CN111898184B - 浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，首先针对待施工的浅埋暗挖隧道工程，利用有限元软件建立管幕加固下的施工模型和施工阶段；然后针对施工阶段分析计算有限元结果，得出浅埋暗挖隧道管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值；再对无管幕加固时隧道施工对地面沉降的影响，以及超前小导管预加固方案下隧道施工对桩基的影响进行计算分析，得到相应的模拟数值，最后结合管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值，得出相应的桩基沉降和变形趋势。本发明可以准确的得出隧道在管幕加固下施工所造成的地面沉降值与桩基位移值，同时能直观的观测出最大沉降与变形位置。

Description

浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法
技术领域
本发明涉及浅埋暗挖隧道管幕加固技术领域，特别涉及一种浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法。
背景技术
面对城市日益拥挤的情形，地铁因其运输量大、运输效率高、环境污染低等优势，成为了目前大城市解决交通拥堵问题的第一选择。城市地铁隧道一般埋深较浅，线路经常会穿越上部建筑物的桩基础、地下管道等密布的区域。隧道施工会造成隧道拱顶沉降和底部隆起，隧道开挖造成的土体沉降主要集中在隧道的上方区域，隧道拱顶处的沉降值最大，沉降值随着埋深的减小而减少。隧道底部出现隆起现象，是由于土体应力的释放引起坑底土体向上回弹。同时，隧道开挖会对地层产生扰动，由于桩土共同作用，导致桩基承载力发生变化，导致桩基发生沉降。因此，随着隧道的开挖容易造成地层的变形，从而引起地面与桩基础位移沉降，造成严重的工程事故。
面对错综复杂的城市地下空间情况，为确定最佳地铁隧道施工方案，在施工前常常需要先对工程施工阶段进行分析，采用传统的力学方法或者理论解析法分析时，由于无法综合考虑地铁隧道的施工工法、工程地质条件、周围构筑物等因素的影响，造成了计算结果与实际数据偏差较大。
目前，在地铁施工时，为保证施工造成的土层扰动小于允许值，需要对隧道进行超前预加固措施。管幕法就是一种适应性强的超前预加固方法，管幕法是以顶管技术为基础发展而来的一种非开挖技术，是在隧道开挖之前，先利用微型顶管技术在拟建的地下建筑物周围顶入钢管或其他材质的管子,钢管的侧面用锁口依次进行连接并注入防水材料，形成一个能独立抵御上部土体荷载和周围地下水渗入的超前支护结构。随后在管幕结构的支护下，可以进行大断面地下工程施工。管幕法起源于日本，在国内的应用与研究较少，而随着城市地铁线路的增多，对施工造成扰动的控制要求也越来越高，管幕法相比与其他超前预加固方法在控制施工扰动上有着无法比拟的优势，故对管幕法的研究也具有重大意义。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，该方法可以准确的得出隧道在管幕加固下施工所造成的地面沉降值与桩基位移值，同时能直观的观测出最大沉降与变形位置。
本发明的第二目的在于提供一种计算设备。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，步骤如下：
S1、针对待施工的浅埋暗挖隧道工程，利用有限元软件建立对应的管幕加固下的施工模型和施工阶段；
S2、针对施工阶段分析计算有限元结果，得出浅埋暗挖隧道管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值；
