针对隧道开挖对桩基工程影响的数值分析

'第28卷增刊岩土力学Vol.28Supp.2007年10月RockandSoilMechanicsOct.2007文章编号：1000－7598－（2007）增刊－0403－05隧道开挖对桩基工程影响的数值分析罗文林，刘赪炜，韩煊（北京市勘察设计研究院，北京100038）摘要：隧道开挖对邻近桩基工程影响的问题引起了国内外诸多学者关注。在概述目前研究成果的基础上，探讨了采用有限差分数值模拟技术模拟建筑物桩基的方法以及参数取值问题，并就北京某地铁隧道近距离穿越某桩基工程进行了模拟，分析了隧道开挖施工而引起周围土体及桩基的变形特点。其结果可为地铁建设中预测地铁开挖对于周围环境的影响提供参考。关键词：隧道开挖；桩基础；数值模拟中图分类号：TU473文献标识码：ANumericalsimulationofbehaviourofpiledfoundationinfluencedbytunnelingLUOWen-lin,LIUCheng-wei,HANXuan(BeijingGeotechnicalInstitute,Beijing100038,China)Abstract:Moreattentionisfocusedontheproblemoftunnelingpassingacrosstheadjacentpilefoundation.Onthebasisofastudyofthecurrentresearchfindings,themethodandparameterdeterminationofnumericalsimulatingonpilefoundationarediscussed.AcasehistorythatthetunnelwasconstructedthroughtheadjacentpilefoundationinBeijingissimulated,anddeformationcharacteristicsofsurroundinggroundandneighboringpiledfoundationscausedbytunnelexcavationareanalyzed.Theresearchresultscanbeservedasareferencetopredictingtheinfluenceonthesurroundingenvironmentbytunnelexcavation.Keywords:tunnelexcavation;pilefoundation;numericalsimulation（表1）的思路是：首先，估计隧道施工引起的自1引言由场地情况下桩基位置处土体的位移，然后把所估隧道开挖掘进会引起地层的位移，对于已有的计的土体位移施加于桩，利用各种方法（比如剪切结构，这种位移会降低其基础的承载力，同时引起位移法、弹性理论法、有限差分法、有限单元法或[1]附加的变形、差异沉降以及侧向位移。当地层变边界元法等）分析桩的内力和位移。形超过一定范围时，就会危及邻近结构物的安全。对于埋置较深的桩基来说，一般桩基与隧道的相对表1采用两阶段法分析隧道对桩基影响的文献总结Table1Summarizeofresearchesontwo-stageanalysis位置较近，这种影响往往更加严重。在北京地区，阶段2：桩在位移作用下的由于地铁工程往往穿越繁华路段，路边高楼林立，文献来源阶段1：自由土体位移性状其中很多建筑都采用了桩基础；除此以外，市政桥Loganathan和Poulos简化的边界单元法（Poulos悉尼大学（1998年）闭合解和Davis，1980年）梁也往往采用桩基加固。因此，隧道与桩基的共同宾希法尼亚州Peck（1969年），Mair作用问题非常突出。所以在隧道施工前，应正确预类似剪切位移法立大学等人（1993年）经验法测和掌握隧道施工对沿线结构物可能造成的不利影Loganathan和Poulos基于弹性理论法的程序日本（1998年）理论解（PRAB）响，为完善隧道设计以及隧道施工提供指导与参考。