后的隧道横截面一般为不均匀的环形。等代层即盾构开挖过程中，隧道周围的土体因受到扰动而自动往盾尾空隙回填来保证开挖后的隧道横截面成均匀的环形。实际等代层中，有水泥浆、土体和两者的混合物，物理性质比较复杂，因此在土体模型建立中，需要对等代层进行理想化，使之为一个匀质的环形。
盾构支护材料具体参数如下表2所示。
Figure GDA0002398145410000093
Figure GDA0002398145410000101
表2盾构支护材料具体参数
详细的盾构开挖步骤如下：
a、利用FLAC3D程序中的shell单元模拟支护单元，对盾构开挖进行超前支护；
b、利用FLAC3D程序中的null单元对隧道进行逐步模拟开挖，设y＝0为开挖面，每步向前开挖2m，即两个衬砌单元长度；
c、在开挖完一步后，进行下一步开挖前，同样进行超前支护；此时，拆除上一步的超前支护，同时浇上混凝土衬砌和注浆层；
d、重复步骤a～c，直至盾构隧道开挖完成；隧道开挖一步的示意图如图6a所示，超前支护的示意图如图6b所示，注浆及衬砌支护示意图如图6c所示。
1.2)地表变形分析
土体模型在盾构隧道开挖完成后，即建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，其隧道横向沉降槽和纵向沉降槽的示意图分别如图7a和图7b所示。
1.2.1)数值模拟结果与Peck经验公式计算结果对比
这里需要说明的是，在采用Peck经验公式计算时，最重要的是要确定地层损失率，这对预测盾构隧道开挖后地表沉降结果影响很大。结合本实施例盾构施工段工程的勘察资料及以往深圳地区隧道开挖的工程经验，本实施例取隧道的地层损失率为＝1.5％，隧道半径为3m，隧道埋深为17m，计算得到沉降槽的宽度参数＝11.75m，最后再计算地表沉降值，如下：
Figure GDA0002398145410000102
其中，δ(x)为沉降槽断面上，距离隧道中心轴线x处地表的沉降值(m)；Vs为地层损失量，或为沉降槽面积(m3/m)，Vs＝πR2η；R为隧道半径，η为地层损失率；x为距离隧道中心线的横向距离(m)；i为沉降槽的宽度参数(m)，可通过以下公式计算得到：
Figure GDA0002398145410000103
其中，Z为地表至隧道中心的距离(m)，即隧道中心埋深；φ为隧道周围土体的内摩擦角。
如图8所示，为盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型数值模拟结果与Peck经验公式计算结果得到的地表土体沉降槽的对比图，从图中可知，采用FLAC3D有限差分软件模拟的结果与Peck经验公式计算得到的地表土体沉降槽形状非常接近，沉降趋势基本吻合。其中，数值模拟计算的隧道开挖导致地表最大沉降值为12.91mm，而Peck经验公式计算得到的地表最大沉降值为13.56mm。两者产生差异的原因可能是Peck经验公式缺乏理论基础，而是根据实际工程中盾构参数以及具体施工工艺而选取不同的参数；FLAC3D有限差分软件偏向于理想化的状态，忽略了实际工程中具体操作产生的误差。因此研究盾构隧道开挖对地表沉降的影响应结合这两种方法的结果，这样才会更接近工程实际的沉降值。
1.2.2)隧道开挖后引起的地表水平位移
如图9所示，为盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型的地表土体水平位移曲线图，此处地表土体水平位移选取的断面为Y＝25m。由图可知，位于隧道两侧的土体分别向相反方向运动，即隧道左侧的土体向右运动，隧道右侧的土体向左运动；位于隧道轴线上方的土体位移为0，说明盾构隧道开挖引起地表水平位移大致以隧道轴线为中心线左右对称，这可能与数值建模时网格划分、约束加载的对称性有关；地表土体最大水平位移值为5.08mm，距离隧道轴线9m。这表明盾构隧道开挖对距隧道轴线1.5D范围内的土体影响较大，距隧道轴线大于1.5D范围的土体影响较小。
1.3)隧道侧边土体的位移
1.3.1)隧道侧边土体的竖向位移
