本發(fā)明涉及一種數(shù)值模擬分析方法，尤其是一種盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模擬分析方法，屬于盾構(gòu)施工對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的分析領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)的日益繁榮，中國的城市化水平取得了較大的突破。作為新時(shí)代的交通工具之一，地鐵在改善和解決城市交通擁堵問題上占據(jù)著不可或缺的地位。目前，大規(guī)模的地鐵擴(kuò)建工程在全國各大城市仍在如火如荼地進(jìn)行著。

在地鐵設(shè)計(jì)與施工過程中，受到現(xiàn)實(shí)行車路線、市政管道網(wǎng)和已有建筑物基礎(chǔ)等條件的限制，通常會(huì)出現(xiàn)各種各樣復(fù)雜的工程問題，而在這眾多問題中，隧道開挖對(duì)臨近建筑物群樁基礎(chǔ)的影響問題則最為經(jīng)典。

當(dāng)前，面對(duì)越來越復(fù)雜的城市建筑環(huán)境，城市地鐵線路的設(shè)計(jì)規(guī)劃就變得越來越艱難，而地鐵的建設(shè)就會(huì)不可避免地近接或穿過已有建筑物的樁基。盾構(gòu)隧道的施工必然會(huì)對(duì)鄰近的樁基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，同時(shí)隧道施工導(dǎo)致的圍巖變形將影響到鄰近建筑物群樁基礎(chǔ)。具體來說，盾構(gòu)隧道近接或穿過已有建筑物樁基時(shí)，會(huì)引起樁基周圍的土體發(fā)生擾動(dòng)，從而引起樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力以及附加位移，導(dǎo)致樁基發(fā)生彎曲和沉降，進(jìn)而減弱樁基的承載力。最后會(huì)導(dǎo)致建筑物的傾斜、開裂等病害，情況嚴(yán)重的甚至?xí)菇ㄖ锇l(fā)生傾覆或者倒塌，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

因此，如何在地鐵修建過程中，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近建筑物群樁基礎(chǔ)的影響，并提前做好相應(yīng)的保護(hù)措施，最大程度降低盾構(gòu)隧道施工對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生的不利影響，就成了當(dāng)前急需解決的問題，同時(shí)對(duì)指導(dǎo)將來隧道的設(shè)計(jì)和施工具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，對(duì)于隧道開挖對(duì)鄰近樁基礎(chǔ)影響的研究方法通常采用兩階段分析法，所謂兩階段分析法，就是把盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近樁基的影響分為兩個(gè)階段研究：第一個(gè)階段，則先不考慮隧道開挖對(duì)樁基的影響，而是運(yùn)用有限差分等數(shù)值模擬方法或經(jīng)驗(yàn)法分析隧道施工對(duì)周邊土層的影響；第二個(gè)階段則是在第一個(gè)階段的前提下，把第一個(gè)階段所得的結(jié)果作為研究的邊界條件，把樁基周邊土層的變形作用到樁體上，僅僅考慮土層和樁基的相互作用，并運(yùn)用解析法、半解析法或者其他數(shù)值模擬方法研究樁體的內(nèi)力和變形。雖然兩階段分析法操作簡單，研究人員容易上手，但是這種方法沒有考慮土體、樁基和隧道之間的相互作用，得出的結(jié)果并沒有反映實(shí)際工程中隧道開挖對(duì)鄰近樁基的動(dòng)態(tài)影響，還不能廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模擬分析方法，該方法可以通過模擬分析得到盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)的影響情況，從而對(duì)實(shí)際盾構(gòu)隧道開挖工程中的鄰近群樁基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模擬分析方法，所述方法包括以下步驟：

s1、建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型，將數(shù)值模擬和peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的地表土體沉降槽進(jìn)行比較，以及對(duì)地表土體的水平位移、隧道側(cè)邊土體的豎向位移和水平位移進(jìn)行分析，得到隧道開挖對(duì)周圍土體的影響情況；

s2、建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型，對(duì)隧道開挖過程中和隧道開挖結(jié)束后的群樁豎向位移、群樁水平位移、群樁軸向應(yīng)力和群樁切應(yīng)力進(jìn)行分析，得到隧道開挖過程中和隧道開挖結(jié)束后各樁基的位置對(duì)豎向位移、水平位移、軸向應(yīng)力、切應(yīng)力的影響情況；

s3、通過改變?nèi)簶兜臉堕L、樁間距，對(duì)隧道開挖過程中的群樁豎向位移、群樁水平位移、群樁軸向應(yīng)力和群樁切應(yīng)力進(jìn)行分析，得到群樁中樁長和樁間距對(duì)各樁基在隧道開挖過程中的影響情況；

s4、根據(jù)隧道開挖對(duì)周圍土體的影響情況，隧道開挖過程中和隧道開挖結(jié)束后各樁基的位置對(duì)豎向位移、水平位移、軸向應(yīng)力、切應(yīng)力的影響情況，以及群樁中樁長和樁間距對(duì)各樁基在隧道開挖過程中的影響情況，對(duì)實(shí)際盾構(gòu)隧道開挖工程中的鄰近群樁基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)。

進(jìn)一步的，步驟s1中，所述建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型，具體包括：

s11、根據(jù)盾構(gòu)隧道施工段的地質(zhì)分層，選取各土層的材料參數(shù)；

s12、通過flac3d軟件中的fix命令約束模型的邊界條件；

s13、通過flac3d軟件中setgrav命令對(duì)地層賦值重力，并設(shè)置土體模型內(nèi)部的自重應(yīng)力，使地層達(dá)到初始平衡；

s14、采用flac3d有限差分法，取y軸正方向?yàn)槎軜?gòu)隧道開挖的前進(jìn)方向，地表的外法線方向?yàn)閦軸正方向，水平面右方向?yàn)閤軸正方向，對(duì)隧道進(jìn)行模擬，建立土體模型；

s15、根據(jù)各土層的材料參數(shù)、模型的邊界條件和自重應(yīng)力，通過flac3d軟件中的solve命令，使土體模型的初始狀態(tài)達(dá)到平衡；

s16、對(duì)盾構(gòu)隧道開挖進(jìn)行模擬，得到盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型。

進(jìn)一步的，步驟s16中，所述對(duì)盾構(gòu)隧道開挖進(jìn)行模擬，具體包括：

a、利用flac3d軟件中的shell單元模擬支護(hù)單元，對(duì)盾構(gòu)開挖進(jìn)行超前支護(hù)；

b、利用flac3d軟件中的null單元對(duì)隧道進(jìn)行逐步模擬開挖，設(shè)y＝0為開挖面，每步向前開挖2m，即兩個(gè)襯砌單元長度；

c、在開挖完一步后，進(jìn)行下一步開挖前，同樣進(jìn)行超前支護(hù)；此時(shí)，拆除上一步的超前支護(hù)，同時(shí)澆上混凝土襯砌和注漿層；

d、重復(fù)步驟a～c，直至盾構(gòu)隧道開挖完成。

進(jìn)一步的，所述各土層的材料參數(shù)包括厚度h、體積模量k、剪切模量g、內(nèi)摩擦角和粘聚力c，所述超前支護(hù)、混凝土襯砌和注漿層的材料包括厚度h、體積模量k、剪切模量g和重度γ；所述體積模量k和剪切模量g通過下式進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