同济大学黄茂Loganathan和Poulos剪切位移法+有限差分法隧道开挖对邻近建筑物桩基影响的分析方法除松等（2005）（1998年）理论解了现场试验方法与模型试验方法外，主要还有两阶悉尼大学有限单元法边界单元法段分析方法和完全数值方法[2−4]。两阶段分析方法伊朗有限单元法（未知）收稿日期：2007-05-31作者简介：罗文林，男，1978年生，硕士，工程师，主要从事岩土工程方面的设计与研究工作。E-mail:wenlinluo@163.com 404岩土力学2007年完全的数值方法是相对于两阶段方法（在该方计算结果也更加可靠。但是，界面单元的模型参数法中，往往在一个阶段中采用经验法或弹性理论法）在计算中很难确定，没有统一的取法和现成的经验，[5，6]而言的。它采用数值分析技术（有限单元法或往往是由技术人员的个人经验和主观判断决定的，有限差分法）进行分析。这种方法可以考虑桩-土-因此，其计算结果的可靠性难以确定。隧道的耦合作用（表2）。本文采用FLAC中的桩单元（pile）来模拟桩，作为可靠的数值分析预测的基础，本文首先研与上述两方法相比，有两点优越性：首先，桩单元究讨论了在数值分析中桩单元的模拟方法和模拟参的建模简便，简化建模过程；其次，桩-土间的相互2D数。然后采用FLAC有限差分软件，就北京某地作用可通过桩单元各节点处的耦合连接弹簧与周围铁线路近距穿越某桩基工程，主要从地表位移、承网格相连，用耦合连接弹簧来传递力和变形，更贴台变形和桩的挠曲等角度对桩基工程承载力的影响切地反映了桩土间的相互作用。但是，耦合连接弹进行数值分析研究。簧的参数也很难确定，成为模拟分析中难点和关键。2.2桩单元模型参数2桩单元及其参数研究（1）弹性模量2.1桩单元的模拟方法根据桩的材料特性，即钢筋弹性模量E、混凝s在FLAC数值模拟中，对桩模型的建立一般有土的弹性模量E和钢筋的配筋率α，按式E=c[7]以下三种途径：仅用实体模型、实体模型和界面EEα+(1−α)确定；sc单元联合、FLAC软件中自有的桩单元（pile）。但（2）切向耦合弹簧的刚度cssstiff_和法向耦合它们在模拟计算时，由于方法的不同，计算的结果弹簧刚度csnstiff_。也不同。桩和网格的交界面的剪切强度是由一个在桩的单独采用实体模型建模时，桩的模拟是通过给端节点处的弹簧-滑块系统表示的，在桩节点和周围定弹性参数来模拟结构的特征，周围土体给定土的网格之间的相对位移而产生的剪切力，在数值上由岩性参数，再进行数值计算。这种方法不能准确地连接弹簧曲线的剪切刚度cs(cssstiff_)来表示sstiff反映桩-土间的相互作用，无法模拟桩土间的相对位（图1）。移，与工程实际情况不符。Fs=−cs()uu（1）sstiffpm实体和界面单元共同采用，在实体单元中引入L界面单元，来模拟桩-土间的相互作用，改进了上述式中：Fs为剪切连接弹簧产生的剪切力；up为桩的方法的不足之处，不但可传递桩-土间的力，也可模轴向位移；um为岩土介质界面的轴向位移；L为作拟桩-土间的相对位移，模拟方法得到了较大提高，用的单元长度。表2采用数值方法分析隧道对桩基影响的文献总结Table2Summaryofresearchonfullnumericalanalysis文献维数软件分析问题土的本构荷兰Vermeer和Bonnier（1991年）2D（PLAXIS）有限元密排桩M-C法国Mroueh和Shahrour（1999年）3DPECPLAS有限元程序单桩，群桩M-C弹性阶段：双曲加拿大Boone和Carvalho（2002年）2DFLAC有限差分线；M-C新加坡Cheng等人（2003年）3DABAQUS有限元单桩，东北线穿过桥墩桩基非线性弹塑性香港Lee和Ng（2005a，2005b）3DABAQUS弹塑性耦合固结有限元单桩弹塑性伦敦Lee（2004年）2DCRISP有限元单桩李坤（2003年）2DABAQUS单桩M-C西南交通大学张志强等人（2003年）3DANSYS深圳地铁一期工程（双桩）M-C广州地铁二号线隧道通过电化教长沙交通学院芮勇勤等（2003年）2D为主RFPA2D和FLAC程序M-C育学院录音楼桩基王柱（2005年），李宁等（2006年）3DFINAL奥地利有限元程序单桩，双桩M-C南京林业大学杨平，朱逢斌（2006年）3DPLAXIS3DTunnel单桩M-C西南交通大学李强等（2006年）2DFLAC流固耦合分析广州地铁五号线西村站高架桥桩M-C中国矿业大学杨晓杰等（2006年）3DFLAC广州地铁二号线浅理暗挖隧道M-C上海11号线盾构下穿交大某建筑同济大学杨永平等（2006年）2D（未说明）M-C群桩基础 