[发明专利]上下重叠隧道盾构施工对托换桩基影响的数值分析方法

摘要

本发明公开了一种上下重叠隧道盾构施工对托换桩基影响的数值分析方法，首先，利用FLAC 3D有限差分软件，对承受荷载的托换桩基模型进行模拟，分析其沉降以及变形规律，然后针对桩基托换后重叠隧道开挖的过程，模拟盾构法重叠隧道开挖，分析其对地表沉降以及桩基位移应力的影响，接着对开挖顺序、隧道间距以及托换桩基的深埋、桩径、间距各个物理参数做单因素分析对比，分析不同因素对托换桩基的影响，最后得出相应的模拟数值以及桩基沉降和变形趋势。本发明具有创新意义，准确性较高，拥有广泛的工程应用前景。

主权项

1.上下重叠隧道盾构施工对托换桩基影响的数值分析方法，其特征在于：首先，利用FLAC 3D有限差分软件，对承受荷载的托换桩基模型进行模拟，分析其沉降以及变形规律，然后针对桩基托换后重叠隧道开挖的过程，模拟盾构法重叠隧道开挖，分析其对地表沉降以及桩基位移应力的影响，接着对开挖顺序、隧道间距以及托换桩基的深埋、桩径或间距各个物理参数做单因素分析对比，分析不同因素对托换桩基的影响，最后得出相应的模拟数值以及桩基沉降和变形趋势；其具体包括以下步骤：1)三维数值模型的建立1.1)土层几何模型的建立根据土层的分层可知，整个土层的地层模型分为5层，隧道开挖对周围土体的影响的范围为到隧道中心距离的3～5倍的隧道直径，在3倍的隧道直径内的土体受开挖影响的应力变化范围为10％以内，当扩大到5倍距离时影响效果为3％以下；建模时，预设开挖土层的纵横尺寸，Y方向为隧道的开挖方向，Z轴方向表示为土层的深度，通过FLAC 3D建立土层几何模型，把整个模型的区域分为网格节点和网格；1.2)初始边界条件的确定对于模型的边界条件，将模型底部以及四周的边界设为简支边界，通过FLAC 3D有限差分软件中的fix命令进行边界固定；2)初始应力的模拟利用SET grav命令对地层设置重力，对于地层的初始应力，包括竖向的应力σz，以及水平的应力σx和σy：σz＝σ0+∑γihiσx＝σy＝K0σz其中：σ0—地表面的超载应力γi—第i层土的重度hi—第i层土的厚度K0—土层静止时的土压力系数土压力的梯度用grad表示，计算如下：其中:σ1—地底层应力h—地层高度；3)托换桩基模型的建立将托换桩基简化为托换梁以及桩基两部分，且无缝相连，两者的本构关系采用FLAC 3D中的各向同性的弹性模型；托换桩基模型建立完毕后，直接将托换桩基安放于土体模型中央；由于桩基深埋已经嵌入质地较为坚硬的微风化土层，桩基底部的基础围岩强度较高，此时，视桩基为端承桩，忽略桩基周围土体对桩基的侧摩阻力；4)初始模型的平衡根据上述初始应力以及边界条件，通过使用程序中的SOLVE命令来使地层的初始状态达到平衡，即使每个网格节点的应力位移接近于零；5)重叠隧道盾构开挖施工，包括以下步骤：5.1)在开挖之前需要对盾构开挖的前一步进行超前支护，利用shell单元进行模拟支护单元；5.2)盾构机开挖是逐步往前开挖，开挖面从y＝0处开始，每步开挖设定的衬砌单元，利用null单元进行隧道开挖；5.3)开挖完第一步后，对第二步进行开挖，同样在前方一步模拟超前支护，此时，拆除后方的超前支护，同时铺上混凝土衬砌以及注浆层；5.4)反复以上过程，即重复5.1至5.3步骤，直到开挖完毕，然后进行另一隧道的开挖过程；6)经验修正公式对地表沉降的验证利用Peck修正公式法，验证模拟重叠隧道开挖对地表沉降影响的合理性，由叠加原理可知：两个不同深度隧道开挖所造成的地表影响为它们各自影响之和：重叠隧道造成的地表沉降W(x,y)为：W(x,y)≈W1(x,y)+W2(x,y)—地表沉降算子W1(x,y)—上线隧道开挖造成的地表沉降W2(x,y)—下线隧道开挖造成的地表沉降上下重叠隧道的Peck修正公式为：Vi＝VLπR2其中：S(1,2)—上下线隧道开挖对地表引起的沉降值Vi1—上线隧道开挖单位长度的地层损失Vi2—下线隧道开挖单位长度的地层损失S1max—上线隧道轴线地表处的最大沉降值S2max—下线隧道轴线地表处的最大沉降值i1—上线隧道开挖的地表沉降的宽度系数i2—下线隧道开挖的地表沉降的宽度系数Z—隧道深埋φ—土体的内摩擦角R—隧道半径VL—地层体积损失率桩基受到承台梁的荷载传递，发生了弯曲变形，然后进行了重叠隧道先后顺序的开挖，在隧道开挖完成后，桩土发生了位移变形，托换桩基的荷载以及结构呈对称性，故以右侧桩基的受力变形进行数值分析，数值模拟分别记录当托换桩基完成后、上线隧道开挖后和重叠隧道开挖完毕对不同深埋处桩基沉降的影响；7)不同参数对桩基的影响规律根据前面建立的桩土模型，研究不同因素对桩基位移和应力的影响，主要从开挖顺序、隧道间距、桩基间距或桩基长细比这些因素入手，对重叠隧道开挖引起的桩基位移和应力的影响进行分析，以得出不同参数对桩基的影响规律。