多条盾构隧道穿越既有桥基的三维有限元分析

第５４卷第３期　厦门大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉａｍｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　ＶｏＩ．５４　Ｎｏ．３　Ｍａｙ　２０１５　２０１５年５月　多条盾构隧道穿越既有桥基的三维有限元分析　王　琦　，杜一鸣　（天津大学建筑工程学院，滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室（天津大学），天津３０００７２）　摘要：城市建设和地下轨道交通的飞速发展给地铁施工带来了全新的挑战，施工环境的日益复杂多变使得城市地铁施　工难度不断加大．结合天津某地铁线路二Ｔ二程实例，利用三维有限元软件ＰＩ　ＡＸＩＳ　３Ｄ　２０１２分析了四线同时穿越既有桥基　时，盾构穿越对桥基变形受力性状的影响及对周边环境土体变形的影响．计算结果显示：隧道掘进可引起桩基础产生上　部沉降、下部隆起的变形，以及较小的水平位移；四线盾构掘进后，土体产生的累积沉降形状为“ｕ”型；四线穿越后的桥　基群桩的桩侧总摩阻力基本不变；计算得到的相应控制指标均处在变形控制标准以内，工程安全可行．　关键词：盾构法掘进隧道；既有桥基；有限元分析；变形控制标准　中图分类号：Ｔｕ　４７３　文献标志码：Ａ　文章编号：０４３８　０４７９（２０１５）０３—０４２８　０８　工程案例，采用考虑土体硬化特性的硬化土模型　（ｈａｒｄｅｎｉｎｇ－ｓｏｉｌ　ｍｏｄｅ１）的ＰＬＡＸＩＳ　３Ｄ　２０１２三维有限　随着城市建设的发展和地铁网络建设的完善，城　市地铁建设的施工环境日益复杂多变．由于大多数城　市的早期规划中未考虑到地铁线路的规划，导致地铁　隧道在既有建（构）筑物的基础下穿越施工的案例时　有发生．穿越施工不仅给隧道施工带来困难，同时也　对既有建（构）筑物造成一定的影响　。］．　元软件对工程进行了施工模拟，重点分析了桥梁桩基　在盾构掘进过程中自身的受力和变形形态，进而对项　目进行了前期安全评估．　杨永平等　通过平面数值分析研究了盾构隧道　近距离下穿某建筑群桩基础，结果表明隧道穿越使群　桩基础及地表产生了沉降，但沉降数值在现行规范容　１　工程概况　天津地铁Ａ线路某盾构区间，单线隧道总长（右　许范围内．马伟斌等ｌ５　对暗挖法隧道下穿铁路桥进行　了三维数值分析并与监测数据进行了对比，结果表明　隧道下穿使铁路桥桥基和轨道结构产生了超过容许　线）１　１５１．４７　ｍ．出站后左右线为上下叠线（有线在上，　左线在下），随后右线逐渐降低并形成双线平行形式，　最终再次以上下叠线（左线在上，右线在下）形式进　的沉降变形，实际施工时采用了经过改进的施工方　法，保证了铁路桥的安全．黄新民　通过平面数值分　析研究了盾构隧道下穿人行天桥的桩基础，结果表明　站．其中重叠段区间隧道长度约４１５　ｍ；Ｂ线路某盾构　区间，单线隧道总长（右线）１　９０９　ｍ．Ｂ线路本区间，左　右线平面完全重叠，其中左线在下，右线在上．两条线　路在本区间内掘进施工存在的自身风险主要为并行　和交叠隧道．两线路在以上两区间内的某市政桥梁位　须对该桩基础周围进行注浆加固，以保证人行天桥的　安全．综合国内外研究及案例可知，盾构掘进过程中　穿越既有桩基础桥梁时难度较大．采用数值模拟手段　对盾构掘进进行模拟，计算掘进过程中对既有桩基产　生的影响，评估桩基安全，并有针对性地提出控制标　准及保护措施，在实际工程中发挥越来越重要的作　置交汇并共同穿越该桥桥基，形成四线同时穿越该桥　桩基的不利工况．此时，盾构隧道距离桥基边缘最近　处仅２　ｍ，盾构穿越桥基平面图及位置关系详见图１　～２．盾构掘进将对桥基产生很大的影响，尤其是桩基　用．本文结合天津市两条地铁线路同时穿越某桥梁的　收稿日期：２Ｏ１４　Ｏ９　Ｏ９　录用日期：２０１４　ｌ２一Ｏ８　基金项目：天津市建设系统科技计划项目（２０１２ＧＦＷ一０５４２）　＊通信作者：ｗａｎｇｑｉｇｅｏ＠１６３．ｃｏｒｎ　的变位和受力变化将对桥梁的安全造成很大影响，施　引文格式：王琦，杜一呜．多条盾构隧道穿越既有桥基的三维有限元分析ＥＪ］．厦门大学学报：自然科学版，２０１５，５４（３）：４２８—４３５　Ｃｉｔａｔｉｏｎ：Ｗａｎｇ　Ｑｉ，Ｄｕ　Ｙｉｍｉｎｇ．