隧道开挖对邻近桩基础影响的数值计算分析

徐浙

慈溪市海涂综合开发有限公司315300

摘要：目前，随着城市的不断发展，地铁的出现给人们出行带来了很大的方便，然而，很大一部分地铁路线都要穿过城市密集区，地铁隧道周围环境极其繁杂，地铁隧道周边存在着高层建筑桩基础以及各种城市地下管线，隧道开挖对高层建筑桩基础的影响问题越来越突出，为了更好地了解隧道开挖对已建成建筑物桩基础的影响，主要进行了两方面的研究：（1）利用有限元软件分析了隧道开挖对邻近已有桩基的变形及受力影响，并研究了隧道参数变化（包括隧道开挖深度以及隧道结构与桩基础净距）对现存桩基的影响；（2）分析结果表明：在已有桩基础周边进行隧道开挖，桩基础变形以沉降为主，这对高层建筑是十分不利的；同时，随着桩与隧道净距的增加，桩基的沉降量以及内力变化最大值相应减小。

关键词：隧道开挖；桩基础；有限元；影响。

Abstract：Now，alongwiththecontinuousdevelopmentofcity，Theemergenceofthemetrobringgreatconveniencetopeople’stravel，however，abigpartofthesubwayroutethroughtheurbanizedregions，theenvironmentofsurroundingthesubwaytunnelisverycomplex，surroundingtunnelexistpilefoundationofhigh-risebuildingandvariouskindsofundergroundpipeline，theinpactsoftunnelexcavationonpilefoundationofahigh-risebuildingisbecomingmoreandmoreimportant，inordertobetterunderstandtheinfluenceoftunnelexcavationonpilefoundationofconstruction，thetwomainaspectsofithasbeenresearched：（1）usingfiniteelementanalysissoftwaretoanalysisthechangesofthedeformationandstressoftheadjacentexistingpilefoundationafterthetunnelexcavation，andresearchingtheinfluenceofpilefoundationwhentunnelparameters（includingtunnelexcavationdepthandtunnelstructureandpilefoundationinterval）changes；（2）theanalysisresultsshowthatpilefoundationdeformationtosettlementisgivenprioritytowhenthetunnelexcavationaroundit，isveryadversetothehighbuildingit；Atthesametime，alongwiththeintervalofpileandtunnelincreases，Thesettlementandinternalforceofpilefoundationcorrespondingdecrease.

Keywords：Tunnelexcavation；Pilefoundation；ElementAnalysis；influence

引言

近几年，随着城市建设的不断发展，地铁建设如火如荼，杭州、宁波的地铁项目也都相继开工建设，温州作为浙江省的经济中心之一，浙东南第一大都市，全市常住人口912.21万，居浙江省各市第一位，地铁规划项目也被写上日程。图1为了温州地铁规划总图。

然而，温州地质以软土而著称，土质差，地铁开挖势必会影响周围桩基础。芮勇勤等[1]利用FLAC2d研究了不同隧道开挖方式对建筑桩基及地面移动的影响；李宁等[2]采用有限元数值模拟分析技术，研究因隧道开挖施工而引起周围土体及不同位置单桩的变形规律。罗文林、卿伟宸等[3~4]都对隧道开挖对桩基影响做了有限元分析；李文秀、徐浩等[5~6]分析了隧道开挖对地面沉降的影响。

图1温州地铁规划总图

本文对模拟温州地铁隧道开挖，研究了地下隧道开挖对桩基的影响，这对今后温州地铁隧道开挖提供一些依据，同时，也为今后在隧道边建高层建筑时，能为桩基处理提供一些参考数据。

1.数值分析思路及模型

1.1计算理论

采用平面有限元对隧道开挖造成邻近桩基础影响进行分析，桩列等效为连续墙体，墙体等效参数利用下式进行计算[7]：

图2桩与隧道几何位置图

1.2计算参数

为了分析隧道开挖深度不同以及隧道与桩相对位置的影响，对参数S2、Z进行分析，模型参数见表1，地质分布及主要物理力学指标见表2。

表1模型参数

衬砌厚0.35m，衬砌混凝土标号强度等级为C50。桩基础混凝土标号强度等级为C60。隧道衬砌及桩基础均采用线弹性模型模拟。桩基础弹性模量Epile为3.25×107kPa，泊松比为0.2。等效墙体参数根据不同的桩位布置情况按式（1）进行计算，其中墙体厚度与桩身直径一致[7]。