由于盾构隧道开挖模型的对称性，取隧道左边土体为研究对象，即此处隧道侧边土体的竖向位移选取的断面为X＝-3m；如图10所示，为X＝-3m处土体竖向位移曲线图，从图中可知，从地表Z＝17m往下至Z＝2m，随着地层所处深度的增加，土体沉降越来越大，但增幅不大，沉降最大处为Z＝2m，位移值为-21.5mm；但随着深度的继续增大，土体的沉降迅速减小，隧道轴线平面处土体的竖向位移近似为0；此时，随着深度继续增大，土体位移出现正值，表明土体开始向上运动(即隆起)，隆起最大处为Z＝-2m，位移值为7.78mm，此后位移值不断减小直至为0；盾构隧道施工过程中注浆压力、注浆位置等因素会对衬砌管片产生影响，造成土体上浮现象。
1.3.2)隧道侧边土体的水平位移
如图11所示，X＝-3m地表处土体的水平位移为2.84mm，正值表示朝着隧道轴线方向运动；随着地层深度的增加，土体朝着隧道轴线的水平位移慢慢增大，且在隧道轴线平面处的位移值最大，为13.30mm；在Z＝0以下，随着深度的继续增大，土体水平位移逐渐减小，并有远离隧道轴线方向运动的趋势。
2)建立盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型，对隧道开挖过程中和隧道开挖结束后的群桩竖向位移、群桩水平位移、群桩轴向应力和群桩切应力进行分析，得到隧道开挖过程中和隧道开挖结束后各桩基的位置对竖向位移、水平位移、轴向应力、切应力的影响情况；
2.1)建立盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型
本实施例在建立的土体模型参数的基础上，继续运用FLAC3D有限差分软件建立盾构隧道侧穿群桩基础的模型，然后通过盾构隧道开挖过程的数值模拟分析，研究隧道开挖对邻近群桩所受到的影响。
本实施例所建立的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型中，土体的本构模型采用摩尔-库伦模型(Mohr-Coulomb Model)，桩结构的本构模型采用各向同性的弹性模型(Elastic Isotropic Model)，土体、衬砌和桩单元均采用实体单元进行模拟。
2.1.1)群桩的材料参数
根据上述广州地铁三号线某盾构隧道施工段工程的相关勘察资料，本实施例采用的承台和框基材料及其参数如下表3所示。
Figure GDA0002398145410000121
表3承台和框基材料及其参数
2.1.2)模型网格的划分
运用FLAC3D有限差分法建立桩基土体模型时，同样取Y轴正方向为盾构隧道开挖的前进方向，模拟的长度为50m，地表的外法线方向为Z轴正方向，模拟的长度为50m，水平向右方向为X轴正方向，模拟的长度为50m。隧道外半径为3m(其中内半径为2.7m，衬砌层厚度为0.25m，注浆层厚度为0.05m)。在2×2的群桩中，前排桩到隧道中心轴线的水平距离为8米，后排桩到隧道中心轴线的水平距离为12米，即桩间距为4米，桩基半径Rp＝0.5米，桩长(桩基入土深度)L＝20米，桩基承台(三维尺寸为8m×8m×1m)顶面与地表齐平。
此外，在桩基土体模型中，土体采用brick单元来模拟，隧道和桩单元采用cylinder单元来模拟，衬砌和注浆层采用shell单元来模拟，桩基承台和隧道周边的土体采用radcylinder单元来模拟；整个模型一共有147808个网格单元，153296个节点单元，桩基土体模型如图12所示，群桩与隧道位置之间的相互关系如图13a和图13b所示。
2.1.3)边界条件
桩基土体模型的边界条件同样通过FLAC3D程序中fix命令来进行约束，且做以下设定：在X＝-25m、X＝25m、Y＝0m和Y＝50m四个面上添加法向约束，在Z＝-33m面上添加固定约束，Z＝17m(上表面)为自由边界。模型边界条件如图14a和图14b所示。
2.1.4)盾构隧道施工模拟
模拟盾构隧道施工过程，需利用FLAC3D对模型执行以下开挖命令：
a、开挖前，对模型进行初始地应力平衡，即将此前因土层、桩基自身重力导致的土体位移清零；
b、利用FLAC3D软件中的shell单元模拟支护单元，对盾构开挖做超前支护；
c、利用FLAC3D软件中的null单元对隧道进行逐步模拟开挖，设y＝0为开挖面，每步向前开挖2m，即两个衬砌单元长度；
d、在开挖完一步后，进行下一步开挖前，同样需进行超前支护；此时，拆除上一步的超前支护，同时浇上混凝土衬砌和注浆层；