其中，e表示彈性模量，v表示泊松比。

進(jìn)一步的，所述土體模型中，土體采用brick單元來模擬，隧道采用cylinder單元來模擬，襯砌和注漿層采用shell單元來模擬，隧道周邊的土體采用radcylinder單元來模擬。

進(jìn)一步的，步驟s2中，所述建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型，具體包括：

s21、根據(jù)盾構(gòu)隧道施工段，選取群樁的承臺(tái)和樁基材料及其參數(shù)；

s22、采用flac3d有限差分法，取y軸正方向?yàn)槎軜?gòu)隧道開挖的前進(jìn)方向，地表的外法線方向?yàn)閦軸正方向，水平面右方向?yàn)閤軸正方向，對(duì)隧道和群樁進(jìn)行模擬，并使承臺(tái)頂面與地表齊平，建立樁基土體模型；

s23、通過flac3d軟件中fix命令進(jìn)行約束；

s24、對(duì)盾構(gòu)隧道開挖進(jìn)行模擬，得到盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型。

進(jìn)一步的，步驟s24中，所述對(duì)盾構(gòu)隧道開挖進(jìn)行模擬，具體包括：

a、開挖前，對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，即將此前因土層、樁基自身重力導(dǎo)致的土體位移清零；

b、利用flac3d軟件中的shell單元模擬支護(hù)單元，對(duì)盾構(gòu)開挖做超前支護(hù)；

c、利用flac3d軟件中的null單元對(duì)隧道進(jìn)行逐步模擬開挖，設(shè)y＝0為開挖面，每步向前開挖2m，即兩個(gè)襯砌單元長度；

d、在開挖完一步后，進(jìn)行下一步開挖前，同樣需進(jìn)行超前支護(hù)；此時(shí)，拆除上一步的超前支護(hù)，同時(shí)澆上混凝土襯砌和注漿層；

e、重復(fù)步驟b～d，直至盾構(gòu)隧道開挖完成。

進(jìn)一步的，所述群樁的承臺(tái)材料采用c40砼，所述群樁的樁基材料采用c30砼，群樁的承臺(tái)和樁基材料參數(shù)包括體積模量k、剪切模量g、泊松比υ和重度γ；所述超前支護(hù)、混凝土襯砌和注漿層的材料參數(shù)包括厚度h、體積模量k、剪切模量g和重度γ；所述體積模量k和剪切模量g通過下式進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

其中，e表示彈性模量，v表示泊松比。

進(jìn)一步的，所述樁基土體模型中，土體采用brick單元來模擬，隧道和樁單元采用cylinder單元來模擬，襯砌和注漿層采用shell單元來模擬，樁基承臺(tái)和隧道周邊的土體采用radcylinder單元來模擬。

進(jìn)一步的，所述盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型中，土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，土體和襯砌采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬；

所述盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型中，土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，樁結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用各向同性的彈性模型，土體、襯砌和樁單元均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果：

本發(fā)明方法通過建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型，在分析后得到隧道開挖對(duì)周圍土體的影響情況，通過建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型，在分析后得到隧道開挖過程中和隧道開挖結(jié)束后各樁基的位置對(duì)豎向位移、水平位移、軸向應(yīng)力、切應(yīng)力的影響情況，然后通過改變?nèi)簶兜臉堕L、樁間距，對(duì)隧道開挖過程中的群樁各參數(shù)進(jìn)行分析，得到群樁中樁長和樁間距對(duì)各樁基在隧道開挖過程中的影響情況；對(duì)實(shí)際盾構(gòu)隧道開挖工程中的鄰近群樁基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)值模擬分析方法流程圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的隧道結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的土體模型邊界條件示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的土體模型圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例土體模型的最大不平衡力收斂圖。

圖6a為本發(fā)明實(shí)施例的隧道開挖一步的示意圖。

圖6b為本發(fā)明實(shí)施例的超前支護(hù)的示意圖。

圖6c為本發(fā)明實(shí)施例的注漿及襯砌支護(hù)示意圖。

圖7a為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖后的隧道橫向沉降槽示意圖。

圖7b為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖后的隧道縱向沉降槽示意圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)值模擬結(jié)果與peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果得到的地表土體沉降槽的對(duì)比圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例的地表土體水平位移曲線圖。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例的在x＝-3m處的土體豎向位移曲線圖。

圖11為本發(fā)明實(shí)施例的在x＝-3m處的土體水平位移曲線圖。

圖12為本發(fā)明實(shí)施例的樁基土體模型示意圖。

圖13a為本發(fā)明實(shí)施例的樁基土體模型中群樁與隧道位置關(guān)系一般透視圖。

圖13b為本發(fā)明實(shí)施例的樁基土體模型中群樁與隧道位置關(guān)系側(cè)面透視圖。

圖14a為本發(fā)明實(shí)施例的樁基土體模型邊界條件的正面透視圖。

圖14b為本發(fā)明實(shí)施例的樁基土體模型邊界條件的俯視圖。

圖15為本發(fā)明實(shí)施例的樁基土體模型某一步開挖過程圖。

圖16a為采用兩階段法和數(shù)值模擬方法計(jì)算盾構(gòu)隧道開挖引起鄰近群樁基礎(chǔ)前排樁a11和后排樁b12豎向位移的對(duì)比圖。

圖16b為采用兩階段法和數(shù)值模擬方法計(jì)算盾構(gòu)隧道開挖引起鄰近群樁基礎(chǔ)前排樁a11和后排樁b12軸向應(yīng)力的對(duì)比圖。

圖17a為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖至一半群樁的豎向位移圖；

圖17b為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖完后群樁的豎向位移圖。

圖18a為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖至一半群樁的水平位移圖；

圖18b為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖完后群樁的水平位移圖。

圖19a為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖至一半群樁軸向應(yīng)力圖；

圖19b為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖完后群樁軸向應(yīng)力圖。

圖20a為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖至一半群樁切應(yīng)力圖；

圖20b為本發(fā)明實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖完群樁切應(yīng)力圖。

圖21a為本發(fā)明實(shí)施例的樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中前排樁a11的豎向位移圖；

圖21b為本發(fā)明實(shí)施例的樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中后排樁b12的豎向位移圖。

圖22a為本發(fā)明實(shí)施例的樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中前排樁a11的水平位移圖；

圖22b為本發(fā)明實(shí)施例的樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中后排樁b12的水平位移圖。

圖23a為本發(fā)明實(shí)施例的樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中前排樁a11的軸向應(yīng)力圖；

圖23b為本發(fā)明實(shí)施例的樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中后排樁b12的軸向應(yīng)力圖。

圖24a為本發(fā)明實(shí)施例的樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中前排樁a11的切應(yīng)力圖；

圖24b為本發(fā)明實(shí)施例的樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中后排樁b12的切應(yīng)力圖。

圖25a為本發(fā)明實(shí)施例的樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中前排樁a11的豎向位移圖；

圖25b為本發(fā)明實(shí)施例的樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中后排樁b12的豎向位移圖。

圖26a為本發(fā)明實(shí)施例的樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中前排樁a11的水平位移圖；

圖26b為本發(fā)明實(shí)施例的樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中后排樁b12的水平位移圖。

圖27a為本發(fā)明實(shí)施例的樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中前排樁a11的軸向應(yīng)力圖；

圖27b為本發(fā)明實(shí)施例的樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中后排樁b12的軸向應(yīng)力圖。

圖28a為本發(fā)明實(shí)施例的樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中前排樁a11的軸向應(yīng)力圖；