：３－Ｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｐｉｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｊ］　Ｉｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉａｍｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１５，５４（３）：４２８－４３５．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　。４３０　①②⑥⑥⑧厦门大学学报（自然科学版）⑥⑥⑥⑥　　２０１５年　０　杂填土　５　５　淤泥　粉土　３　３　８　２　１　３　２　４　粉质黏土　粉质黏土　粉土粉黏　１　２　１　２　３　ｌ　４　５　●　６　３　９　８　５●　　９　７　●　２　细砂　７　２　４　粉砂　粉质黏土　ｌ　１　２　２　２　２　３　３　２　５　●　Ｏ　●　８●　　４　●　２■　　７●　　２●　　Ｏ■　　Ｏ　●　２　３　１　１　７　４　６　１　８　线弹性材料模拟．其中，桥面板采用板单元模拟，弹性　复．在生成管片的过程中考虑盾构机壳脱出后的管片　｝　模量取值３０　ＧＰａ，泊松比０．２．隧道衬砌采用板单元　３●　　４　●　７●　　６●　　９●　　９●　　１●　　２●　　０　●　９　Ｏ　６　９　１　５　３　９　５　与土体之间的间隙，根据前人经验，直径收缩率取值　模拟，但考虑到隧道实际工程中管片的拼接效应，依　５　４　２　１　５　６　３　１　为０．４５　ＥＴ］．因模型尺寸较大，考虑到模型计算量，不　前人研究成果＿８　］，考虑装配式衬砌的螺栓连接刚度　｝　能做到按照管片尺寸真实模拟，故掘进长度定为６　ｍ　●　对整体结构的影响，对衬砌刚度进行折减．计算中将　３■　　４　●　７●　　６●　　９　●　９■　　１　２●　　Ｏ　●　一９　Ｏ　６　９　１　５　３　９　５　环．但考虑到掘进到桩基附近时其对桩基影响显　５　４　２　１　５　６　３　１　盾构隧道刚度有效率取为７５　，其弹性模量由３４．５　著，此掘进长度取３　ｍ一环，则每条隧道各２０环管　ＧＰａ折减为２６．０　ＧＰａ．桩基础采用Ｐｌａｘｉｓ中桩单元模　Ｉ　片，分２Ｏ个施工步掘进完毕．模型共计设置计算步　３　３　６　５　７　７　９　Ｏ　８　拟，弹性模量取值为３０　ＧＰａ．桥身梁采用梁单元模拟，１●　　２　●　Ｏ　●　５●　　２●　　６●　　０　●　３　●　　４　●　６２个．　６　３　９　２　８　４　８　４　Ｏ　弹性模量取值为３０　ＧＰａ，截面属性由工程设计图纸取　２　６　８　８　４　８　得．模型中结构物与土体的接触采用界面单元进行模　Ｏ●　　１　●　Ｏ　●　Ｏ●　　Ｏ　●　Ｏ●　　０　●　Ｏ●　　Ｏ　●　３计算结果分析　拟，折减系数根据经验取值为０．７．８　ｌ　７　７　５　６　６　６　６　４　２　Ｏ　８　８　７　８　１　５　３　７　　６　２　５　６　７　２．４施工模拟及计算步的设置　３．１地表位移分析　文献［１０］指出，对于上下重叠隧道采用先下后上　Ｏ●　　Ｏ　●　Ｏ　●　Ｏ●　　Ｏ　■　Ｏ●　　Ｏ　●　Ｏ●　　Ｏ　●　７　９　６　７　７　６　５　５　７　桩与隧道相对位置及桩体编号情况见图１．为分　的施工顺序，后建隧道对地表沉降和已建隧道的二次　析存在桩基条件下，盾构掘进对地表土体位移产生的　扰动更小．借鉴相似工程经验，并结合本工程施工特　影响。取盾构掘进方向第三排桩所在位置地表土体为　点、周围环境及施工进度等要求，最终决定先施工Ｂ　监测线（监测线位置见图１），绘制每阶段施工完成后　线路左线（下方隧道），再同时施工Ａ线路双线，最后　地表累计沉降曲线如图４所示．　施工Ｂ线路右线（上方隧道）．　由图４可知，Ｂ线路左线先开挖后，隧道上方地表　模型计算步骤为：１）进行初始地应力平衡；２）生　土体产生沉降，最大沉降约为１２．７　ｍｍ，随着距离隧　成桩基础、桥身结构单元及桩上加载；３）开挖隧道，开　道水平距离增加沉降逐渐减小，沉降槽整体上呈“Ｕ”　挖顺序依次为Ｂ线路左线（下）、Ａ线路双线、Ｂ线路　形．但值得注意的是，由于桩基的刚度远大于土体，因　右线（上）隧道．即依图２为左下一右侧同时一左上的　此盾构掘进虽然引起的各桩桩顶产生一定的沉降，但　顺序进行掘进．　最大沉降值仅为１．４　ｎｌｒｎ，出现在３—２和３—３桩顶，导　计算过程中模拟盾构机掘进和管片拼装，以充分　致在土体与桩基交界位置处沉降产生突变．根据文献　考虑盾构掘进的施工过程．