e、重复步骤b～d，直至盾构隧道开挖完成；整个过程需进行25步开挖循环，盾构隧道施工才算完，即建立了盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型，如图15所示，为桩基土体模型某一步开挖过程图(模型左半部分)。
2.2)两阶段法与数值模拟方法的对比分析
运用两阶段法来检验数值模拟方法的合理性，图16a示出了采用两阶段法和数值模拟方法计算盾构隧道开挖引起邻近群桩基础前排桩A11和后排桩B12竖向位移的对比图，而图16b则示出了轴向应力的对比图；由图16a可知，利用两阶段法和数值模拟方法计算得到前排桩A11的最大竖向位移分别为-4.0404mm和-3.4910mm；利用两阶段法和数值模拟方法计算得到后排桩B12的最大竖向位移分别为-2.0159mm和-1.5075mm；对于桩基的竖向位移，数值模拟方法的计算结果比两阶段法的结果略小，这是因为数值模拟方法考虑了桩基和土体之间的相互作用，而在这个角度上看，两阶段法则直接把土体的位移施加给桩基，忽略了两者之间的相互作用；由图16b可知，利用两阶段法和数值模拟方法计算得到的桩基轴向应力图形状大体相似，且两种方法均在隧道轴线上方轴向应力值达到最大；利用两阶段法和数值模拟方法计算得到前排桩A11的最大轴向应力分别为-1243.69KPa和-1205.72KPa；利用两阶段法和数值模拟方法计算得到后排桩B12的最大轴向应力分别为-582.37KPa和-539.23KPa。
因此，采用数值模拟方法研究盾构隧道开挖对邻近群桩基础的影响在理论上是比较合理的，也为实际工程中问题的求解提供了一种更方便更科学的研究方法。
2.3)数值模拟计算结果分析
根据有限差分软件FLAC3D对盾构隧道开挖引起邻近群桩基础产生形变的数值模拟计算结果进行详细分析，包括群桩竖向位移、群桩水平位移、群桩轴向应力、群桩切应力。
2.3.1)群桩竖向位移
图17a和图17b分别为盾构隧道开挖至一半和整体开挖完后群桩的竖向位移图；当隧道开挖至一半时，由图17a可知，靠近隧道轴线的前排桩A11和A12，它们的竖向位移要比远离隧道轴线的后排桩B11和B12要大些；而距离盾构机前进方向较近的前排桩A12和后排桩B12，它们的竖向位移要比前排桩A11和后排桩B11稍微大一点；前排桩A11的最大竖向位移为-1.5990mm，前排桩A12为-2.3057mm，是前排桩A11的1.44倍；后排桩B11的最大竖向位移为-0.4432mm，后排桩B12为-1.1131mm，是后排桩B11的2.51倍，这些数据说明，隧道开挖过程中，离盾构机越近的桩基，其竖向位移受到的影响就越大；当隧道最终开挖完后，由图17b可知，前排桩A11和A12的竖向位移几乎重合在一起，后排桩B11和B12也是如此；但总的来说，后排桩的最大竖向位移为-1.5075mm，前排桩为-3.5258mm，是后排桩的2.34倍，即越靠近隧道轴线的桩基，其竖向位移受到的影响就越大。
2.3.2)群桩水平位移
图18a和图18b分别为盾构隧道开挖至一半和整体开挖完后群桩的水平位移图；当隧道开挖至一半时，由图18a可知，靠近隧道轴线的前排桩A11和A12，它们的水平位移要比远离隧道轴线的后排桩B11和B12要大些；而距离盾构机前进方向较近的前排桩A12和后排桩B12，它们的水平位移要比前排桩A11和后排桩B11稍微大一点；前排桩A11的最大水平位移为2.2738mm，前排桩A12为2.4278mm，是前排桩A11的1.07倍；后排桩B11的最大水平位移为2.1575mm，后排桩B12为2.3625mm，是后排桩B11的1.1倍，这些数据说明，隧道开挖过程中，离盾构机越近的桩基，其水平位移受到的影响就越大；当隧道最终开挖完后，由图18b可知，前排桩A11和A12的水平位移几乎重合在一起，后排桩B11和B12也是如此；但总的来说，后排桩的最大水平位移为4.2059mm，前排桩为4.3966mm，是后排桩的1.05倍，即越靠近隧道轴线的桩基，其水平位移受到的影响就越大
2.3.3)群桩轴向应力
