盾构隧道施工对邻近桥梁桩基础的影响及风险控制值研究

摘要

采用理论分析、数值模拟、试验数据相结合的方法，研究了盾构隧道施工影响下邻近桥梁桩基的力学响应规律及风险控制指标。具体研究内容和丰要成果如下:
　　(1)将桩基引起的地层附加应力影响范围与Randolph提出的影响半径进行对比分析，界定桩基影响区域和非影响区域的半径。基于掌子面压力、注浆压力的理论取值范围及单位长度上土体损失量等于沉降槽面积的条件，利用三维弹塑性有限元进行计算分析，给出掌子面压力、注浆压力在桩基非影响区域内的建议取值，并修正总间隙参数的计算表达式;结合桩基非影响区域内盾构施工参数的建议取值及桩基对地层产生的附加应力，给出桩基影响区域内盾构施工参数建议取值的数学表达式。研究结果表明:工作面的土压力合力选取工作面静止土压力合力，注浆压力选取1.1倍的隧道埋深处水土压力时，对地层的扰动较小。
　　(2)将盾构隧道作为柱体空腔，引入了柱体空腔膨胀理论。基于mindlin解将掌子而压力在开挖面引起的三维土体位移转换为径向位移后，给出总间隙参数的计算表达式，用以分析土体损失率的变化;基于土体损失率分析隧道半径在土体损失下的影响;用注浆压力代替隧道柱体空腔的均布围压。结合桩基影响区域内的盾构施工参数的建议取值，应用柱体空腔膨胀理论、荷载传递函数的统一形式、荷载传递本构及变形协调法分析四种工况下桩基的力学响应规律。同时采用有限元计算结果和试验数据验证了隧道柱体空腔膨胀理论、施工参数建议取值的合理性、可行性及适用性。研究结果表明:在同一工况及λ=2、4、6的荷载传递函数形式下，桩基竖向位移的计算结果相同，桩基附加轴力及附加摩阻力的计算结果随着λ值的增大而减小;在不同工况及相同的荷载传递函数形式下，随着桩基与隧道的水平距离每增加3m，桩基竖向位移减小约1.5mm左右，桩基附加轴力及附加摩阻力的下降幅度值约为0.16×2n-1;在λ=2的荷载传递函数形式中，桩侧土体竖向位移、桩基竖向位移、桩基附加轴力及桩基附加摩阻力值与有限元计算结果较为接近;解析计算的桩端地层竖向应力折减系数明显大于试验所得的折减系数，解析计算的桩基承载力折减系数明显小于试验所得的折减系数，并且桩端地层竖向应力折减系数随着隧道与桩基水平距离增加而增大，桩基承载力折减系数随着隧道与桩基水平距离增加而减小。
　　(3)基于《公路桥梁承载能力检测评定规程》确定桥梁承载能力评定参数;采用有限元法分别计算桥梁结构的剩余承载力和结构内力;选取桥梁结构的内力不大于剩余承载能力时的桥梁结构差异变形值，作为工程的最终风险控制指标;根据盾构隧道施工影响下每个阶段控制步各监测控制点的变形响应规律，将最终风险控制指标分配给每个阶段控制步，得到工程的阶段风险控制指标。以地铁公主坟站一西钓鱼台站区间盾构隧道穿越普惠桥工程为例进行仿真分析。结果表明:该工程的最终风险控制指标为中幅桥台竖向差异沉降不大于10.0mm;边幅桥台竖向差异沉降不大于5.0mmm;桥台水平位移均不大于5.1mm;中幅桥台的竖向阶段风险控制指标明显高于边幅桥台的竖向风险控制指标，但二者水平向的阶段风险控制指标较为接近。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道施工对地层的影响研究现状

1．2．2 隧道施工对桩基的影响研究现状

1．2．3 隧道邻近桥梁桩基础的风险控制值研究现状

1．2．4 研究现状分析

1．3 研究内容和技术路线

2 盾构隧道施工对桩基影响的理论分析

2．1 盾构隧道施工对桩基影响的解析理论

2．1．1 盾构隧道施工引起的地层应力及变形

2．1．2 荷载传递法的本构关系及传递函数

2．1．3 桩基附加轴力、摩阻力及竖向位移

2．2 盾构隧道施工对地层及桩基影响的有限元理论

2．2．1 理论依据

2．2．2 有限元计算理论

2．3 本章小结

3 桩基对盾构隧道施工参数的影响研究

3．1 桩基引起地层竖向附加应力的理论分析

3．1．1 理论依据

3．1．2 比例系数的确定

3．2 桩基影响区和非影响区的界定

3．3 非影响区内盾构施工参数的取值范围

3．3．1 掌子面压力的取值范围

3．3．2 注浆压力的取值范围

3．4 非影响区内盾构施工参数的建议取值

3．4．1 地层及盾构计算参数取值

3．4．2 掌子面压力的建议取值

3．4．3 注浆压力的建议取值

3．4．4 土体损失的计算修正

3．5 影响区内盾构施工参数的建议取值

3．6 本章小结

4 盾构隧道施工对邻近桥梁桩基础的影响研究

4．1 计算工况及计算参数的确定

4．1．1 盾构隧道引起的位移影响区域

4．1．2 地层及结构的计算参数

4．1．3 计算工况

4．1．4 盾构施工参数的取值

4．2 解析计算结果分析

4．2．1 荷载传递函数形式的选取

4．2．2 桩基及桩侧土体竖向位移计算结果分析

4．2．3 桩基附加轴力及摩阻力计算结果分析

4．3 与有限元计算结果对比分析

4．3．1 桩基及桩侧土体竖向位移对比分析

4．3．2 桩基附加轴力及摩阻力对比分析

4．4 与离心模型试验结果对比分析

4．4．1 离心模型试验结果

4．4．2 解析法折减系数与试验折减系数的对比分析

4．5 本章小结

5 盾构隧道邻近桥梁桩基础的风险控制值研究

5．1 风险控制值的制定原则及计算方法

5．1．1 风险控制值的制定原则

5．1．2 风险控制值的计算方法

5．1．3 风险控制值的制定办法和程序

5．2 基于桥梁剩余承载力确定风险控制值

5．2．1 桥梁承载能力计算参数的评定

5．2．2 构件截面折减系数ξc的评定

5．2．3 钢筋截面折减系数ξs的评定

5．2．4 承载能力检算系数Z1及承载能力恶化系数ξe的评定

5．2．5 最终和阶段风险控制指标确定方法

5．3 工程案例分析

5．3．1 工程概况

5．3．2 桥梁剩余承载力计算参数的确定

5．3．3 数值模拟参数的确定

5．3．4 有限元模型的建立及隧道掘进过程模拟

5．3．5 最终风险控制指标的确定

5．3．6 阶段风险控制指标的确定

5．4 本章小结

6 主要结论及创新点

6．1 主要研究结论

6．2 创新点

参考文献

发表论文及参与课题

学位论文数据集