圖28b為本發(fā)明實(shí)施例的樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中后排樁b12的切應(yīng)力圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

本實(shí)施例以廣州地鐵三號(hào)線某盾構(gòu)隧道施工段工程為例，借助有限差分軟件flac3d進(jìn)行模擬。

如圖1所示，本實(shí)施例的盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模擬分析方法，包括以下步驟：

1)建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型，將數(shù)值模擬和peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的地表土體沉降槽進(jìn)行比較，對(duì)地表土體的水平位移、隧道側(cè)邊土體的豎向位移和水平位移進(jìn)行分析，得到隧道開挖對(duì)周圍土體的影響情況；

1.1)建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型

盾構(gòu)法施工引起土體沉降主要有以下兩個(gè)方面的原因。一是盾構(gòu)隧道開挖過程中對(duì)隧道周圍土體造成擾動(dòng)，使得地層損失，周圍土體從而產(chǎn)生沉降；二是盾構(gòu)隧道開挖后，之前受到擾動(dòng)的土體再固結(jié)引起土體沉降，從而造成地層損失。

本實(shí)施例利用flac3d軟件建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型，flac(fastlagrangiananalysisofcontinua)3d是利用連續(xù)介質(zhì)的快速拉格朗日法迭代原理計(jì)算的三維有限差分軟件，能夠較好模擬計(jì)算三維巖體、土體及其他介質(zhì)中工程結(jié)構(gòu)的受力與變形形態(tài)。

flac3d相對(duì)于其他有限元軟件，它的操作界面較簡潔，且容易上手，主要計(jì)算特點(diǎn)有三個(gè)，如下：

a、采用“混合離散法”(martiandcundall，1982)來模擬塑性破壞和塑性流動(dòng)，這比傳統(tǒng)的有限元軟件采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確和合理；

b、采用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程求解，克服了模擬靜態(tài)系統(tǒng)過程中flac3d模擬物理上的不穩(wěn)定過程時(shí)數(shù)值上的障礙；

c、采用顯式差分法求解微分方程，尤其是在求解大變形問題時(shí)，可采用小變形本構(gòu)關(guān)系，再將各時(shí)步的變形疊加起來，便可以巧妙地得到大變形的解。

在運(yùn)用flac3d進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，必須指定三個(gè)基本部分，即：有限差分網(wǎng)格；材料特性和本構(gòu)關(guān)系；邊界和初始條件，各部分詳細(xì)介紹如下：

a、有限差分網(wǎng)格：用來定義分析模型的幾何形狀。通過網(wǎng)格生成器gen，可以匹配、連接之前生成的局部網(wǎng)格，最后生成所要求的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格位置通過整體坐標(biāo)系x，y，z來確定。網(wǎng)格包含節(jié)理單元，即界面單元，通過這種單元可以模擬不同材料之間的界面特性。

b、材料特性和本構(gòu)關(guān)系：用來表征模型在外力作用下的力學(xué)響應(yīng)特性。flac3d中包含12種材料模型，分別是1個(gè)開挖模型(null)、3個(gè)彈性模型(各向同性模型、橫向各向同性模型和正交各向異性模型)和8個(gè)塑形模型(morh-coulomb模型、drucker-prager模型、應(yīng)變硬化/軟化模型、雙線性應(yīng)變硬化/軟化遍布節(jié)理模型、遍布節(jié)理模型、雙屈服模型、霍克-布朗模型和修正的劍橋模型)。

c、邊界和初始條件：用來定義模型的初始狀態(tài)。包括重力以下地下水位等，且可以自由設(shè)定變化梯度。

本實(shí)施例所建立的盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型，土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型(mohr-coulombmodel)，土體和襯砌采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，具體建立過程包括：

1.1.1)各土層的材料參數(shù)

根據(jù)上述廣州地鐵三號(hào)線某盾構(gòu)隧道施工段工程的相關(guān)勘察資料，該盾構(gòu)隧道施工段地質(zhì)分層自上而下依次為人工填土、粉粘性土、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層和微風(fēng)化層。為了方便計(jì)算，假設(shè)各土層均為水平均質(zhì)分布，其中各土層的材料參數(shù)如下表1所示。

表1各土層的材料參數(shù)

flac3d有限差分程序中，主要的材料物理參數(shù)為k和g，即體積模量和剪切模量，而不是一般的彈性模量e和泊松比v表示，所以需要對(duì)e和v進(jìn)行轉(zhuǎn)化，它們之間的關(guān)系如下：

隧道埋深(隧道中心軸線到地層表面的距離)h＝17米，即隧道處在土層全風(fēng)化層和強(qiáng)風(fēng)化層之間，隧道外半徑r＝3米，隧道結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1.2)邊界條件

因?yàn)樵撍淼缆裆钶^淺，且為了建模的方便，所以忽略掉地層的構(gòu)造應(yīng)力，只考慮土體的自重和地層的應(yīng)力，從而使地層達(dá)到平衡狀態(tài)。

土體模型的邊界條件可以通過flac3d程序中fix命令來進(jìn)行約束，且做以下設(shè)定：在x＝-25m、x＝25m、y＝0m和y＝50m四個(gè)面上添加法向約束，在z＝-33m面上添加固定約束，z＝17m(上表面)為自由邊界。土體模型邊界條件如圖3所示。

1.1.3)初始應(yīng)力

地層應(yīng)力的處理問題上，本實(shí)施例忽略了土體的孔隙水壓力，只考慮地層的重力，通過flac3d程序中setgrav命令對(duì)地層賦值重力。此外，若沒有對(duì)土層施加初始應(yīng)力，則土體模型會(huì)在自身重力的作用下運(yùn)動(dòng)，直至模型反作用力才逐漸達(dá)到平衡，而這個(gè)過程通常是比較花時(shí)間的。因此除了對(duì)地層賦值重力外，還要設(shè)置土體模型內(nèi)部的自重應(yīng)力，使地層達(dá)到初始平衡。

地層的初始應(yīng)力包括豎向應(yīng)力σz和水平應(yīng)力σx和σy，可通過以下公式求解：

σz＝σ0+∑γihi(3)

σx＝σy＝k0σz(4)

其中，σ0為地層表面的超載應(yīng)力(kpa)，γi為第i層土體的重度(kn/m³)；hi為第i層土體的厚度(m)；k0為土層靜止時(shí)的土壓力系數(shù)。

該土體模型中土層的重度為18～25kn/m³，為了簡化計(jì)算過程，取每一層土的重度為22kn/m³，地表應(yīng)力為零，模型中取地表以下-17m作為坐標(biāo)的原點(diǎn)，所以求得坐標(biāo)原點(diǎn)處z方向的漸變應(yīng)力為：

σz＝σ0+γh＝-17m×22kn/m³＝-374kpa(5)

其中，負(fù)號(hào)表示此應(yīng)力為壓應(yīng)力。

而x和y方向的應(yīng)力，取k0＝0.5，求得坐標(biāo)原點(diǎn)處x、y方向的漸變應(yīng)力為：

σx＝k0σz＝-0.5×374kpa＝-187kpa(6)

σy＝k0σz＝-0.5×374kpa＝-187kpa(7)

土壓力梯度grad計(jì)算公式如下：

其中，σ1為地層底部應(yīng)力(kpa)；h為地層的高度(m)。

由式(3)求得地層底部z方向的應(yīng)力為：

σ1＝σ0+γh＝-50m×22kn/m³＝-1100kpa(9)