图19a和图19b分别为盾构隧道开挖至一半和整体开挖完后群桩轴向应力图，由图可知，当隧道开挖至一半，即盾构机到达前排桩A12、后排桩B12附近时，此时桩A12、桩B12的轴向应力相比桩A11、桩B11来说都要大些；且群桩中，位于隧道中心轴线所在的水平面上的桩基，其轴向应力相比桩身其他位置也要大些；当隧道开挖完成后，前排桩A11和A12的轴向应力曲线图几乎重合在一起，后排桩B11和B12也是如此；且后排桩的最大轴向应力为-545.6KPa，前排桩的最大轴向应力为-1205.72KPa，是后排桩的2.21倍，这说明盾构隧道开挖过程中，靠近隧道轴线的桩基，其轴向应力受到的影响比远离隧道轴线的桩基受到的影响明显要大。
2.3.4)群桩切应力
图20a和图20b分别为盾构隧道开挖至一半和整体开挖完后群桩切应力图；由图可知，盾构隧道开挖过程中，群桩切应力变化趋势大体相似，且越接近隧道拱底，切应力随着桩基的埋深增加呈现总体向负方向增大的趋势；在隧道拱底所处的纵向水平面上，群桩的切应力值达到最大；开挖完后，前排桩的最大切应力为-221.82KPa，后排桩由于受到前排桩的保护(屏蔽效应)，最大切应力为-225.06KPa，比前排桩略大。
3)通过改变群桩的桩长、桩间距，对隧道开挖过程中的群桩竖向位移、群桩水平位移、群桩轴向应力和群桩切应力进行分析，得到群桩中桩长和桩间距对各桩基在隧道开挖过程中的影响情况；
盾构隧道开挖过程中，除了盾构等外在因素对桩基的变形和内力有影响外，本节着重研究群桩本身的单桩桩长、各桩之间的距离等因素对其在盾构隧道开挖过程中的影响。通过改变群桩的桩长、桩间距，并对比各自得出的结果，最后分析各因素对结果的影响情况。
3.1)改变桩长
为了更好研究群桩桩长对其变形和内力的影响情况，本实施例在桩长20m的前提下，取桩长17m和桩长23m作对比模型(这里说的桩长均是桩的入土深度)，且利用有限差分软件FLAC3D分析。
3.1.1)群桩竖向位移
图21a为桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中前排桩A11的竖向位移图，而图21b为后排桩B12的竖向位移图，由图中可知，前后排的桩，其竖向位移均随着桩长的不同而产生变化，总体趋势是：桩长越长的群桩，其桩的竖向位移就越小。
由FLAC3D计算结果可知，当桩长为17m时，前排桩A11的最大竖向位移为-4.4945mm，后排桩B12的最大竖向位移为-2.2113mm，较前排桩沉降小2.2832mm；当桩长为20m时，前排桩A11的最大竖向位移为-3.4910mm，后排桩B12的最大竖向位移为-1.5075mm，较前排桩沉降小1.9835mm；当桩长为23m时，前排桩A11的最大竖向位移为-2.2177mm，后排桩B12的最大竖向位移为-0.7124mm，较前排桩沉降小0.2343mm。
盾构隧道开挖有一定的影响区域，当桩长为17m时，此时桩较短，并处于影响区域范围内，桩基周围的土体受到盾构隧道施工的扰动较大，桩基便随着土体的运动而运动，竖向位移也就大些；而当桩长为23m时，此时桩较长，由于桩身下部分处于影响区域范围外，受到盾构施工的影响较小，再加上桩基周围的土体或沉降小或产生隆起，桩的竖向位移相应就小些。
3.1.2)群桩水平位移
图22a为桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中其前排桩A11的水平位移图，而图22b为后排桩B12的水平位移图，由图中可知，前后排的桩，其水平位移均随着桩长的不同而产生变化，且变化趋势大体相同；对于不同桩长的群桩，处于同一深度的桩基，其水平位移随着群桩桩长的增大而变小。
由FLAC3D计算结果可知，位于隧道中心轴线所在水平面上的桩基，当桩长为17m时，其前排桩A11的水平位移为4.6249mm，后排桩B12的水平位移为4.6032mm；当桩长为20m时，其前排桩A11的水平位移为3.1123mm，后排桩B12的水平位移为2.9787mm；当桩长为23m时，其前排桩A11的水平位移为2.5228mm，后排桩B12的水平位移为1.9690mm；这些数据表明，随着群桩的桩长增大，其前后排桩基的水平位移均会减小，且减小的趋势较为明显。
3.1.3)群桩轴向应力