S3、对无管幕加固时隧道施工对地面沉降的影响，以及超前小导管预加固方案下隧道施工对桩基的影响进行计算分析，得到相应的模拟数值，然后结合步骤S2得到的管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值，得出相应的桩基沉降和变形趋势。
优选的，利用MIDAS-GTS有限元软件构建施工模型，施工模型为桩-土-隧道模型，其为有限元模型。
更进一步的，步骤S1中，施工模型和施工阶段的构建过程如下：
S11、定义各种材料的属性和参数，材料包括土体、桩基、桩承台、初期支护、二次衬砌、临时钢支撑以及管幕加固区；
S12、确定模型尺寸，隧道与桩基以及桩承台的位置关系按照实际工程所在位置布置，建立起三维实体的桩-土-隧道模型；
然后采用播种的方法对实体模型进行网格划分，生成网格之后赋予网格对应的属性；
S13、定义荷载工况：将模型所受外部荷载进行定义；
S14、定义边界条件；
S15、按照管幕加固下的实际施工步骤定义模型的施工阶段。
更进一步的，步骤S11中，对于管幕加固区，利用公式对管幕加固区进行等效计算，确定管幕加固区的相应参数，具体如下：
管幕加固区中的每根钢管单元体由管幕施工顶进的钢管p和注入的水泥砂浆c这两部分组成，给管幕加固区施加应力σ1，此时钢管与水泥的应变认为是相等的，记为ε，则砂浆和钢管内的应力分别为：
σc＝Ecε
σp＝Epε
式中，Ec、Ep分别是水泥砂浆和钢管的弹性模量；σc、σp分别是水泥砂浆和钢管的应力；
设水泥砂浆和钢管的横截面积分别为Ac、Ap，单元体的横截面积为A，Vc、Vp分别是水泥砂浆和钢管的体积含量，则有：
钢管单元体的弹性模量E1为：
Vc＝Ac/A,Vp＝Ap/A＝1-Vc
设μc、μp分别是水泥砂浆和钢管的泊松比，钢管单元体的泊松比μ为：
μ＝μcVc+μp(1-Vc)。
更进一步的，步骤S12中，桩-土-隧道模型尺寸大于或等于隧道直径的3倍至5倍；
为了保证各单元之间的耦合关系，在网格划分完毕后，进一步检查单元网格是否存在自由面与锁紧单元，最终实体模型是一个闭合的空腔形式的几何体，内部不存在自由面与锁紧单元。
更进一步的，步骤S13中，模型所受外部荷载包括土体的自重荷载、桥下路面荷载和立交桥传递给承台的荷载，其中，土体自重荷载为土体本身自重；桥下路面荷载具体是隧道正上方有道路自重、行人荷载以及通行车辆荷载时作用于地表相应位置的均布荷载；立交桥传递给承台的荷载包括桥面空心板、其余混凝结构传来的恒荷载，车辆及行人施加的活荷载和风荷载；
步骤S14中，边界条件是指对模型边界的约束，设定桩-土-隧道模型顶面为不加约束的地层自由面，模型底面将X、Y、Z三个方向的自由度全部约束，模型侧方四个面均约束其在该方向上的位移。
更进一步的，步骤S15的过程如下：
在隧道开挖施工前需定义模型的初始阶段，由于隧道的埋深较浅，其构造应力较小，构造应力忽略不计，只需计算自重应力的影响，故在初始阶段对土体自身应力计算后，对其进行位移清零，只保留其应力作用；
初始阶段定义完成之后，修改承台、桩基与管幕加固区所在位置的土体属性；
随后对具体施工阶段进行定义，进行隧道开挖与支护；在隧道开挖的同时，相应的初期支护以及钢支撑也在同步进行，开挖一定距离后进行钢支撑的拆除与二次衬砌的施做，这一过程中，基于施工的不同阶段对应修改施工参数也即网格属性。
优选的，步骤S2中，有限元结果为每个施工阶段结束后模型水平方向、竖直方向和整体的位移云图，以及桩基的竖向位移云图、水平方向位移云图和整体位移云图；从模型水平方向、竖直方向以及整体的位移云图中即可找出施工完成后模型的最大沉降值；从桩基的竖向位移云图、水平方向位移云图以及整体位移云图即可找出施工完成后模型的桩基竖向位移、水平位移和整体位移的最大值。