其施工模拟过程为：生成　［１１］的研究结果，隧道近接穿越桩基础，当桩底标高　盾构机壳单元一开挖土体并施加掌子面压力一向前　在隧道之下（摩擦桩）时，隧道的开挖相当于隧道下方　推进盾构机并生成管片单元一继续开挖土体并生成　的土体被卸荷，故隧道下方土体和桩基础均有上浮趋　掌子面压力一继续推进盾构机并形成新的管片，后重　势，但在桩顶位置因盾构掘进形成的沉降槽效应仍产　ｌ　专　；　ｌ　《　｝　ｌ　｝　Ｘ　ｌ　ｌ　黪　｛　｛　《　｝　５　Ｏ　５　Ｏ　５　０　５　Ｏ　５　Ｏ　一　４　第３期　王琦等：多条盾构隧道穿越既有桥基的三维有限元分析　・　４３１　・　围水土压力作用下会产生竖向直径压缩水平直径伸　ｘ／ｍ　８０　１ｏｏ　１２０　１４０　１６０　ｌ８Ｏ　长的自身相对变形，因此会对隧道中心深度附近土体　的位移产生一定的制约作用，进而导致隧道上方和下　Ｂ线　方的土体位移反而大于隧道中心深度处的土体．土体　吕　世　｛　位移会影响桩基的变形，从图中可以看出，当Ｂ线路　蟋　ｏ　左线掘进完成后，相邻的３—２和３－３桩均产生向盾构　…一Ｂ线路左线穿越　Ａ线　隧道方向的变形，尤其是在桩基中部变形较大，并且　—Ａ线路双线穿越　、Ｊ　（右）　一一Ｂ线路右线穿越　３－１　３－　３　桩身在隧道上方和下方深度处的变形大于隧道中心　深度处，桩身变形呈“３”形，与上述土体的变形分析规　图４不同施工阶段地表沉降槽　律相同．由于桩基的阻隔作用，Ｂ线路左线穿越对其余　３根桩的影响相对较小．　随后Ａ线路双线掘进，３－３桩受另一侧盾构掘进　生沉降，只是较Ｇｒｅｅｎ　ｆｉｅｌｄ条件沉降有所减小，这与　本文计算结果呈现的规律基本吻合．　的影响产生反方向的位移，导致自身最大位移略有减　小；３—４桩两侧盾构同时掘进，因此左右水平位移有抵　Ａ线路双线同时开挖，最大累计沉降产生在Ａ线　路右线上方地表，最大沉降值增加至３３．３　ｍｍ，同时沉　消的效果，水平位移总量不高，但由于在Ｂ线路左线　掘进中桩身已经产生了一定的变形，因此Ａ线路双线　降槽宽度明显增大，Ｂ线路右线上方地表沉降也有所增　加，而３—１和３—２桩之间的土体由于距Ａ线路盾构较　掘进完成后，桩身更多产生向右线方向的变形；３－５桩　只受相邻Ａ线路左线掘进的影响，产生指向隧道临空　远，且受桩基阻隔作用影响较小，沉降变化不大．随后开　挖的Ｂ线路右线覆土较浅，开挖仅造成其上方土体地表　面方向的变形，并且桩身在隧道下方深度处的变形更　产生一定的沉降，对相邻位置的土体地表及各桩的影响　大．Ｂ线路右线由于埋深较浅，桩身上部受到桩顶桥梁　均较小．最终地表最大沉降出现在Ａ线路右线上方地　结构的约束较强，因此Ｂ线路右线施工过程对相邻两　表靠近３－３桩位置处，最大沉降为３３．７　ｍｍ．　桩在隧道下方深度的桩体变形影响较大，其余三根桩　在掘进过程中桩身变形相对较小，且变形趋势基本保　３．２盾构掘进过程中桩基位移变化　持不变．３—３桩和３—４桩属于两侧均有隧道侧穿；３－２　３．２．１桩基水平位移　桩和３—５桩属于单侧有隧道侧穿；３－１桩两侧均无隧道　四线隧道盾构掘进过程中，引起桩基产生的水平　侧穿．图６为各阶段隧道施工中桩身Ｘ向最大水平位　位移以Ｘ向水平位移为主．因此本文取隧道掘进方向　移比较的柱状图，通过比较可以看出，３—１桩两侧无隧　第三排桩进行分析，各阶段隧道穿越过程中桩身水平　道穿越，因此其水平位移相对较小；３—２右侧紧邻Ｂ线　位移的累计变形情况见图５．　路２条隧道开挖，可以看出在Ｂ线路左右线２次掘进　盾构机壳脱出后，在开挖面与管片之间会产生间　过程中桩身的水平位移变化最大；３－３桩左侧有２条　隙，若注浆不及时会引起土体产生向盾构隧道临空面　隧道开挖，右侧有１条隧道开挖，桩身变形主要还是　方向的位移，而管片从盾构机推出后在自身重力及周　受左侧Ｂ线路掘进影响较大，最大变形同样出现在Ｂ　水平位移／ｍｍ　水平位移／ｍｍ　水平位移／ａｒｍ　水平位移／ｍｍ　一４—２　０　２　４　—４—２　０　２　４　—４—２　０　２　４　—４－２　０　２　４　。　１　。　ｏ　－　＼　右１　。　左１　：，，隧　。。、　参　）　＿、　．　ｆＩ／一Ｂｆ　　…Ａ缎　线　…Ｂ续　３－２桩　３－３桩　３—４桩　图５各阶段隧道施工引起的工程桩ｘ向水平位移　Ｆｉｇ．５　Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｘ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｉｌｅｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｈｔｔｐ：　］ｘｍｕ　ｘ　鞭　ｅｄｔ　ｌ　ｅ辨　眦／龄　厦门大学学报（自然科学版）　４　３　２　０　０　４　ｍＢ线路左线穿越　ＤＡ线路双线穿越　Ｉ　Ｂ线路右线穿越　吕　１．