由式(8)求得土壓力梯度為：

1.1.4)模型網(wǎng)格的劃分

運(yùn)用flac3d有限差分法建立土體模型時(shí)，取y軸正方向?yàn)槎軜?gòu)隧道開挖的前進(jìn)方向，模擬的長度為50m，地表的外法線方向?yàn)閦軸正方向，模擬的長度為50m，水平向右方向?yàn)閤軸正方向，模擬的長度為50m。隧道外半徑為3m(其中內(nèi)半徑為2.7m，襯砌層厚度為0.25m，注漿層厚度為0.05m)。此外，該土體模型中土體采用brick單元來模擬，隧道采用cylinder單元來模擬，襯砌和注漿層采用shell單元來模擬，隧道周邊的土體采用radcylinder單元來模擬；整個(gè)土體模型一共有140000個(gè)網(wǎng)格單元，146931個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，如圖4所示。

1.1.5)地層的初始平衡

在建立好土體模型后，還要根據(jù)此前土體的材料參數(shù)、模型的邊界條件和初始應(yīng)力使模型的初始狀態(tài)達(dá)到平衡，這個(gè)過程一般通過flac3d程序中的solve命令執(zhí)行，經(jīng)過一定時(shí)步后，土體的不平衡力慢慢減小，當(dāng)不平衡力和加載力的比值小于1％時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到了平衡狀態(tài)；經(jīng)過計(jì)算，該土體模型的最大不平衡力收斂圖如圖5所示。

1.1.6)盾構(gòu)隧道施工模擬

此次盾構(gòu)隧道施工模擬還考慮了襯砌管片和注漿層等盾構(gòu)物理因素，以及施工過程中的前方頂推力和超前支護(hù)等施工工藝。為了簡化計(jì)算，假設(shè)盾構(gòu)刀盤的尺寸大致與盾殼外徑相等，盾尾空隙會(huì)損失部分盾構(gòu)上方的土體，導(dǎo)致地層沉降。

盾構(gòu)施工過程中，一般采用即時(shí)注漿法來填補(bǔ)盾尾產(chǎn)生的空隙，而經(jīng)盾構(gòu)開挖后的隧道橫截面一般為不均勻的環(huán)形。等代層即盾構(gòu)開挖過程中，隧道周圍的土體因受到擾動(dòng)而自動(dòng)往盾尾空隙回填來保證開挖后的隧道橫截面成均勻的環(huán)形。實(shí)際等代層中，有水泥漿、土體和兩者的混合物，物理性質(zhì)比較復(fù)雜，因此在土體模型建立中，需要對(duì)等代層進(jìn)行理想化，使之為一個(gè)勻質(zhì)的環(huán)形。

盾構(gòu)支護(hù)材料具體參數(shù)如下表2所示。

表2盾構(gòu)支護(hù)材料具體參數(shù)

詳細(xì)的盾構(gòu)開挖步驟如下：

a、利用flac3d程序中的shell單元模擬支護(hù)單元，對(duì)盾構(gòu)開挖進(jìn)行超前支護(hù)；

b、利用flac3d程序中的null單元對(duì)隧道進(jìn)行逐步模擬開挖，設(shè)y＝0為開挖面，每步向前開挖2m，即兩個(gè)襯砌單元長度；

c、在開挖完一步后，進(jìn)行下一步開挖前，同樣進(jìn)行超前支護(hù)；此時(shí)，拆除上一步的超前支護(hù)，同時(shí)澆上混凝土襯砌和注漿層；

d、重復(fù)步驟a～c，直至盾構(gòu)隧道開挖完成；隧道開挖一步的示意圖如圖6a所示，超前支護(hù)的示意圖如圖6b所示，注漿及襯砌支護(hù)示意圖如圖6c所示。

1.2)地表變形分析

土體模型在盾構(gòu)隧道開挖完成后，即建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型，其隧道橫向沉降槽和縱向沉降槽的示意圖分別如圖7a和圖7b所示。

1.2.1)數(shù)值模擬結(jié)果與peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

這里需要說明的是，在采用peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算時(shí)，最重要的是要確定地層損失率，這對(duì)預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道開挖后地表沉降結(jié)果影響很大。結(jié)合本實(shí)施例盾構(gòu)施工段工程的勘察資料及以往深圳地區(qū)隧道開挖的工程經(jīng)驗(yàn)，本實(shí)施例取隧道的地層損失率為＝1.5％，隧道半徑為3m，隧道埋深為17m，計(jì)算得到沉降槽的寬度參數(shù)＝11.75m，最后再計(jì)算地表沉降值，如下：

其中，δ(x)為沉降槽斷面上，距離隧道中心軸線x處地表的沉降值(m)；vs為地層損失量，或?yàn)槌两挡勖娣e(m3/m)，vs＝πr²η；r為隧道半徑，η為地層損失率；x為距離隧道中心線的橫向距離(m)；i為沉降槽的寬度參數(shù)(m)，可通過以下公式計(jì)算得到：

其中，z為地表至隧道中心的距離(m)，即隧道中心埋深；φ為隧道周圍土體的內(nèi)摩擦角。

如圖8所示，為盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型數(shù)值模擬結(jié)果與peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果得到的地表土體沉降槽的對(duì)比圖，從圖中可知，采用flac3d有限差分軟件模擬的結(jié)果與peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的地表土體沉降槽形狀非常接近，沉降趨勢(shì)基本吻合。其中，數(shù)值模擬計(jì)算的隧道開挖導(dǎo)致地表最大沉降值為12.91mm，而peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的地表最大沉降值為13.56mm。兩者產(chǎn)生差異的原因可能是peck經(jīng)驗(yàn)公式缺乏理論基礎(chǔ)，而是根據(jù)實(shí)際工程中盾構(gòu)參數(shù)以及具體施工工藝而選取不同的參數(shù)；flac3d有限差分軟件偏向于理想化的狀態(tài)，忽略了實(shí)際工程中具體操作產(chǎn)生的誤差。因此研究盾構(gòu)隧道開挖對(duì)地表沉降的影響應(yīng)結(jié)合這兩種方法的結(jié)果，這樣才會(huì)更接近工程實(shí)際的沉降值。

1.2.2)隧道開挖后引起的地表水平位移

如圖9所示，為盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體影響的數(shù)值模型的地表土體水平位移曲線圖，此處地表土體水平位移選取的斷面為y＝25m。由圖可知，位于隧道兩側(cè)的土體分別向相反方向運(yùn)動(dòng)，即隧道左側(cè)的土體向右運(yùn)動(dòng)，隧道右側(cè)的土體向左運(yùn)動(dòng)；位于隧道軸線上方的土體位移為0，說明盾構(gòu)隧道開挖引起地表水平位移大致以隧道軸線為中心線左右對(duì)稱，這可能與數(shù)值建模時(shí)網(wǎng)格劃分、約束加載的對(duì)稱性有關(guān)；地表土體最大水平位移值為5.08mm，距離隧道軸線9m。這表明盾構(gòu)隧道開挖對(duì)距隧道軸線1.5d范圍內(nèi)的土體影響較大，距隧道軸線大于1.5d范圍的土體影響較小。