优选的，方法还包括：在步骤S2计算得出有限元结果后，还利用PECK经验公式或者工程实测数值进行对比分析，验证模型的合理性；
PECK经验公式为：
i＝K z
式中，i为沉降槽宽度系数，可通过地质勘查资料来确定；K为沉降槽宽度参数，与土的性质有关；z为隧道的埋深。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现本发明第一目的所述的浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，首先利用有限元软件建立相应的模型，模拟隧道在管幕加固下的施工步骤，分析其对地面的沉降以及桩基位移的影响，接着对无管幕加固时隧道施工对地面沉降的影响，以及超前小导管预加固方案下隧道施工对桩基的影响进行计算分析，最后得出相应的模拟数值以及桩基沉降和变形趋势。因此，本发明可以准确的得出隧道在管幕加固下施工所造成的地面沉降值与桩基位移值，同时能直观的观测出最大沉降与变形位置。并且，本发明分析方法还结合不同的施工方式以及超前预加固方案对地面沉降和既有桥梁桩基础变形的影响进行分析，以便得出相应的模拟数值以及桩基沉降和变形趋势，因此具有重要的实际价值。
(2)本发明分析方法综合考虑了地铁隧道的施工工法、工程地质条件、周围构筑物等因素的影响，对浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基的影响进行可靠分析，得出与实际相符的地面沉降值与桩基础位移值，因此，该有限元计算结果对于地铁隧道工程具有一定的参考价值，有利于确定地铁隧道施工方案，进而避免造成工程事故。
(3)本发明分析方法采用有限元软件进行建模和模拟施工，充分利用了计算机强大的运算能力进行计算，可以高效且准确地得到相应预测数据，并且在计算时修改工程参数也非常简单方便。
附图说明
图1是本发明浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法的流程图。
图2是广州地铁二十一号线员村站～天河公园站区间折返线的结构平面布置图。
图3是整体施工模型网格示意图。
图4是隧道与桩基位置示意图。
图5是模型定义荷载示意图。
图6是模型边界约束示意图。
图7是模型修改属性示意图。
图8是隧道模拟施工完成后的隧道示意图。
图9是隧道施工完成时的竖直方向沉降云图。
图10是隧道中心轴线处的地面沉降云图。
图11是四个监测节点在不同施工阶段下的沉降曲线图。
图12是实测数据与有限元结果的对比图。
图13是实测数据与PECK经验公式预测结果的对比图。
图14是不同工况下地面监测节点的沉降曲线图。
图15是不同工况下桩基的竖向位移曲线图。
图16是不同工况下桩基的整体位移曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例公开了一种浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，可应用于实际地铁隧道施工工程，如图1所示，步骤如下：
S1、针对待施工的浅埋暗挖隧道工程，利用有限元软件建立对应的管幕加固下的施工模型和施工阶段。
在本实施例中，所用的有限元软件为MIDAS-GTS(Geotechnical and TunnelAnalysis System)，施工模型为桩-土-隧道模型，其为有限元模型。
施工模型和施工阶段的构建过程如下：
S11、定义各种材料的属性和参数，材料包括土体、桩基、桩承台、初期支护、二次衬砌、临时钢支撑以及管幕加固区；