图23a为桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中其前排桩A11的轴向应力图，而图23b为后排桩B12的轴向应力图，由图中可知，前后排的桩，其轴向应力均随着桩长的不同而产生变化，且变化趋势大体相同；对于不同桩长的群桩，处于同一深度的桩基，其轴向应力随着群桩桩长的增大而变大。
由FLAC3D计算结果可知，当桩长为17m时，前排桩A11的最大轴向应力为-975.41KPa，后排桩B12的最大轴向应力为-470.2KPa；当桩长为20m时，前排桩A11的最大轴向应力为-1205.72KPa，后排桩B12的最大轴向应力为-513.38KPa；当桩长为23m时，前排桩A11的最大轴向应力为-1657.91KPa，后排桩B12的最大轴向应力为-539.23KPa；且对于不同桩长的群桩，由于前排桩受到盾构隧道施工的影响较后排桩大，桩A11的轴向应力均先增大后减小，在隧道拱顶，即Z＝3m处轴向应力值最大，隧道拱底以下桩的轴向应力值就逐渐减小。
盾构隧道开挖过程中，隧道拱顶以上部分土体受到的扰动较大，其强度和抗剪能力降低，此时桩体相对土体向上运动，产生竖直向下的负摩阻力，致使该处桩体的轴向应力增大；而拱底以下的土体由于出现向上的位移，桩侧的土体对于桩体产生正摩阻力，致使桩体的轴向应力减小。
3.1.4)群桩切应力
图24a为桩长分别是17m、20m和23m时的群桩在盾构隧道开挖过程中其前排桩A11的切应力图，而图24b为后排桩B12的切应力图，由图中可知，盾构隧道开挖过程中，对于不同长度桩长的群桩，其前后排桩基的切应力变化不大，切应力均随着桩基的埋深增加呈现总体向负方向增大的趋势，且由于群桩承台的保护作用，靠近桩顶部位的桩基的切应力减小趋势较平缓。
3.2)改变桩间距
为了研究群桩桩间距对其变形和内力的影响情况，本实施例在桩间距4m的前提下，取桩间距3m和桩间距5m作对比模型，且利用有限差分软件FLAC3D分析。
3.2.1)群桩竖向位移
图25a为桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中其前排桩A11的竖向位移图，而图25b为后排桩B12的竖向位移图，由图中可知，当桩间距为3m时，前排桩A11的最大竖向位移为-3.2387mm，后排桩B12的最大竖向位移为-1.7468mm；当桩间距为4m时，前排桩A11的最大竖向位移为-3.4910mm，后排桩B12的最大竖向位移为-1.5075mm；当桩间距为5m时，前排桩A11的最大竖向位移为-3.5659mm，后排桩B12的最大竖向位移为-1.1544mm。
以上数据表明，前排桩A11的竖向位移随着桩间距的增大而增大，但增大的速率在变小；而后排桩B12的竖向位移随着桩间距的增大而减小，但减小的速率在变大。
盾构隧道开挖具有一定的影响区域，随着群桩桩间距的不断增大，前排桩不断靠近影响区域，则竖向位移在增大；后排桩不断远离影响区域，则竖向位移在减小；随着靠近或远离的程度增大，桩基竖向位移增大或减小的速率便不断减小，最后增大或减小至一定值。
3.2.2)群桩水平位移
图26a为桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中其前排桩A11的水平位移图，而图26b为后排桩B12的水平位移图，由图可知，盾构隧道开挖过程中，对于不同桩间距的群桩，其前后排桩基的水平位移变化不大，且水平位移均随着桩基的埋深增加呈现总体增大的趋势。
3.2.3)群桩轴向应力
图27a为桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中其前排桩A11的轴向应力图，而图27b为后排桩B12的轴向应力图，由图可知，当桩间距为3m时，前排桩A11的最大轴向应力为-1045.47KPa，后排桩B12的最大轴向应力为-604.8KPa；当桩间距为4m时，前排桩A11的最大轴向应力为-1205.72KPa，后排桩B12的最大轴向应力为-539.23KPa；当桩间距为5m时，前排桩A11的最大轴向应力为-1335.94KPa，后排桩B12的最大轴向应力为-473.48KPa；
以上数据表明，前排桩A11的轴向应力随着桩间距的增大而增大，而后排桩B12的轴向应力随着桩间距的增大而减小，这与此前研究桩的竖向位移随着桩间距不同的变化大致相同。由此可见，盾构隧道开挖对桩基在Z(即深度)方向较X、Y(即横纵向水平)方向的影响较大。