1.3)隧道側(cè)邊土體的位移

1.3.1)隧道側(cè)邊土體的豎向位移

由于盾構(gòu)隧道開挖模型的對(duì)稱性，取隧道左邊土體為研究對(duì)象，即此處隧道側(cè)邊土體的豎向位移選取的斷面為x＝-3m；如圖10所示，為x＝-3m處土體豎向位移曲線圖，從圖中可知，從地表z＝17m往下至z＝2m，隨著地層所處深度的增加，土體沉降越來越大，但增幅不大，沉降最大處為z＝2m，位移值為-21.5mm；但隨著深度的繼續(xù)增大，土體的沉降迅速減小，隧道軸線平面處土體的豎向位移近似為0；此時(shí)，隨著深度繼續(xù)增大，土體位移出現(xiàn)正值，表明土體開始向上運(yùn)動(dòng)(即隆起)，隆起最大處為z＝-2m，位移值為7.78mm，此后位移值不斷減小直至為0；盾構(gòu)隧道施工過程中注漿壓力、注漿位置等因素會(huì)對(duì)襯砌管片產(chǎn)生影響，造成土體上浮現(xiàn)象。

1.3.2)隧道側(cè)邊土體的水平位移

如圖11所示，x＝-3m地表處土體的水平位移為2.84mm，正值表示朝著隧道軸線方向運(yùn)動(dòng)；隨著地層深度的增加，土體朝著隧道軸線的水平位移慢慢增大，且在隧道軸線平面處的位移值最大，為13.30mm；在z＝0以下，隨著深度的繼續(xù)增大，土體水平位移逐漸減小，并有遠(yuǎn)離隧道軸線方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

2)建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型，對(duì)隧道開挖過程中和隧道開挖結(jié)束后的群樁豎向位移、群樁水平位移、群樁軸向應(yīng)力和群樁切應(yīng)力進(jìn)行分析，得到隧道開挖過程中和隧道開挖結(jié)束后各樁基的位置對(duì)豎向位移、水平位移、軸向應(yīng)力、切應(yīng)力的影響情況；

2.1)建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型

本實(shí)施例在建立的土體模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)運(yùn)用flac3d有限差分軟件建立盾構(gòu)隧道側(cè)穿群樁基礎(chǔ)的模型，然后通過盾構(gòu)隧道開挖過程的數(shù)值模擬分析，研究隧道開挖對(duì)鄰近群樁所受到的影響。

本實(shí)施例所建立的盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型中，土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型(mohr-coulombmodel)，樁結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用各向同性的彈性模型(elasticisotropicmodel)，土體、襯砌和樁單元均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

2.1.1)群樁的材料參數(shù)

根據(jù)上述廣州地鐵三號(hào)線某盾構(gòu)隧道施工段工程的相關(guān)勘察資料，本實(shí)施例采用的承臺(tái)和框基材料及其參數(shù)如下表3所示。

表3承臺(tái)和框基材料及其參數(shù)

2.1.2)模型網(wǎng)格的劃分

運(yùn)用flac3d有限差分法建立樁基土體模型時(shí)，同樣取y軸正方向?yàn)槎軜?gòu)隧道開挖的前進(jìn)方向，模擬的長度為50m，地表的外法線方向?yàn)閦軸正方向，模擬的長度為50m，水平向右方向?yàn)閤軸正方向，模擬的長度為50m。隧道外半徑為3m(其中內(nèi)半徑為2.7m，襯砌層厚度為0.25m，注漿層厚度為0.05m)。在2×2的群樁中，前排樁到隧道中心軸線的水平距離為8米，后排樁到隧道中心軸線的水平距離為12米，即樁間距為4米，樁基半徑rp＝0.5米，樁長(樁基入土深度)l＝20米，樁基承臺(tái)(三維尺寸為8m×8m×1m)頂面與地表齊平。

此外，在樁基土體模型中，土體采用brick單元來模擬，隧道和樁單元采用cylinder單元來模擬，襯砌和注漿層采用shell單元來模擬，樁基承臺(tái)和隧道周邊的土體采用radcylinder單元來模擬；整個(gè)模型一共有147808個(gè)網(wǎng)格單元，153296個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，樁基土體模型如圖12所示，群樁與隧道位置之間的相互關(guān)系如圖13a和圖13b所示。

2.1.3)邊界條件

樁基土體模型的邊界條件同樣通過flac3d程序中fix命令來進(jìn)行約束，且做以下設(shè)定：在x＝-25m、x＝25m、y＝0m和y＝50m四個(gè)面上添加法向約束，在z＝-33m面上添加固定約束，z＝17m(上表面)為自由邊界。模型邊界條件如圖14a和圖14b所示。

2.1.4)盾構(gòu)隧道施工模擬

模擬盾構(gòu)隧道施工過程，需利用flac3d對(duì)模型執(zhí)行以下開挖命令：

a、開挖前，對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，即將此前因土層、樁基自身重力導(dǎo)致的土體位移清零；

b、利用flac3d軟件中的shell單元模擬支護(hù)單元，對(duì)盾構(gòu)開挖做超前支護(hù)；

c、利用flac3d軟件中的null單元對(duì)隧道進(jìn)行逐步模擬開挖，設(shè)y＝0為開挖面，每步向前開挖2m，即兩個(gè)襯砌單元長度；

d、在開挖完一步后，進(jìn)行下一步開挖前，同樣需進(jìn)行超前支護(hù)；此時(shí)，拆除上一步的超前支護(hù)，同時(shí)澆上混凝土襯砌和注漿層；

e、重復(fù)步驟b～d，直至盾構(gòu)隧道開挖完成；整個(gè)過程需進(jìn)行25步開挖循環(huán)，盾構(gòu)隧道施工才算完，即建立了盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型，如圖15所示，為樁基土體模型某一步開挖過程圖(模型左半部分)。

2.2)兩階段法與數(shù)值模擬方法的對(duì)比分析

運(yùn)用兩階段法來檢驗(yàn)數(shù)值模擬方法的合理性，圖16a示出了采用兩階段法和數(shù)值模擬方法計(jì)算盾構(gòu)隧道開挖引起鄰近群樁基礎(chǔ)前排樁a11和后排樁b12豎向位移的對(duì)比圖，而圖16b則示出了軸向應(yīng)力的對(duì)比圖；由圖16a可知，利用兩階段法和數(shù)值模擬方法計(jì)算得到前排樁a11的最大豎向位移分別為-4.0404mm和-3.4910mm；利用兩階段法和數(shù)值模擬方法計(jì)算得到后排樁b12的最大豎向位移分別為-2.0159mm和-1.5075mm；對(duì)于樁基的豎向位移，數(shù)值模擬方法的計(jì)算結(jié)果比兩階段法的結(jié)果略小，這是因?yàn)閿?shù)值模擬方法考慮了樁基和土體之間的相互作用，而在這個(gè)角度上看，兩階段法則直接把土體的位移施加給樁基，忽略了兩者之間的相互作用；由圖16b可知，利用兩階段法和數(shù)值模擬方法計(jì)算得到的樁基軸向應(yīng)力圖形狀大體相似，且兩種方法均在隧道軸線上方軸向應(yīng)力值達(dá)到最大；利用兩階段法和數(shù)值模擬方法計(jì)算得到前排樁a11的最大軸向應(yīng)力分別為-1243.69kpa和-1205.72kpa；利用兩階段法和數(shù)值模擬方法計(jì)算得到后排樁b12的最大軸向應(yīng)力分別為-582.37kpa和-539.23kpa。

因此，采用數(shù)值模擬方法研究盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)的影響在理論上是比較合理的，也為實(shí)際工程中問題的求解提供了一種更方便更科學(xué)的研究方法。