1.3有限元模型

有限元模拟中桩基和土体均采用15节点三角形实体单元，隧道衬砌结构采用15节点曲梁单元。土体为弹塑性材料，服从莫尔-库仑屈服准则，桩基及隧道衬砌采用弹性材料。图3给出了工程计算模型图。计算边界水平方向各取为1倍桩长影响范围，即80m，竖直方向取1倍桩长影响范围，即65m。边界约束条件为底边界固定，两侧边界水平位移约束。排水边界条件为底边及两侧向边界为不排水边界，顶部为自由排水边界。地下水位取场地平均水位即地表下1m。

图3有限元模型网格图

在数值分析中，分2种工况对这一问题进行模拟。隧道地层损失约为2%。先是桩基施工、加载。最后进行隧道开挖，其中忽略了桩基加载所引起的影响。不考虑地基基础与桩之间的连接，认为桩与桩之间相互独立，只考虑隧道开挖对桩基的影响。

2.参数分析

2.1隧道开挖深度Z的影响

保持桩间距不变，隧道和桩基础的净距S2不变，分析隧道开挖深度Z=15，20，25，30m时桩基结构变形和内力的变化。随着隧道开挖深度不同，1#桩基础变形和内力变化见图4~图7。

图12Z对桩身弯矩的影响

2.2隧道与桩净距S2的影响

保持S1=1.5m，Z=30m不变，计算S2为3，6，9，12m时桩基结构变形及受力情况。隧道开挖完成后，桩基变形及内力变化随不同S2的变化情况见图13~16图。

图21S2桩身弯矩的影响

2.3计算结果分析

从图8、图9、图10，、图11、图12中可以看出，随着Z的增大，桩基础变形和内力不断增大。就拿1#桩分析，随着隧道开挖深度Z的变化，1#桩的侧向有位移由9.18mm增大到了10.44mm，桩的沉降由4.02mm增大到了6.62mm，桩的轴力由1.16×103kN增大到了1.30×103kN，剪力由35.32kN增大到了52.45kN，弯矩由32.80kNm增大到了41.11kNm。

从图17、图18、图19，、图20、图21中可以看出，随着S2的增大，桩基础变形和内力不断减小，同样取1#桩进行分析，1#桩的侧向有位移由10.44mm减小到了5.58mm，桩的沉降由6.62mm减小到了2.79mm，桩的轴力由1.30×103kN减小到了1.10×103kN，剪力由52.48kN减小到了34.56kN，弯矩由41.11kNm减小到了19.52kNm。

因此，隧道的开挖深度及与桩基础的净距对桩基础的变形及内力有很大的影响。

3.结论

（1）隧道开挖对邻近桩基础的变形有显著影响，当桩基础荷载位于隧道单侧时，桩基础产生一定的沉降，并且使桩基产生不等的沉降量，这会使建筑物基础产生不均匀沉降，对于建筑物是非常不利的。

（2）桩基础荷载对邻近的隧道受力亦有显著影响，在桩基础建设前，隧道弯矩分布对称于竖直轴线，隧道开挖后，造成桩基础所受弯矩分布向隧道方向偏转。

（3）从参数分析结果来看：①随着桩间距以及隧道与桩基础间净距的增加，桩基变形及受力受到桩基础的影响相应减小；②随着隧道开挖深度的增大，桩基变形及受力受到桩基础的影响相应增大；

（4）根据采用该平面应变有限元分析方法对隧道开挖的模拟，结果

该方法能够较为有效地了解桩基础在隧道施工前后的变形及受力的变化。

参考文献：

[1]芮勇勤，岳中琦，唐春安等.隧道开挖方式对建筑物桩基础影响的数值分析[J].岩石力学与土木工程学报，2003年5月，第22卷第5期.

[2]李宁，王柱，韩煊等，地铁开挖对上部桩基础变形的影响研究[J].土木工程学报，2006年10月，第39卷第10期.

[3]罗文林，刘赪炜，韩煊等，隧道开挖对桩基础工程影响的数值分析[J].岩土力学，2007年，第51卷.

[4]卿伟宸，廖红建，周冬峰等，隧道开挖对桩基础影响的有限元分析[J].土工基础，2007年，第05期.

[5]李文秀，翟淑华，乔金丽.隧道开挖引起地表下沉及其影响分析[J].岩石力学与工程学报.2004年第52期.

[6]徐浩.隧道开挖对地面建筑物影响的研究[D].重庆交通大学.2010年.

[7]SCHROEDERFC，POTTSDM，ADDENBROOKETI.Theinfiuenceofpilegrouploadingonexistingtunnels[J]Geotechnique，2001，54（6）：351-362.