９　Ｉ１　一　｛　厘　：。　圈Ｂ线路＿．　线穿　．．　２．３．圈　．１．９．　一３．２　＿－４一　一理　３－１桩　３－２桩　３－３桩　３—４桩　３－５桩　３－１桩　３－２桩　３－３桩　３—４桩　３－５桩　图６各阶段隧道施工中桩身ｘ向最大水平位移比较　Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　Ｘ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｉｌｅｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　图８各阶段隧道施工中桩身竖向最大位移比较　Ｆｉｇ．８　Ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｉｌｅｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　线路２次掘进过程中；３－４桩两侧为Ａ线路左右线，并　且左右线同时掘进，因此桩身水平位移有抵消的效　果，水平位移总量相对较小；而４条隧道均在３　５桩左　表现为隧道深度以上桩身沉降、隧道深度以下桩身隆　起的变形，而由于工程桩的阻隔作用，Ｂ线路左线穿越　对其余３根桩的影响相对较小．　Ａ线路双线掘进同样引起３—３、３—４和３　５桩产生　相应的压缩变形；值得注意的是，对于３－３桩受右侧Ａ　侧开挖，水平位移总量为桩整体向左移动，水平位移　在Ａ线路掘进过程中变化较大．通过数值比较，盾构　穿越过程中对各桩均有影响，其中对３－２、３－３和３—５桩　Ｘ向水平位移影响相对较大，各线穿越完成后最大Ｘ　向水平位移超过３　ｍｍ．　３．２．２桩基竖向位移　４　３　２　０　线路右线掘进的卸荷作用影响，桩身下部的隆起值有　所增加上部沉降值有所减小，并且隆起的范围也向上　扩展；而对于３－５桩，由于左侧Ａ线路左线埋深较大，　导致桩身上部沉降范围及沉降值均大于其他桩，且桩　身下部隆起相对较小．　Ｂ线路右线掘进对于相邻的３—２和３　３桩影响较　四线隧道盾构掘进过程中同样也会引起工程桩　产生竖向位移，本文同样取隧道掘进方向第三排桩进　行分析，并将各阶段隧道穿越过程中桩身竖向位移的　累计变形绘制于图７．　大，桩身上部沉降范围及沉降值均有所减小，３—３桩桩　顶甚至已经不再沉降，而Ｂ线路右线掘进对于其余３　根桩在掘进过程中桩身变形相对较小．　隧道掘进过程中，由于土体的卸荷作用，会引起　图８为各阶段隧道施工中桩身竖向最大位移比　较的柱状图，通过比较可以看出，３—１桩两侧无隧道穿　隧道上方土体沉降，而隧道下方土体隆起，因此相邻　工程桩在土体变形影响下也会产生上部桩身沉降下　部桩身隆起的竖向压缩变形．从图中可以看出，当Ｂ　越，因此其竖向位移变化相对较小；３－２右侧紧邻Ｂ线　路２条隧道开挖，Ｂ线路左线掘进后桩身竖向以沉降　为主，而浅埋的Ｂ线路右线掘进后桩身则过渡为隆起　竖向位移／ａｒｍ　——４—－２　０　２　４　－４线路左线掘进完成后，对于相邻的３—２和３－３桩基本　竖向位移／ｍｍ　——竖向位移／ｍｍ　—．４—－２　０　２　４竖向位移／ａｒｍ　—－２　０　２　４　４——２　０　２　４ｏ　右）　｝　ｏ　右）　．’　ｏ　左１　账　。　　。１　．　Ａ线路　左）　＿　＿　＿　：一｝　…Ｂ　Ａ　Ｒ｛　路左线穿越　路双线穿越　路右线穿越　３－２桩　３－３桩　３—４桩　３－５桩　图７各阶段隧道施工引起的工程桩竖向位移　Ｆｉｇ．７　Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｉｌｅｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　第３期　王琦等：多条盾构隧道穿越既有桥基的三维有限元分析　为主；同样３－３桩在Ｂ线路左线掘进后桩身竖向以沉　附加弯矩超过２　０００　ｋＮ・ｍ．可知，盾构掘进过程中会　降为主，而受Ａ线路双线及Ｂ线路右线影响过渡为隆　引起各桩桩身附加弯矩的增加，尤其是在Ａ线路双线　起变形，并且隆起量超过３—２桩；３－４桩与３—２桩变形　掘进过程中，对于３－３、３－４和３－５桩的影响非常明显．　过程相似；对于３－５桩，由于桩左侧的Ａ线路左线埋　深较大，导致桩身最大竖向位移一直表现为沉降，桩　ＩＢ线路左线穿越　身以沉降变形为主．通过数值比较，盾构穿越过程中　亨　ＯＡ线路双线穿越　ｍ　Ｂ线路右线穿越　对３－２、３－３、３—４和３－５桩竖向位移均有影响，各线穿越　Ｚ　完成后３－２、３－３和３—４桩以隆起变形为主，其中３—３桩　蔷　最大隆起量为２．