2.3)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)有限差分軟件flac3d對(duì)盾構(gòu)隧道開挖引起鄰近群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生形變的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，包括群樁豎向位移、群樁水平位移、群樁軸向應(yīng)力、群樁切應(yīng)力。

2.3.1)群樁豎向位移

圖17a和圖17b分別為盾構(gòu)隧道開挖至一半和整體開挖完后群樁的豎向位移圖；當(dāng)隧道開挖至一半時(shí)，由圖17a可知，靠近隧道軸線的前排樁a11和a12，它們的豎向位移要比遠(yuǎn)離隧道軸線的后排樁b11和b12要大些；而距離盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)方向較近的前排樁a12和后排樁b12，它們的豎向位移要比前排樁a11和后排樁b11稍微大一點(diǎn)；前排樁a11的最大豎向位移為-1.5990mm，前排樁a12為-2.3057mm，是前排樁a11的1.44倍；后排樁b11的最大豎向位移為-0.4432mm，后排樁b12為-1.1131mm，是后排樁b11的2.51倍，這些數(shù)據(jù)說明，隧道開挖過程中，離盾構(gòu)機(jī)越近的樁基，其豎向位移受到的影響就越大；當(dāng)隧道最終開挖完后，由圖17b可知，前排樁a11和a12的豎向位移幾乎重合在一起，后排樁b11和b12也是如此；但總的來說，后排樁的最大豎向位移為-1.5075mm，前排樁為-3.5258mm，是后排樁的2.34倍，即越靠近隧道軸線的樁基，其豎向位移受到的影響就越大。

2.3.2)群樁水平位移

圖18a和圖18b分別為盾構(gòu)隧道開挖至一半和整體開挖完后群樁的水平位移圖；當(dāng)隧道開挖至一半時(shí)，由圖18a可知，靠近隧道軸線的前排樁a11和a12，它們的水平位移要比遠(yuǎn)離隧道軸線的后排樁b11和b12要大些；而距離盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)方向較近的前排樁a12和后排樁b12，它們的水平位移要比前排樁a11和后排樁b11稍微大一點(diǎn)；前排樁a11的最大水平位移為2.2738mm，前排樁a12為2.4278mm，是前排樁a11的1.07倍；后排樁b11的最大水平位移為2.1575mm，后排樁b12為2.3625mm，是后排樁b11的1.1倍，這些數(shù)據(jù)說明，隧道開挖過程中，離盾構(gòu)機(jī)越近的樁基，其水平位移受到的影響就越大；當(dāng)隧道最終開挖完后，由圖18b可知，前排樁a11和a12的水平位移幾乎重合在一起，后排樁b11和b12也是如此；但總的來說，后排樁的最大水平位移為4.2059mm，前排樁為4.3966mm，是后排樁的1.05倍，即越靠近隧道軸線的樁基，其水平位移受到的影響就越大

2.3.3)群樁軸向應(yīng)力

圖19a和圖19b分別為盾構(gòu)隧道開挖至一半和整體開挖完后群樁軸向應(yīng)力圖，由圖可知，當(dāng)隧道開挖至一半，即盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前排樁a12、后排樁b12附近時(shí)，此時(shí)樁a12、樁b12的軸向應(yīng)力相比樁a11、樁b11來說都要大些；且群樁中，位于隧道中心軸線所在的水平面上的樁基，其軸向應(yīng)力相比樁身其他位置也要大些；當(dāng)隧道開挖完成后，前排樁a11和a12的軸向應(yīng)力曲線圖幾乎重合在一起，后排樁b11和b12也是如此；且后排樁的最大軸向應(yīng)力為-545.6kpa，前排樁的最大軸向應(yīng)力為-1205.72kpa，是后排樁的2.21倍，這說明盾構(gòu)隧道開挖過程中，靠近隧道軸線的樁基，其軸向應(yīng)力受到的影響比遠(yuǎn)離隧道軸線的樁基受到的影響明顯要大。

2.3.4)群樁切應(yīng)力

圖20a和圖20b分別為盾構(gòu)隧道開挖至一半和整體開挖完后群樁切應(yīng)力圖；由圖可知，盾構(gòu)隧道開挖過程中，群樁切應(yīng)力變化趨勢(shì)大體相似，且越接近隧道拱底，切應(yīng)力隨著樁基的埋深增加呈現(xiàn)總體向負(fù)方向增大的趨勢(shì)；在隧道拱底所處的縱向水平面上，群樁的切應(yīng)力值達(dá)到最大；開挖完后，前排樁的最大切應(yīng)力為-221.82kpa，后排樁由于受到前排樁的保護(hù)(屏蔽效應(yīng))，最大切應(yīng)力為-225.06kpa，比前排樁略大。

3)通過改變?nèi)簶兜臉堕L、樁間距，對(duì)隧道開挖過程中的群樁豎向位移、群樁水平位移、群樁軸向應(yīng)力和群樁切應(yīng)力進(jìn)行分析，得到群樁中樁長和樁間距對(duì)各樁基在隧道開挖過程中的影響情況；

盾構(gòu)隧道開挖過程中，除了盾構(gòu)等外在因素對(duì)樁基的變形和內(nèi)力有影響外，本節(jié)著重研究群樁本身的單樁樁長、各樁之間的距離等因素對(duì)其在盾構(gòu)隧道開挖過程中的影響。通過改變?nèi)簶兜臉堕L、樁間距，并對(duì)比各自得出的結(jié)果，最后分析各因素對(duì)結(jié)果的影響情況。

3.1)改變樁長

為了更好研究群樁樁長對(duì)其變形和內(nèi)力的影響情況，本實(shí)施例在樁長20m的前提下，取樁長17m和樁長23m作對(duì)比模型(這里說的樁長均是樁的入土深度)，且利用有限差分軟件flac3d分析。

3.1.1)群樁豎向位移

圖21a為樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中前排樁a11的豎向位移圖，而圖21b為后排樁b12的豎向位移圖，由圖中可知，前后排的樁，其豎向位移均隨著樁長的不同而產(chǎn)生變化，總體趨勢(shì)是：樁長越長的群樁，其樁的豎向位移就越小。

由flac3d計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)樁長為17m時(shí)，前排樁a11的最大豎向位移為-4.4945mm，后排樁b12的最大豎向位移為-2.2113mm，較前排樁沉降小2.2832mm；當(dāng)樁長為20m時(shí)，前排樁a11的最大豎向位移為-3.4910mm，后排樁b12的最大豎向位移為-1.5075mm，較前排樁沉降小1.9835mm；當(dāng)樁長為23m時(shí)，前排樁a11的最大豎向位移為-2.2177mm，后排樁b12的最大豎向位移為-0.7124mm，較前排樁沉降小0.2343mm。

盾構(gòu)隧道開挖有一定的影響區(qū)域，當(dāng)樁長為17m時(shí)，此時(shí)樁較短，并處于影響區(qū)域范圍內(nèi)，樁基周圍的土體受到盾構(gòu)隧道施工的擾動(dòng)較大，樁基便隨著土體的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，豎向位移也就大些；而當(dāng)樁長為23m時(shí)，此時(shí)樁較長，由于樁身下部分處于影響區(qū)域范圍外，受到盾構(gòu)施工的影響較小，再加上樁基周圍的土體或沉降小或產(chǎn)生隆起，樁的豎向位移相應(yīng)就小些。