3.2.4)群桩切应力
图28a为桩间距分别是3m、4m和5m时的群桩在盾构隧道开挖过程中其前排桩A11，而图28b为后排桩B12的切应力图，由图可知，盾构隧道开挖过程中，对于不同桩间距的群桩，其前后排桩基的切应力变化不大，且切应力大体随着桩基的埋深增加呈现总体向负方向增大的趋势。
4)根据隧道开挖对周围土体的影响情况，隧道开挖过程中和隧道开挖结束后各桩基的位置对竖向位移、水平位移、轴向应力、切应力的影响情况，以及群桩中桩长和桩间距对各桩基在隧道开挖过程中的影响情况，对实际盾构隧道开挖工程中的邻近群桩基础进行保护；
在实际盾构隧道开挖工程(本实施例为广州地铁三号线某盾构隧道施工段工程)中，当盾构隧道开挖穿越邻近群桩基础时，常常会提前对邻近群桩基础采取一定的保护措施，以最大程度降低桩基在盾构隧道施工过程中所受到的影响。常见对桩基的保护措施包括以下三种：在隧道与桩基之间设置隔断、对桩基周围的土体进行加固和桩基托换，如下：
4.1)设置隔断
设置隔断，一种通过在地层中加入结构单元来加固地层的方法，这种结构单元与被保护的桩基之间没有直接联系，也不是在建隧道的其中一部分。常见的隔断有地下连续墙、挖孔桩、树根桩、深层搅拌桩和钢板桩等，它们不仅能承受由地基差异沉降产生的负摩阻力以及地下工程施工过程引起的侧向土压力，而且能阻断隧道开挖引起的围岩应力的传递，使应力大部分通过桩基传给地层中的持力层，降低隧道开挖对周围建筑物基础的影响。但这里要说明的是，隔断本身的施工也是近邻施工，施工过程同样要控制对周围土层的影响。
4.2)土体加固
土体加固一般有以下两种方式，对隧道周围土体加固和对建筑物地基加固。对隧道周围土体加固通常是增大隧道周围土体的强度，降低其在隧道施工过程中的扰动程度，减轻地层损失；而对建筑物地基加固通常是通过对建筑物地基加固注浆等方法来增大地基的承载能力和刚度，从而降低对上部结构的影响。
4.3)桩基托换
当桩基阻挡了隧道的开挖，即现有桩基处于隧道的施工线路上时，必须要对桩基进行截断甚至去除，这时一般通过桩基托换的方法改变现有桩基的传力路线，以最大程度降低隧道施工对邻近建筑物的影响。
综上所述，本实施例以广州地铁三号线某盾构施工段为工程背景，利用有限差分软件FLAC3D建立盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型，全面考虑了土体的分层、施工过程盾尾空隙、注浆压力、盾构机外壳与土体之间的摩擦力以及掌子面土体的欠挖或超挖等因素，并在建模时合理模拟了桩基与周围土体的接触、衬砌与围岩之间的接触作用，同时综合模型材料参数、边界条件和初始应力三个方面，利用FLAC3D程序中的null单元对隧道进行逐步模拟开挖，从而得出盾构隧道施工引起地表变化规律以及邻近群桩基础的响应情况。然后在前面的工作基础上，通过改变群桩中桩长、桩间距等参数，分析这些参数对整体模型的影响情况，最后总结出相关的研究结论。通过此次数值模拟分析以及理论求解，结论如下：
一、盾构隧道开挖对周围土体的影响
1、采用FLAC3D有限差分软件模拟的结果与Peck经验公式计算得到的地表土体沉降槽形状非常接近，且沉降趋势基本吻合，前者的计算结果小于后者，这是由于FLAC3D程序偏理想状态，而Peck经验公式重以往工程经验。因此研究盾构隧道开挖对地表沉降的影响应结合这两种方法的结果，这样才会更接近工程实际的沉降值。
2、盾构隧道开挖后，位于隧道轴线上方的地表沉降最大；远离隧道轴线，地表沉降不断减小。
3、盾构隧道开挖对距隧道轴线1.5D范围内的土体影响较大，距隧道轴线大于1.5D范围的土体影响较小。
4、盾构隧道开挖后，处于隧道轴线上方的土体，随着地层所处深度的增加，沉降越来越大，在靠近隧道处取得极值；由于盾构施工时注浆压力、注浆位置等因素会对衬砌管片产生影响，处于隧道轴线下方的土体，会出现土体上浮现象。
二、盾构隧道开挖对邻近群桩基础的影响
1、对于桩基的竖向位移，数值模拟方法的计算结果比两阶段法的结果略小，这是因为数值模拟方法考虑了桩基和土体之间的相互作用，而在这个角度上看，两阶段法则直接把土体的位移施加给桩基，忽略了两者之间的相互作用。