增刊罗文林等：隧道开挖对桩基工程影响的数值分析405maxFmaxFss数的取值是与土的内摩擦角和黏聚力与桩周长的乘Lcsfric_Lcssstiff_积有关的；当认为破坏是发生在桩-土的接触面时，1可相应降低上述参数的值来反映桩表面的光滑性。相对剪切位移cs_scoh（4）端承桩桩端连接弹簧参数Fmaxsσc′xL以上所述的桩端节点处的连接弹簧不具有端承（a）（b）力，在模拟计算端承桩时，必须将原来的连接弹簧[8]图1桩单元切向耦合弹簧的强度替换，定义一个新的连接弹簧，在桩的轴向方向添Fig.1Materialbehaviorofshearcoupling加法向屈服弹簧，通过定义适当的弹簧参数来确定springforpileelements桩端的端承力。沿桩和网格界面可能产生最大剪切力与界面黏3工程实例分析结强度和沿着界面的摩擦力有关，单位长度桩的最大的剪切力为3.1工程简介maxF北京地铁某线下穿某车站工程，隧道采用浅埋s=+csσ′tan(cs)perimeter（2）scohcsfricL暗挖法施工，隧道开挖截面为马蹄形，水平向宽度式中：cs为黏结强度，即参数csscoh_；σ′为垂scohc约为6.1m，竖向高度约为6.4m（图2）。隧道拱顶直于桩单元平均有效侧限应力；cs为剪切连接弹sfic距地表约6.5m，埋深较浅。这条线的两条行车隧簧的摩擦角，即参数cs_sfic；perimeter为桩单元的道分别从已有某轨道桩基之间穿过，隧道与已有桩外周长。之间距离最近处仅24.7cm（如图2）所示。因此，法向耦合弹簧刚度的力学性质与上述切向耦合需要对隧道开挖引起的桩基承台的位移及隧道施工弹簧刚度的强度准则相同，不再重述。顺序进行分析，以评估即有铁路轨道的变形风险。在这里称上述方法为“公式法”，在参数计算时，对式（1）中的uup，m可根据工程经验，按土性取值；CT3CT7CT15CT10式（2）中的cs和cs与土的强度参数（c和ϕ）scohsfic及桩的外周长有关。但在模拟计算时，由于上述参数较难获得，需要大量的试验资料，也可采用如下的简便方法，本文称为“经验法”，即连接弹簧刚度可用下列公式计算：⎛⎞4K+G⎜⎟cs=10max⎜⎟3（3）sstiffΔz⎜⎟⎜⎟min图2计算分析模型⎝⎠Fig.2Modelofnumericalsimulation式中：KG，分别为土的体积模量和剪切模量；Δz为桩单元与周围网格的最小距离。根据岩土工程勘察报告，该工程场区的地层由min耦合弹簧刚度是模拟桩基的关键参数，对此笔地面向下依次为：③粉土，③-1粉质黏土，④粉质者进行了专项的研究。以1999年我院在五棵松进行黏土，④-1粉土，④-3粉细砂，⑥粉质黏土，⑥-2的大型现场群桩试验资料为模拟对象，通过实测数粉土，⑦-1中粗砂，⑦卵石圆砾，地层特性差异较据与计算结果的对比分析，进行反演验证，确定一大。本文采用的计算参数见表3。[9]3.2桩基设计条件及参数种合适的工程取值方法。通过对比研究，发现弹簧刚度采用“经验法”3.2.1承台设计参数比“公式法”的模拟更接近桩基受力的实际情况。模拟所选用的隧道开挖剖面穿过承台厚度为所以本文采用“经验法”来确定弹簧刚度。0.8m。承台上作用荷载按照以下数值考虑：CT15（3）切向耦合弹簧的黏聚强度csscoh_、摩阻为4822kN，CT10为6074kN，CT7为2889kN，力cssfric_CT3为1300kN，桩-承台-土共同承担上部荷载。当认为桩-土的破坏是发生在土中的，则上述参初始条件中忽略了弯矩的作用，仅考虑竖向荷载。 