3.1.2)群樁水平位移

圖22a為樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中其前排樁a11的水平位移圖，而圖22b為后排樁b12的水平位移圖，由圖中可知，前后排的樁，其水平位移均隨著樁長的不同而產(chǎn)生變化，且變化趨勢(shì)大體相同；對(duì)于不同樁長的群樁，處于同一深度的樁基，其水平位移隨著群樁樁長的增大而變小。

由flac3d計(jì)算結(jié)果可知，位于隧道中心軸線所在水平面上的樁基，當(dāng)樁長為17m時(shí)，其前排樁a11的水平位移為4.6249mm，后排樁b12的水平位移為4.6032mm；當(dāng)樁長為20m時(shí)，其前排樁a11的水平位移為3.1123mm，后排樁b12的水平位移為2.9787mm；當(dāng)樁長為23m時(shí)，其前排樁a11的水平位移為2.5228mm，后排樁b12的水平位移為1.9690mm；這些數(shù)據(jù)表明，隨著群樁的樁長增大，其前后排樁基的水平位移均會(huì)減小，且減小的趨勢(shì)較為明顯。

3.1.3)群樁軸向應(yīng)力

圖23a為樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中其前排樁a11的軸向應(yīng)力圖，而圖23b為后排樁b12的軸向應(yīng)力圖，由圖中可知，前后排的樁，其軸向應(yīng)力均隨著樁長的不同而產(chǎn)生變化，且變化趨勢(shì)大體相同；對(duì)于不同樁長的群樁，處于同一深度的樁基，其軸向應(yīng)力隨著群樁樁長的增大而變大。

由flac3d計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)樁長為17m時(shí)，前排樁a11的最大軸向應(yīng)力為-975.41kpa，后排樁b12的最大軸向應(yīng)力為-470.2kpa；當(dāng)樁長為20m時(shí)，前排樁a11的最大軸向應(yīng)力為-1205.72kpa，后排樁b12的最大軸向應(yīng)力為-513.38kpa；當(dāng)樁長為23m時(shí)，前排樁a11的最大軸向應(yīng)力為-1657.91kpa，后排樁b12的最大軸向應(yīng)力為-539.23kpa；且對(duì)于不同樁長的群樁，由于前排樁受到盾構(gòu)隧道施工的影響較后排樁大，樁a11的軸向應(yīng)力均先增大后減小，在隧道拱頂，即z＝3m處軸向應(yīng)力值最大，隧道拱底以下樁的軸向應(yīng)力值就逐漸減小。

盾構(gòu)隧道開挖過程中，隧道拱頂以上部分土體受到的擾動(dòng)較大，其強(qiáng)度和抗剪能力降低，此時(shí)樁體相對(duì)土體向上運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生豎直向下的負(fù)摩阻力，致使該處樁體的軸向應(yīng)力增大；而拱底以下的土體由于出現(xiàn)向上的位移，樁側(cè)的土體對(duì)于樁體產(chǎn)生正摩阻力，致使樁體的軸向應(yīng)力減小。

3.1.4)群樁切應(yīng)力

圖24a為樁長分別是17m、20m和23m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中其前排樁a11的切應(yīng)力圖，而圖24b為后排樁b12的切應(yīng)力圖，由圖中可知，盾構(gòu)隧道開挖過程中，對(duì)于不同長度樁長的群樁，其前后排樁基的切應(yīng)力變化不大，切應(yīng)力均隨著樁基的埋深增加呈現(xiàn)總體向負(fù)方向增大的趨勢(shì)，且由于群樁承臺(tái)的保護(hù)作用，靠近樁頂部位的樁基的切應(yīng)力減小趨勢(shì)較平緩。

3.2)改變樁間距

為了研究群樁樁間距對(duì)其變形和內(nèi)力的影響情況，本實(shí)施例在樁間距4m的前提下，取樁間距3m和樁間距5m作對(duì)比模型，且利用有限差分軟件flac3d分析。

3.2.1)群樁豎向位移

圖25a為樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中其前排樁a11的豎向位移圖，而圖25b為后排樁b12的豎向位移圖，由圖中可知，當(dāng)樁間距為3m時(shí)，前排樁a11的最大豎向位移為-3.2387mm，后排樁b12的最大豎向位移為-1.7468mm；當(dāng)樁間距為4m時(shí)，前排樁a11的最大豎向位移為-3.4910mm，后排樁b12的最大豎向位移為-1.5075mm；當(dāng)樁間距為5m時(shí)，前排樁a11的最大豎向位移為-3.5659mm，后排樁b12的最大豎向位移為-1.1544mm。

以上數(shù)據(jù)表明，前排樁a11的豎向位移隨著樁間距的增大而增大，但增大的速率在變??；而后排樁b12的豎向位移隨著樁間距的增大而減小，但減小的速率在變大。

盾構(gòu)隧道開挖具有一定的影響區(qū)域，隨著群樁樁間距的不斷增大，前排樁不斷靠近影響區(qū)域，則豎向位移在增大；后排樁不斷遠(yuǎn)離影響區(qū)域，則豎向位移在減?。浑S著靠近或遠(yuǎn)離的程度增大，樁基豎向位移增大或減小的速率便不斷減小，最后增大或減小至一定值。

3.2.2)群樁水平位移

圖26a為樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中其前排樁a11的水平位移圖，而圖26b為后排樁b12的水平位移圖，由圖可知，盾構(gòu)隧道開挖過程中，對(duì)于不同樁間距的群樁，其前后排樁基的水平位移變化不大，且水平位移均隨著樁基的埋深增加呈現(xiàn)總體增大的趨勢(shì)。

3.2.3)群樁軸向應(yīng)力

圖27a為樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中其前排樁a11的軸向應(yīng)力圖，而圖27b為后排樁b12的軸向應(yīng)力圖，由圖可知，當(dāng)樁間距為3m時(shí)，前排樁a11的最大軸向應(yīng)力為-1045.47kpa，后排樁b12的最大軸向應(yīng)力為-604.8kpa；當(dāng)樁間距為4m時(shí)，前排樁a11的最大軸向應(yīng)力為-1205.72kpa，后排樁b12的最大軸向應(yīng)力為-539.23kpa；當(dāng)樁間距為5m時(shí)，前排樁a11的最大軸向應(yīng)力為-1335.94kpa，后排樁b12的最大軸向應(yīng)力為-473.48kpa；

以上數(shù)據(jù)表明，前排樁a11的軸向應(yīng)力隨著樁間距的增大而增大，而后排樁b12的軸向應(yīng)力隨著樁間距的增大而減小，這與此前研究樁的豎向位移隨著樁間距不同的變化大致相同。由此可見，盾構(gòu)隧道開挖對(duì)樁基在z(即深度)方向較x、y(即橫縱向水平)方向的影響較大。

3.2.4)群樁切應(yīng)力

圖28a為樁間距分別是3m、4m和5m時(shí)的群樁在盾構(gòu)隧道開挖過程中其前排樁a11，而圖28b為后排樁b12的切應(yīng)力圖，由圖可知，盾構(gòu)隧道開挖過程中，對(duì)于不同樁間距的群樁，其前后排樁基的切應(yīng)力變化不大，且切應(yīng)力大體隨著樁基的埋深增加呈現(xiàn)總體向負(fù)方向增大的趨勢(shì)。