其中，对于管幕加固区，可以利用公式对管幕加固区进行等效计算，确定管幕加固区的相应参数，具体如下：
管幕加固区中的每根钢管单元体由管幕施工顶进的钢管p和注入的水泥砂浆c这两部分组成，给管幕加固区施加应力σ1，此时钢管与水泥的应变认为是相等的，记为ε，则砂浆和钢管内的应力分别为：
σc＝Ecε
σp＝Epε
式中，Ec、Ep分别是水泥砂浆和钢管的弹性模量；σc、σp分别是水泥砂浆和钢管的应力；
设水泥砂浆和钢管的横截面积分别为Ac、Ap，单元体的横截面积为A，Vc、Vp分别是水泥砂浆和钢管的体积含量，则有：
钢管单元体的弹性模量E1为：
Vc＝Ac/A,Vp＝Ap/A＝1-Vc
设μc、μp分别是水泥砂浆和钢管的泊松比，钢管单元体的泊松比μ为：
μ＝μcVc+μp(1-Vc)。
S12、确定模型尺寸，隧道与桩基以及桩承台的位置关系按照实际工程所在位置布置，建立起三维实体的桩-土-隧道模型。这里，通过对已有隧道挖掘经验和文献分析，为满足忽略边界效应的要求，桩-土-隧道模型尺寸应大于或等于隧道直径的3倍至5倍。
然后采用播种的方法对实体模型进行网格划分，生成网格之后赋予网格对应的属性。播种的方法是指：采用线性梯度的方法，在同一条播种线上，每相邻两个点的距离按照一定的比例变化。
为了保证各单元之间的耦合关系，在网格划分完毕后，还进一步检查单元网格是否存在自由面与锁紧单元，最终实体模型是一个闭合的空腔形式的几何体，内部不存在自由面与锁紧单元。
S13、定义荷载工况：将模型所受外部荷载进行定义，模型所受外部荷载包括土体的自重荷载、桥下路面荷载和立交桥传递给承台的荷载，其中，土体自重荷载为土体本身自重；桥下路面荷载具体是隧道正上方有道路自重、行人荷载以及通行车辆荷载时作用于地表相应位置的均布荷载；立交桥传递给承台的荷载包括桥面空心板、其余混凝结构传来的恒荷载，车辆及行人施加的活荷载和风荷载。
S14、定义边界条件：边界条件是指对模型边界的约束，本实施例设定桩-土-隧道模型顶面为不加约束的地层自由面，模型底面将X、Y、Z三个方向的自由度全部约束，模型侧方四个面均约束其在该方向上的位移。
S15、按照管幕加固下的实际施工步骤定义模型的施工阶段：
在隧道开挖施工前需定义模型的初始阶段，此时地层是稳定未受扰动的天然应力场，称为初始应力场。初始应力场主要包含土体自重应力和构造应力。由于隧道的埋深较浅，其构造应力较小，构造应力忽略不计，只需计算自重应力的影响，故在初始阶段对土体自身应力计算后，对其进行位移清零，只保留其应力作用；
初始阶段定义完成之后，对承台、桩基与管幕加固区进行设置：修改承台、桩基与管幕加固区所在位置的土体属性；
随后对具体施工阶段进行定义，进行隧道开挖与支护，开挖与支护可由对有限元软件相应的单元进行激活与钝化来实现；在隧道开挖的同时，相应的初期支护以及钢支撑也在同步进行，开挖一定距离后进行钢支撑的拆除与二次衬砌的施做，这一过程中，基于施工的不同阶段对应修改施工参数，也即网格属性。
S2、针对施工阶段分析计算有限元结果，得出浅埋暗挖隧道管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值。
在本实施例中，有限元结果为每个施工阶段结束后模型水平方向、竖直方向和整体的位移云图，以及桩基的竖向位移云图、水平方向位移云图和整体位移云图。从模型水平方向、竖直方向以及整体的位移云图中即可找出施工完成后模型的最大沉降值；从桩基的竖向位移云图、水平方向位移云图以及整体位移云图即可找出施工完成后模型的桩基竖向位移、水平位移和整体位移的最大值。
另外，由于隧道施工造成的地面沉降受工程地质条件以及施工方法等因素影响，为了保证隧道施工安全性，本实施例方法还利用了经验公式法提前对地面沉降进行计算预测，即在步骤S2计算得出有限元结果后，利用PECK经验公式或者工程实测数值进行对比分析，以验证模型的合理性。