2、盾构隧道开挖过程中，离盾构机越近，桩的竖向位移和水平位移受到的影响就越大，即桩基越靠近隧道轴线，其竖向位移和水平位移受到的影响就越大。
3、盾构隧道开挖过程中，靠近隧道轴线的桩基，其轴向应力受到的影响比远离隧道轴线的桩基受到的影响明显要大。
4、盾构隧道开挖过程中，群桩切应力变化趋势大体相似，且越接近隧道拱底，切应力随着桩基的埋深增加呈现总体向负方向增大的趋势；在隧道拱底所处的纵向水平面上，群桩的切向应力值达到最大。
5、盾构隧道开挖过程中，桩长越长的群桩，其桩的竖向位移就越小；处于同一深度的桩基，其水平位移随着群桩桩长的增大而变小，其轴向应力随着群桩桩长的增大而变大；切应力均随着桩基的埋深增加呈现总体向负方向增大的趋势。
6、前排桩的竖向位移和轴向应力随着桩间距的增大而增大，但增大的速率在变小，而后排桩的竖向位移随着桩间距的增大而减小，但减小的速率在变大；随着桩间距的改变，前后排桩基的水平位移、切向应力变化不大；
7、盾构隧道开挖对桩基在Z(即深度)方向较X、Y(即横纵向水平)方向的影响较大。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1、建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，将数值模拟和Peck经验公式计算得到的地表土体沉降槽进行比较，以及对地表土体的水平位移、隧道侧边土体的竖向位移和水平位移进行分析，得到隧道开挖对周围土体的影响情况；
S2、建立盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型，对隧道开挖过程中和隧道开挖结束后的群桩竖向位移、群桩水平位移、群桩轴向应力和群桩切应力进行分析，得到隧道开挖过程中和隧道开挖结束后各桩基的位置对竖向位移、水平位移、轴向应力、切应力的影响情况；
S3、通过改变群桩的桩长、桩间距，对隧道开挖过程中的群桩竖向位移、群桩水平位移、群桩轴向应力和群桩切应力进行分析，得到群桩中桩长和桩间距对各桩基在隧道开挖过程中的影响情况；
S4、根据隧道开挖对周围土体的影响情况，隧道开挖过程中和隧道开挖结束后各桩基的位置对竖向位移、水平位移、轴向应力、切应力的影响情况，以及群桩中桩长和桩间距对各桩基在隧道开挖过程中的影响情况，对实际盾构隧道开挖工程中的邻近群桩基础进行保护。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：步骤S1中，所述建立盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型，具体包括：
S11、根据盾构隧道施工段的地质分层，选取各土层的材料参数；
S12、通过FLAC3D软件中的fix命令约束模型的边界条件；
S13、通过FLAC3D软件中set grav命令对地层赋值重力，并设置土体模型内部的自重应力，使地层达到初始应力平衡；
S14、采用FLAC3D有限差分法，取Y轴正方向为盾构隧道开挖的前进方向，地表的外法线方向为Z轴正方向，水平面右方向为X轴正方向，对隧道进行模拟，建立土体模型；
S15、根据各土层的材料参数、模型的边界条件和自重应力，通过FLAC3D软件中的solve命令，使土体模型的初始应力状态达到平衡；
S16、对盾构隧道开挖进行模拟，得到盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型。
3.根据权利要求2所述的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：步骤S16中，所述对盾构隧道开挖进行模拟，具体包括：
a、利用FLAC3D软件中的shell单元模拟支护单元，对盾构开挖进行超前支护；
b、利用FLAC3D软件中的null单元对隧道进行逐步模拟开挖，设y＝0为开挖面，每步向前开挖2m，即两个衬砌单元长度；
c、在开挖完一步后，进行下一步开挖前，同样进行超前支护；此时，拆除上一步的超前支护，同时浇上混凝土衬砌和注浆层；
d、重复步骤a～c，直至盾构隧道开挖完成。