406岩土力学2007年表3土层物理力学参数地面水平坐标/mTable3Parametersofmodelmaterials−8−6−4−20246−0.6地层凝聚力内摩擦角密度弹性模量岩性−3−0.7编号/kPa/（°）/g⋅cm/MPa1杂填土010210−0.8①-1粉土填土322326.6/cm①-2细砂填土0151.940−0.94粉质黏土3117.62.048.1竖向位移−16粉质黏土4820.92.0410.3⑦-3粉质黏土4122211.7−1.18粉质黏土5423.11.9817−1.29卵石0402.17010粉质黏土7023.4219.3图4开挖引起的地面竖向沉降（右侧隧道上方）Fig.4Surfacegroundsettlementtrough11卵石0402.180abovetherighttunnel3.2.2桩的设计条件侧隧道因距两侧桩基都很近，上方地面的最大沉降桩的设计条件为：桩长为为19.1~23.9m，桩点仍在隧道中心线位置。因土台的影响，右侧受桩径为0.8m，桩距为2m。基的影响相对较小，所以在地面最大沉降点两侧地3.3分析模型的建立面沉降呈不对称分布，近土台一侧地表变形要大。地基土采用Mohr-Coulomb模型。承台采用右侧隧道地面最大沉降为11.06mm。beam梁单元模拟。桩采用桩单元模拟。所需要确定3.4.2承台变形分析的计算参数按照以下方法考虑：桩的横截面积、外隧道开挖引起了地表的沉降，也引起了桩及承周长按照桩径的0.8计算。桩的弹性模量按照C30台的变形。由于桩基的支承作用，各个承台的沉降混凝土考虑。桩的凝聚力和摩擦角（切向和法向）要小于地面的沉降值。表4为承台中心点沉降与承按照土层参数计算，即假定桩土界面的变形和强度台自身差异沉降的对比。从相邻承台中心点沉降来由土层条件控制。隧道衬砌采用liner衬砌单元模看，相邻承台最大差异沉降发生CT7与CT13之间，拟。计算分析模型见图2。沉降差为3.97mm。承台CT7与CT13之间中心点3.4模拟结果分析差异沉降最小，为0.81mm。从承台自身的差异沉3.4.1地表位移分析降来看，承台CT15与CT10的变形最大。所以隧隧道开挖引起地表沉降，图3和图4分别为隧道开挖后，承台CT7的沉降较大，承台CT15与CT10道开挖时隧道上方地表竖向位移的模拟结果对比的差异沉降较大，承台CT13离隧道较远，几乎不图。受近侧桩基的影响，左侧隧道上方地面的最大受影响。表4承台变形点位置并不在隧道中心线上，而是向近桩侧偏移。Table4Deformationofpile-cap在最大沉降点两侧地面位移基本对称分布，近桩一承台中心点沉降/mm承台两端桩沉降差/mm侧略偏小。左侧隧道地面最大沉降为11.14mm。右CT15CT10CT7CT13CT15CT10CT71.962.774.160.195.276.360.97地面水平坐标/m−10−5051015203.4.3桩的变形分析−0.2对于隧道施工引起邻近桩基的变形问题，本文−0.4####选取了邻近隧道的1，3，4与6桩进行了变形分/cm−0.6析（以CT15至承台CT3方向为序）。####图5为1，3，4与6桩为隧道开挖引起的侧−0.8竖向位移向变形图。从图中可以看出，隧道开挖的影响引起−1了桩基向隧道一侧的变形。桩体的最大侧向变形在−1.222mm左右。桩体的侧向变形与离隧道的距离以及邻近桩基的相互影响有关。图3开挖引起的地面竖向沉降（左侧隧道上方）Fig.3Surfacegroundsettlementtrough必须提出的是，按照一般的基于单桩的理论推abovethelefttunnel导结果（例如澳大利亚Loganathan等人的研究）， 增刊罗文林等：隧道开挖对桩基工程影响的数值分析407桩体产生最大挠曲的位置一般处于隧道起拱线附桩基的相互影响有关。近。但是根据本文的分析成果，由于复杂的群桩-（5）受桩基的影响，左右隧道的拉伸区和挤压土-承台的相互作用因素，桩体挠曲规律比较复杂。区差别很大。特别是桩身最大挠曲一般都位于隧道埋深以上高参考文献程。另外，桩身的具体挠曲规律是和桩端相对于隧[10][1]韩煊，李宁.地铁隧道施工引起地层位移规律的探讨[J].道埋深的相对位置关系有重要联系。