PECK经验公式为：
i＝K z
式中，i为沉降槽宽度系数，可通过地质勘查资料来确定；K为沉降槽宽度参数，与土的性质有关；z为隧道的埋深。根据相关工程经验，无粘性土取值为0.2～0.3；硬黏土取值约为0.4～0.5；软黏土取值为0.7。该经验公式法中，隧道施工造成的地表沉降曲线可以近似为正态分布曲线。
S3、对无管幕加固时隧道施工对地面沉降的影响，以及超前小导管预加固方案下隧道施工对桩基的影响进行计算分析，得到相应的模拟数值，然后结合步骤S2得到的管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值，得出相应的桩基沉降和变形趋势。
为验证上述分析方法，本实施例以广州地铁二十一号线员村站～天河公园站暗挖区间为研究对象，对该隧道的施工过程进行有限元计算并与实际监测数据对比。
广州地铁二十一号线员村站～天河公园站区间主要沿员村二横路敷设，道路狭窄(双向四车道)，道路两侧建筑物密集，且大部分建设年代均较久远，区间沿线穿越控制性建(构)筑物较多，天河公园南侧区间下穿员村立交桥。员村站～天河公园站区间折返线位于天河公园站南侧，员村站～天河公园站区间正线隧道之间。如图2所示，折返线南端约90m范围采用明挖法施工，折返线北段约79m范围采用管幕超前加固的暗挖法隧道设计方案，暗挖段隧道为大断面隧道，隧道最大跨度为12.3m，高度为10.1m，拱顶埋深约10.29m。隧道开挖采用CRD工法，分别设四个工作面，纵向错开依次开挖。隧道开挖前采用管幕法进行超前预加固，隧道开挖后支护结构为初支和二衬。
根据工程设计以及变形监测相关规范，在隧道施工时地表变形及周围建(构)筑物沉降隆起应达到相应的安全要求，遵循预警值、警戒值和控制值三级警示系统。各类监测项目的报警值如表1所示。
表1
序号 项目名称 警戒值(控制值*70％) 控制值
1 地表沉降 +7mm和-21mm +10mm和-30mm
2 拱顶沉降 -21mm -30mm
3 净空收敛 -14mm -20mm
暗挖段采用沿拱部135°范围布置锁扣管幕，共布置45根锁扣钢管，单根钢管顶进施工长度为79米(一次性单侧顶进)。由于钢管单元体由两部分组成——管幕施工顶进的钢管和注入的水泥砂浆，根据《钢结构设计规范》以及《混凝土结构设计规范》，钢管和水泥砂浆的力学指标参数如表2所示，利用公式对管幕加固区进行等效计算，得出本工程管幕加固区等效体的等效弹性常数如表3所示。
表2
名称 弹性模量(MPa) 泊松比 重度/(kN/m3)
Q-235B无缝钢 2.06×105 0.3 78
水泥砂浆 2.9×104 0.2 25
表3
名称 弹性模量(MPa) 泊松比 重度/(kN/m3)
等效体 34411 0.21 32
然后利用MIDAS-GTS有限元软件构建模型：1、定义材料：各土层本构模型选用修正Mohr-Coulomb模型，属性为3D实体单元。由于工程施工采用C25早强混凝土施做初期支护，厚度为350mm，二次衬砌采用C35模筑钢筋混凝土，其厚度为550mm，既有桩基和承台为C30混凝土，在MIDAS-GTS中模拟施工阶段时，初期支护采用板单元进行模拟，二次衬砌采用改变属性的实体单元模拟，桩基使用梁单元模拟，承台为实体单元，临时钢支撑采用板单元模拟，管幕等效加固区采用各向同性材料，等效体的相关参数取值见表3。