4)根據(jù)隧道開挖對(duì)周圍土體的影響情況，隧道開挖過程中和隧道開挖結(jié)束后各樁基的位置對(duì)豎向位移、水平位移、軸向應(yīng)力、切應(yīng)力的影響情況，以及群樁中樁長和樁間距對(duì)各樁基在隧道開挖過程中的影響情況，對(duì)實(shí)際盾構(gòu)隧道開挖工程中的鄰近群樁基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)；

在實(shí)際盾構(gòu)隧道開挖工程(本實(shí)施例為廣州地鐵三號(hào)線某盾構(gòu)隧道施工段工程)中，當(dāng)盾構(gòu)隧道開挖穿越鄰近群樁基礎(chǔ)時(shí)，常常會(huì)提前對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)采取一定的保護(hù)措施，以最大程度降低樁基在盾構(gòu)隧道施工過程中所受到的影響。常見對(duì)樁基的保護(hù)措施包括以下三種：在隧道與樁基之間設(shè)置隔斷、對(duì)樁基周圍的土體進(jìn)行加固和樁基托換，如下：

4.1)設(shè)置隔斷

設(shè)置隔斷，一種通過在地層中加入結(jié)構(gòu)單元來加固地層的方法，這種結(jié)構(gòu)單元與被保護(hù)的樁基之間沒有直接聯(lián)系，也不是在建隧道的其中一部分。常見的隔斷有地下連續(xù)墻、挖孔樁、樹根樁、深層攪拌樁和鋼板樁等，它們不僅能承受由地基差異沉降產(chǎn)生的負(fù)摩阻力以及地下工程施工過程引起的側(cè)向土壓力，而且能阻斷隧道開挖引起的圍巖應(yīng)力的傳遞，使應(yīng)力大部分通過樁基傳給地層中的持力層，降低隧道開挖對(duì)周圍建筑物基礎(chǔ)的影響。但這里要說明的是，隔斷本身的施工也是近鄰施工，施工過程同樣要控制對(duì)周圍土層的影響。

4.2)土體加固

土體加固一般有以下兩種方式，對(duì)隧道周圍土體加固和對(duì)建筑物地基加固。對(duì)隧道周圍土體加固通常是增大隧道周圍土體的強(qiáng)度，降低其在隧道施工過程中的擾動(dòng)程度，減輕地層損失；而對(duì)建筑物地基加固通常是通過對(duì)建筑物地基加固注漿等方法來增大地基的承載能力和剛度，從而降低對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

4.3)樁基托換

當(dāng)樁基阻擋了隧道的開挖，即現(xiàn)有樁基處于隧道的施工線路上時(shí)，必須要對(duì)樁基進(jìn)行截?cái)嗌踔寥コ?，這時(shí)一般通過樁基托換的方法改變現(xiàn)有樁基的傳力路線，以最大程度降低隧道施工對(duì)鄰近建筑物的影響。

綜上所述，本實(shí)施例以廣州地鐵三號(hào)線某盾構(gòu)施工段為工程背景，利用有限差分軟件flac3d建立盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)影響的數(shù)值模型，全面考慮了土體的分層、施工過程盾尾空隙、注漿壓力、盾構(gòu)機(jī)外殼與土體之間的摩擦力以及掌子面土體的欠挖或超挖等因素，并在建模時(shí)合理模擬了樁基與周圍土體的接觸、襯砌與圍巖之間的接觸作用，同時(shí)綜合模型材料參數(shù)、邊界條件和初始應(yīng)力三個(gè)方面，利用flac3d程序中的null單元對(duì)隧道進(jìn)行逐步模擬開挖，從而得出盾構(gòu)隧道施工引起地表變化規(guī)律以及鄰近群樁基礎(chǔ)的響應(yīng)情況。然后在前面的工作基礎(chǔ)上，通過改變?nèi)簶吨袠堕L、樁間距等參數(shù)，分析這些參數(shù)對(duì)整體模型的影響情況，最后總結(jié)出相關(guān)的研究結(jié)論。通過此次數(shù)值模擬分析以及理論求解，結(jié)論如下：

一、盾構(gòu)隧道開挖對(duì)周圍土體的影響

1、采用flac3d有限差分軟件模擬的結(jié)果與peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的地表土體沉降槽形狀非常接近，且沉降趨勢(shì)基本吻合，前者的計(jì)算結(jié)果小于后者，這是由于flac3d程序偏理想狀態(tài)，而peck經(jīng)驗(yàn)公式重以往工程經(jīng)驗(yàn)。因此研究盾構(gòu)隧道開挖對(duì)地表沉降的影響應(yīng)結(jié)合這兩種方法的結(jié)果，這樣才會(huì)更接近工程實(shí)際的沉降值。

2、盾構(gòu)隧道開挖后，位于隧道軸線上方的地表沉降最大；遠(yuǎn)離隧道軸線，地表沉降不斷減小。

3、盾構(gòu)隧道開挖對(duì)距隧道軸線1.5d范圍內(nèi)的土體影響較大，距隧道軸線大于1.5d范圍的土體影響較小。

4、盾構(gòu)隧道開挖后，處于隧道軸線上方的土體，隨著地層所處深度的增加，沉降越來越大，在靠近隧道處取得極值；由于盾構(gòu)施工時(shí)注漿壓力、注漿位置等因素會(huì)對(duì)襯砌管片產(chǎn)生影響，處于隧道軸線下方的土體，會(huì)出現(xiàn)土體上浮現(xiàn)象。

二、盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近群樁基礎(chǔ)的影響

1、對(duì)于樁基的豎向位移，數(shù)值模擬方法的計(jì)算結(jié)果比兩階段法的結(jié)果略小，這是因?yàn)閿?shù)值模擬方法考慮了樁基和土體之間的相互作用，而在這個(gè)角度上看，兩階段法則直接把土體的位移施加給樁基，忽略了兩者之間的相互作用。

2、盾構(gòu)隧道開挖過程中，離盾構(gòu)機(jī)越近，樁的豎向位移和水平位移受到的影響就越大，即樁基越靠近隧道軸線，其豎向位移和水平位移受到的影響就越大。

3、盾構(gòu)隧道開挖過程中，靠近隧道軸線的樁基，其軸向應(yīng)力受到的影響比遠(yuǎn)離隧道軸線的樁基受到的影響明顯要大。

4、盾構(gòu)隧道開挖過程中，群樁切應(yīng)力變化趨勢(shì)大體相似，且越接近隧道拱底，切應(yīng)力隨著樁基的埋深增加呈現(xiàn)總體向負(fù)方向增大的趨勢(shì)；在隧道拱底所處的縱向水平面上，群樁的切向應(yīng)力值達(dá)到最大。

5、盾構(gòu)隧道開挖過程中，樁長越長的群樁，其樁的豎向位移就越?。惶幱谕簧疃鹊臉痘?，其水平位移隨著群樁樁長的增大而變小，其軸向應(yīng)力隨著群樁樁長的增大而變大；切應(yīng)力均隨著樁基的埋深增加呈現(xiàn)總體向負(fù)方向增大的趨勢(shì)。

6、前排樁的豎向位移和軸向應(yīng)力隨著樁間距的增大而增大，但增大的速率在變小，而后排樁的豎向位移隨著樁間距的增大而減小，但減小的速率在變大；隨著樁間距的改變，前后排樁基的水平位移、切向應(yīng)力變化不大；

7、盾構(gòu)隧道開挖對(duì)樁基在z(即深度)方向較x、y(即橫縱向水平)方向的影響較大。

以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實(shí)施例，但本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。