３　ｍｍ，而Ｓ－５桩则以沉降为主，最大　萎　沉降为２．４　ｍｍ．　嚣　３．３盾构掘进过程中桩基内力变化　芰　３．３．１桩基弯矩分析　３－１桩　３－２桩　３－３桩　３－４桩　３－５桩　隧道施工影响导致的桩基内部弯矩的分布应与　图１Ｏ各阶段隧道施工中桩身最大附加弯矩绝对值比较　水平位移的分布相吻合Ｅｌ１　１２￣，将盾构隧道全部施工完　Ｆｉｇ．１　０　Ａｂｓｏｌｕｔｅ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｉｌｅｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　成后在桩基中产生的附加弯矩绘制于图９．∞　Ｏ　如　０　　Ｏ　Ｏ　Ｏ　对比图５中全部隧道施工完成后桩基的水平位移　曲线与图９中桩基的附加弯矩曲线，在桩基水平位移极　Ｉ　３．３．２　四线穿越后桩基侧摩阻分析　８３１　　值的深度，桩基础内部也产生较大的附加弯矩．尤其是　由于盾构穿越的影响，桩周土体变形引起了桩侧　对于３－３和３—４桩，由于桩两侧均有盾构隧道掘进，引起　１　６一萱　　摩阻力的变化．第三排工程桩的桩侧总摩阻力变化见　的桩身沿深度方向的水平位移变化更加剧烈，虽然３—４　唧圆圈豳　表２．表２显示，桩侧总摩阻力的总体变化不大，均处　桩的水平位移总量相对较小，但是受桩身变形的影响，－　　在６　范围以内，其中对于３—２、３－３和３—４桩影响相对　产生的附加弯矩却是在５根桩中最大，最大附加弯矩出　较大，最大增量为５．２４％．四线盾构推进后，群桩中部　现在桩身约３５　ｍ深度处．在实际施工中需要引起注意，　分桩基的总侧摩阻力增大，桩基的承载力储备得到了　一做好相应的保护措施，并加强对该桩的监测．　定程度的发挥，但变化不大．　图１Ｏ为各阶段隧道施工中桩身最大附加弯矩绝　综上所述，盾构掘进会对周围土体及桩基产生影　对值比较的柱状图，通过比较可以看出，３—１桩在隧道　响，引起桩基产生变形及附加内力．在Ｘ向水平位移　穿越过程中附加弯矩变化均相对较小；而３—２桩受右　方面，盾构掘进对３－２、３－３和３－５桩ｘ向水平位移影响　侧盾构掘进的影响，其附加弯矩变化比３－１略大，但相　相对较大，最大位移出现在３～３桩，最大值为３．８　ｍｒｎ；　比于其余３根桩很小；３－３、３—４和３－５桩受盾构掘进，　而竖向位移方面，各线穿越完成后３—２、Ｓ－Ｓ和３—４桩以　尤其是Ａ线路双线掘进的影响较大，可以看出在双线　隆起变形为主，最大隆起出现在３－３桩，最大隆起量为　掘进后桩身附加弯矩均有明显的增加，尤其是３—４桩，　２．３　ｍｍ，而３－５桩则以沉降为主，最大沉降值２．４　ｍｍ；　附加弯矩／（１０２ｋＮ・ｍ）　附加弯矩／（１０ｚｋＮ・ｍ）　附加弯矩／（１ＯｚｋＮ・ｍ）　附加弯矩／（１Ｏ　ｋＮ・ｍ）　附加弯￣／（１Ｏ　ｋＮ・ｍ）　一２４—１２　Ｏ　ｌ２　２４　—２４—１２　Ｏ　１２　２４　—２４—１２　Ｏ　１２　２４　—２４一ｌ２　０　ｌ２　２４　—２４—１２　０　１２　２４　０　１０　２Ｏ　｛３Ｏ　４ｏ　５０　６０　７０　３－２桩　３－３桩　３—４桩　３－５桩　图９隧道施工引起的桩基础附加弯矩　Ｆｉｇ．９　Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｉｌｅｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｈｔｔｐ　０ｊｘｍｕ　ｘｍ　ｅｄＬｔ　ｅ　厦门大学学报（自然科学版）　１　２　４　２　１　表２桩侧总摩阻力变化统计　析，通过对比计算结果与变形控制标准，对工程进行　了安全评估．主要得出如下结论：　１）根据隧道掘进阶段对临近既有桥梁桩基础影　响的分析可知，隧道掘进引起桩基础产生上部沉降下　一Ｔａｂ．２　Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ　ｔｏｔａｌ　ｐｉｌｅ　ｓｈａｆｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｅｖｅｒｙ　ｐｉｌｅ　Ｏ　４　６　０Ｊ　１　桩编号—３—１　３　２　３—３　桩侧总摩阻力／ｋＮ　—　１　２　４　２　施工前　施工后　桩增量　９　４　５　５　５　桩增量百分比／　１　跚　７　７　）　）　６　啪　１１３。５　１５３．５　９．２　Ｏ．４９　５．２４　３．３０　４．