2、确定模型尺寸和划分网格：为满足忽略边界效应的要求，模型尺寸长宽高为100m×81m×80m，隧道与桩基以及承台的位置关系按照实际工程所在位置布置。在定义好各材料属性以及建立好三维实体模型后，“播种”来生成网格，“播种”时需注意对网格尺寸合理规划，对于重要部件、几何形状变化较大的部件以及需要进行应力分析的部件，需要对其进行密集“播种”，如在隧道上以及靠近隧道区域种子密度为1，而远离隧道区域种子密度为3。播种完成后生成单元网格，网格类型选用混合网格，每个实体单元会自动合并共同节点并自动匹配相邻面。最终，模型共有网格单元119628个，网格节点68689个，整体模型网格划分如图3所示，隧道与桩基以及承台的位置关系如图4所示。为了保证各单元之间的耦合关系，网格划分完毕后，可以通过有限元软件提供的单元形状检查功能来检查单元网格是否存在自由面与锁紧单元，保证模型是一个闭合的空腔形式的几何体，内部不存在自由面与锁紧单元。
3、定义荷载工况：这里根据《公路桥梁设计通用规范》以及《地铁设计规范》，计算员村立交桥的车道荷载标准值为10.5kN/m，集中荷载值为320kN，横向六车道的折减系数为0.55，计算后总荷载为4403.2kN，平均分配到各个桥承台的荷载为1100.8kN。模型所受到的荷载情况如图5所示。
4、定义边界条件：模型顶面为不加约束的地层自由面，模型底面将X、Y、Z三个方向的自由度全部约束，模型侧方四个面均约束其在该方向上的位移，模型边界约束如图6所示。
5、按照管幕加固下的实际施工步骤定义模型的施工阶段：设定隧道开挖掘进一步为3m，上下台阶错开12m施工，左右台阶错开9m施工，施工步骤严格遵循CRD工法的相应准则，在隧道开挖的同时，相应的初期支护以及钢支撑也在同步进行，开挖一定距离后进行钢支撑的拆除与二衬的施作，并相应修改材料属性，比如管幕加固区与二衬区域，其在初始阶段属性为土体，随着施工的进行，其土体属性需要分别修改成预先设定好的管幕加固区属性和模筑混凝土属性，改变属性后边界组示意如图7所示。最终施工完成后的隧道如图8所示。
经计算可以获得每个施工阶段结束后模型水平方向、竖直方向以及整体位移云图。施工完成时，模型的最大沉降达到22.54mm，底部最大隆起值为6.16mm。对于隧道横向沉降的研究，利用有限元软件提供的线上图功能，在隧道施工完成时的竖直方向沉降云图上绘制四条地表沉降线，分别距隧道开挖起始点0m，21m，42m，63m，用于研究隧道开挖对地表横向沉降的影响，具体沉降情况见图9，每条地标沉降线上都标注有该条线上的最大值(Max)和最小值(Min)。
对比分析四条地表沉降线，可以发现隧道引起地表沉降的最大值位置在于隧道中心线的正上方，且四条沉降线所反映的沉降值比较接近，最大值为16.3mm，最小值为15.2mm，二者相差1.1mm，说明在施工正常的情况下，随着隧道的开挖，隧道施工所造成的地表沉降会达到一个稳定值。同时，四条沉降线的沉降曲线都呈现正态分布，符合PECK经验公式对沉降曲线呈正态分布的预测。
对于沿隧道中心轴线沉降的研究，将隧道中心轴线正上方地表上的节点选取出来，绘制隧道中心线上所有节点在隧道施工完成时的沉降值示意图，如图10所示。
为进一步研究隧道中心轴线处地表沉降随隧道开挖而产生的沉降规律，在图10中隧道开挖中心轴线的正上方(地表)选取四个监测节点，四个监测节点(第一个节点、第二个节点、第三个节点、第四个节点)与隧道开挖起点的距离分别为0m，21m，42m，63m(如图10所示)，绘制四个监测节点在不同施工阶段时的沉降曲线图，如图11所示。
由图11可知，距开挖起点不同位置节点的沉降趋势大致相似，各节点的沉降值随着隧道开挖长度的增加而不断地加大。当开挖面与监测节点距离大于36m时，地面沉降很小，基本可忽略不计；当开挖面与监测节点距离在36m内，且未经过监测节点时，地面沉降逐渐增加；当开挖面经过监测节点时，地面沉降急剧增加；当开挖面经过节点约36m时，地面的沉降逐渐的趋于一个稳定值。在图11中，还可以看出当开挖面经过监测节点一段距离后，地面沉降仍有轻微变化，这是由于拆除临时钢支撑所导致的。