4.根据权利要求3所述的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：所述各土层的材料参数包括厚度h、体积模量K、剪切模量G、内摩擦角
Figure FDA0002398145400000023
和粘聚力C，所述超前支护、混凝土衬砌和注浆层的材料包括厚度h、体积模量K、剪切模量G和重度γ；所述体积模量K和剪切模量G通过下式进行转化：
Figure FDA0002398145400000021
Figure FDA0002398145400000022
其中，E表示弹性模量，v表示泊松比。
5.根据权利要求2所述的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：所述土体模型中，土体采用brick单元来模拟，隧道采用cylinder单元来模拟，衬砌和注浆层采用shell单元来模拟，隧道周边的土体采用radcylinder单元来模拟。
6.根据权利要求1所述的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：步骤S2中，所述建立盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型，具体包括：
S21、根据盾构隧道施工段，选取群桩的承台和桩基材料及其参数；
S22、采用FLAC3D有限差分法，取Y轴正方向为盾构隧道开挖的前进方向，地表的外法线方向为Z轴正方向，水平面右方向为X轴正方向，对隧道和群桩进行模拟，并使承台顶面与地表齐平，建立桩基土体模型；
S23、通过FLAC3D软件中的fix命令进行约束；
S24、对盾构隧道开挖进行模拟，得到盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型。
7.根据权利要求6所述的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：步骤S24中，所述对盾构隧道开挖进行模拟，具体包括：
a、开挖前，对模型进行初始地应力平衡，即将此前因土层、桩基自身重力导致的土体位移清零；
b、利用FLAC3D软件中的shell单元模拟支护单元，对盾构开挖做超前支护；
c、利用FLAC3D软件中的null单元对隧道进行逐步模拟开挖，设y＝0为开挖面，每步向前开挖2m，即两个衬砌单元长度；
d、在开挖完一步后，进行下一步开挖前，同样需进行超前支护；此时，拆除上一步的超前支护，同时浇上混凝土衬砌和注浆层；
e、重复步骤b～d，直至盾构隧道开挖完成。
8.根据权利要求7所述的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：所述群桩的承台材料采用C40砼，所述群桩的桩基材料采用C30砼，群桩的承台和桩基材料参数包括体积模量K、剪切模量G、泊松比υ和重度γ；所述超前支护、混凝土衬砌和注浆层的材料参数包括厚度h、体积模量K、剪切模量G和重度γ；所述体积模量K和剪切模量G通过下式进行转化：
Figure FDA0002398145400000031
Figure FDA0002398145400000032
其中，E表示弹性模量，v表示泊松比。
9.根据权利要求6所述的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：所述桩基土体模型中，土体采用brick单元来模拟，隧道和桩单元采用cylinder单元来模拟，衬砌和注浆层采用shell单元来模拟，桩基承台和隧道周边的土体采用radcylinder单元来模拟。
10.根据权利要求1-9任一项所述的盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模拟分析方法，其特征在于：
所述盾构隧道开挖对周围土体影响的数值模型中，土体的本构模型采用摩尔-库伦模型，土体和衬砌采用实体单元进行模拟；
所述盾构隧道开挖对邻近群桩基础影响的数值模型中，土体的本构模型采用摩尔-库伦模型，桩结构的本构模型采用各向同性的弹性模型，土体、衬砌和桩单元均采用实体单元进行模拟。
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