８８　部隆起的变形，而由于受到土体卸荷及盾构隧道的制　约共同作用，导致桩基水平方向产生“３”形变形．　２）桩基水平方向变形会引起附加弯矩，但值得注　意的是盾构施工完成后最大附加弯矩出现在３—４桩，　而该桩的水平位移却并非最大，最大附加弯矩与最大　３—４　１Ｏ６．５　３４．７　３—５　１．８１　位移并不同时出现在同一根桩上．　对于桩基附加弯矩，３－３、３－４和３－５桩变化较大，尤其　是在Ａ线路双线掘进过程中增加非常明显，各线全部　３）四线穿越后群桩的桩侧总摩阻力基本不变．群　桩中部分桩侧总摩阻力增大，桩基的承载力储备得到　一施工完后最大附加弯矩出现在３—４桩，最大值为２　１５２　ｋＮ・ｍ；而桩侧总摩阻力对于３—２、３—３和３—４桩影响　相对较大，其中３—２桩最大增加５．２４　．　针对上述分析，在盾构掘进中应对桩基进行变形　及内力的监测，并且根据桩基变形及内力变化特点有　针对性的进行重点关注，提出相应的控制指标和保护　措施，保证盾构掘进过程中的桩基安全．　定程度的发挥，但变化不大，变化值在６　以内．　４）根据四线盾构工况和单线盾构工况对桩基础　累积影响的对比分析得出，其对土体产生的累积沉降　形状为“Ｕ”型．　５）将计算结果与由相应规范得到的变形控制标　准对比分析后可知，计算值均满足工程控制标准要　求，结果表明工程安全可行．但在盾构掘进过程中仍　应对桩基进行变形及内力的监测，并根据桩基变形及　４计算结果评价　依工程需要，需对施工后桥梁及周边环境作出安　内力变化特点有针对性地进行重点关注，提出相应的　控制指标和保护措施，保证盾构过程中的桩基安全．　由于本工程尚处在设计论证阶段，无工程实测值　全性评价，依现行相关规范对计算结果进行评估．评　价结果见表３．表格中相应的控制指标均处在标准值　与计算结果进行对比分析，但根据计算结果分析和工　程经验对比，可以认为本文的计算结果处在合理的范　范围内，需指出的是，虽然在前文分析中所提及的土　体地表沉降在盾构掘进后最大达到３３．７　ｒｎｍ，但该位　置位于河底，而河道以外地表最大沉降值为２３　ｍｍ．　围之内，可对工程安全评估起到一定的指导作用．但　因有限元分析的假设和数值分析计算的局限性，对工　程做出定量精确预测难以实现，故应根据计算结果和　工程经验，在相应变形敏感部位增加监测点的布置，　在施工过程中做好监测，对超标变形等及时报警，以　保证工程施工方案的顺利实施．　因此可以认为计算得到的变形满足相关规范控制标　准要求，方案是安全可行的．　５结论与展望　参考文献：　本文结合天津地铁盾构工程实例，利用有限元分　析软件ＰＬＡＸＩＳ　３Ｄ　２０１２对工程施工进行了模拟分　［１］１ｗａｓａｋｉ　Ｙ，Ｗａｔａｎａｂｅ　Ｈ，Ｆｕｋｕｄａ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｕｎｄｅｒｐｉｎｎｉｎｇ　ｐｉｌｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｄｕｒｉｎｇ　表３计算结果评价　Ｔａｂ．３　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｍｍ　第３期　王　琦等：多条盾构隧道穿越既有桥基的三维有限元分析　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｇ６ｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９９４，４４（４）：６８１—６８９．　８　ｍａｎｕａｌｓ（２０１２）［Ｍ］．Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ：Ｄｅｌｆｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　［２］　Ｙａｍａｇｕｃｈｉ　Ｉ．Ｙａｍａｚａｋｉ　Ｉ，Ｋｉｒｉｔａｎｉ　Ｙ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ—　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＰＬＡＸＩＳ　Ｂ　Ｖ，２０１２．　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｆｏｕｒ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ｄｒｉｖｅ　ｉｎｃｌｏｓｅ　１－８３　Ｌｅｅ　Ｋ　Ｍ，Ｈｏｕ　Ｘ　Ｙ，Ｇｅ　Ｘ　Ｗ，ｅｔ　ａ１．