例如对于短岩土力学，2007，28（3）：187－191.桩，当其桩端位于隧道侧上方时，必然引起向隧道HANXuan,LINing.Studyofsubsurfaceground一侧的位移。但是对于本次模拟的情况，即桩端埋movementcausedbyurbantunneling[J].RockandSoil深远远大于隧道埋深时，由于桩端的“锚固”作用，Mechanics,2007,28(3):187－191.使其变形特点更为复杂。本文计算得到的上述规律[2]ChenLT,PoulosHG,LoganathanN.Pileresponses[10]与李宁、王柱等人的研究成果一致。causedbytunneling[J].JournalofGeotechnicalandEnvironmentalEngineering,1999,125(3):207－215.[3]LoganathanN,PoulosHG.Analyticalpredictionsoftunnelling-inducedgroundmovements[J].JournalofGeotechnicalandGeoenviromentalEngineering,1998,124(9):846－856.[4]黄茂松，张宏博，赵红波，等.浅埋隧道施工对建筑物桩基的影响分析[J].岩土力学，2006，27（8）：1379.HUANGMao-song,ZHANGHong-bo,ZHAOHong-bo,##4#6#etal.Analysisofpileresponsescausedbytunnelling[J].13RockandSoilMechanics,2006,27(8):1379.图5沿桩身的侧向变形[5]VermeerPA,BonnierPG.PilesettlementsduetoFig.5Lateraldeflectionofpiletunnelling[J].Proceedingsofthe10thEuropean4结论ConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering,1991,2(5):869－872.本文探讨了采用有限差分数值模拟技术模拟建[6]MrouehH,ShahrourI.Three-dimensionalanalysisofthe筑物桩基的方法以及参数取值问题。对北京某地铁interactionbetweentunnellingandpilefoundations[A].隧道近距离穿越某桩基工程进行了模拟，研究了隧8thInternationalSymposiumonNumericalModelsin道开挖引起周围土体位移及桩的变形的影响，结果Geomechanics,[s.l.]:[s.n.],1999.397－402.表明：[7]韩煊，罗文林，刘赪炜，等.地铁隧道引起地面变形的（1）隧道开挖引起的地面的变形规律与邻近桩数值分析方法[R].北京：北京市勘察设计研究院研究报告，2007.基的影响有关。[8]Itasca软件公司.FLAC软件手册[P].2005.（2）隧道的开挖会对邻近的桩基产生影响，隧[9]刘赪炜，韩煊.北京地区桩基数值模拟方法初步研究道开挖后，承台CT7的沉降较大，承台CT15与CT10[R].北京：北京市勘察设计研究院研究报告，2006.的差异沉降较大。[10]李宁，王柱，韩煊，等.地铁开挖对上部桩基变形的影（3）承台CT3相距隧道较远，加之承台CT7响研究[J].土木工程学报，2006，39（10）：107－111.的阻隔效应对它的影响，隧道开挖对它产生的影响LINing，WANGZhu，HANXuan，etal.Numericalstudy较小，沉降和差异沉降也较小。ofsubwaytunneling-inducedpile-foundationdeformations[J].（4）隧道的开挖会引起承台及桩向隧道开挖一ChinaCivilEngineeringJournal,2006,39(10):107－侧变形。桩体的侧向变形与离隧道的距离以及邻近111.'