Ａｎ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ，ｉｎ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒａｌ—　ｆｏｒ　ａ　ｊｏｉｎｔｅｄ　ｓｈｉｅｌｄ—ｄｒｉｖｅｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｉｎｇＥＪ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｌｅｌ　ｔｕｎｎｅｌｓｌ－Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈ—　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｆｏｒ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｇｅｏｍｅ—　ｎｏｌｏｇｙ，１９９８，１３（３）：２８９—３０４．　ｃｈａｎｉｃｓ，２００１，２５（４）：３６５－３９０．　－Ｉ３］　Ｔａｋａｈａｓｈｉ　Ｋ，Ｆｕｋａｚａｗａ　Ｎ，Ａｇｉｗａｒａ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ—　［９］　Ｌｅｅ　Ｋ　Ｍ，Ｇｅ　Ｘ　Ｗ．Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ　ｏｆ　ａ　ｊｏｉｎｔｅｄ　ｓｈｉｅｌｄ—　ａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｓｌｕｒｒｙ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ｗｉｔｈ　ｓｕｐｅｒｃｌｏｓｅ　ｓｐａｃｉｎｇ　ｄｒｉｖｅｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｉｎｇ　ｔｏ　ａ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｒｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｎｅａｒｂｙ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｂｕｔｍｅｎｔｓ　ｌｏａｄｓ　ｒＪ］．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃａｎａｄｉａｎ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００１，３８：　ａｎｄ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４（１９）：３９０．　４６１—４８３．　［４］　杨永平，周顺华，庄丽．软土地区地铁盾构区间隧道近接　１－１０］　郭晨．近距离重叠盾构隧道施工影响的数值模拟［Ｄ］．成　桩基数值分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００６，２（４）：　都：西南交通大学，２００９．　５６１－５６５．　［１１］　Ｊｏｎｇｐｒａｄｉｓｔ　Ｐ，Ｋａｅｗｓｒｉ　Ｔ，Ｓａｗａｔｐａｒｎｉｃｈ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｖｅｌ—　［５３　马伟斌，付兵先，杜晓燕，等．地铁隧道下穿铁路桥施工变　ｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｚｏｎｅｓ　ｆｏｒ　ａｄｊａｃｅｎｔ　ｐｉｌｅ　形分析及处理措施［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１３，９　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ　ｂｙ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　（４）：８９６－９０１．　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３，３４：９６—１０９．　［６］　黄新民．盾构隧道下穿既有桥桩工程的保护方案研究　［１２］　朱逢斌，杨平，ＯＮＧ　Ｃ　Ｗ．盾构隧道开挖对邻近桩基影　Ｉ－Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１２，８（３）：５５７—５６１．　响数值分析ＥＪ］．岩土工程学报，２００８，３０（２）：２９８—３０２．　Ｉ－７］　Ｂｒｉｎｋｇｒｅｖｅ　Ｒ　Ｂ　Ｊ，Ｅｎｇｉｎ　Ｅ，Ｓｗｏｌｆｔｓ　Ｗ　Ｍ．Ｐｌａｘｉｓ　３Ｄ　Ｕｓｅｒ　３一Ｄ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｆ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｐａｓｓｉｎｇ　Ｐｉｌｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｘｉｓｔｉｎｇ　Ｂｒｉｄｇｅｓ　ＷＡＮＧ　Ｑｉ　。ＤＵ　Ｙｉ～ｍｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏａｓｔ　Ｃｉｖｉｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　（Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｎｅｗ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｕｂｗａｙ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｍｅｔｒｏ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｃａｓｅ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｍｅｔｒｏ　Ｌｉｎｅ，ｔｈｅ　ｉｎ—　ｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａ　４－ｌｉｎｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉｌｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｓｏｉ１　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｓ　ｖｉａ　ＰＬＡＸＩＳ　３Ｄ　２０１２．Ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｃａｎ　ｃａｕｓｅ　ａ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｉｌｅ　ｈｅａｄ，ａｎ　ｕｐｌｉｆｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅ　ｂｏｔｔｏｍ，ａｎｄ　ａ　ｓｍａｌｌ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｉｌｅｓ．Ａ　Ｕ—ｓｈａｐｅ　ｔｒｏｕｇｈ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　４－ｌｉｎｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｓｈａｆｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｐｉｌｅ　ａｌ—　ｍｏｓｔ　ｒｅｍａｉｎｓ　ｕｎｃｈａｎｇｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　４－ｌｉｎｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｓ　ｒｅｇａｒｄｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｓａｆｅ　ｓｉｎｃｅ　ｅａｃｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ；ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｉｌｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｈｔｔｐ：￣ｊｘｍｕ　ｘｍｕ。ｅｄｕ。ｏｎ