选取实际隧道开挖路径上34个测点的沉降情况作为实际工程数据，如表4所示。
表4
测点号 累计变形量(mm) 测点号 累计变形量(mm) 测点号 累计变形量(mm)
W1 -14.54 W2 -19.77 W3 -18.92
W4 -19.03 W5 -19.50 W6 -19.84
W7 -20.12 W8 -18.40 W9 -20.44
W10 -19.05 W11 -18.36 W12 -19.35
W13 -18.55 W14 -18.46 W15 -19.63
W16 -18.71 W17 -17.93 W18 -20.07
W19 -19.12 W20 -19.91 W21 -16.62
W22 -19.39 W23 -20.14 W24 -19.60
W25 -17.05 W26 -20.08 W27 -16.65
W28 -19.63 W29 -19.66 W30 -19.73
W31 -18.54 W32 -16.05 W33 -18.59
W34 -20.00
选取测点W21、W22、W23、W24、W25为分析对象，可以通过五个测点所反映的横向沉降槽曲线，计算得到单位长度沉降槽的体积，对其余位置的沉降进行预测，绘制出完整曲线，并与有限元计算结果对比，如图12所示。
由图12可知，通过有限元计算结果与工程实测数据对比分析，有限元计算结果与工程实测数据的最大变形位置和最大变形值在一定程度上吻合较好，有限元计算最大沉降值为16.3mm，与实际监测所得到的最大沉降值20.4mm相比，相差4.1mm。说明有限元模型参数选取较合理，可采用该模型进一步对隧道施工造成桩基的位移进行计算。
通过对实测数据中地表最大沉降处(W9)以及其横向沉降值(W8，W10)的沉降槽进行分析，得出其横向沉降槽曲线，通过沉降槽曲线可以计算得到单位长度沉降槽的体积，同时结合隧道结构的横断面面积就可以反算出相应的地层损失率的约为0.36％。根据现有的工程数据总结，国内广州地区的土层性质为黏性土，砂土，风化岩，沉降槽宽度系数K选取建议值0.76。将工程实测数据对应的沉降曲线与Peck经验公式在沉降槽宽度参数K为0.76的情况下所预测的沉降曲线进行对比(如图13所示)，从图13中可以看出该工程的实测数据曲线与地层损失率取0.35％时的Peck经验公式预测曲线较为接近。说明对于该地区工程，采用沉降槽尺度参数为0.76和地层损失率为0.35％时的Peck经验公式来对地面沉降进行预测时，所得结果较接近实际沉降，可见，本实施例分析方法广州地铁十一号线员村站-天河公园站双线盾构隧道的施工和广州地区其他类似工程施工有一定的参考意义。
另外，为了研究管幕超前加固方案在隧道施工中所起的作用，需要对无管幕加固的工况进行计算。这里，无管幕加固方案也是采用有限元计算，且无管幕加固方案下的模型所用模型参数与管幕超前加固方案下的模型所用参数一致，施工步骤除不激活管幕加固的边界组条件外，其他的施工步骤也与管幕超前加固方案的施工步骤保持一致，最终得到全部施工步骤完成后模型的Z方向的位移云图。选取有管幕加固工况下和无管幕加固工况下距隧道开挖起始点0m的地表上的所有节点，提取出各节点的沉降值，并绘成沉降曲线图，如图14所示。
由图14可知，隧道在两种不同工况下施工所造成的地面的横向沉降都呈正态分布曲线状。当隧道施工完成时，有管幕加固的工况造成的地面沉降最大值为16.3mm，而无管幕加固的工况造成的地面沉降最大值为30.5mm，管幕加固能减少约为一半的沉降，两种工况下对地面的影响范围相差不大。因此，对于浅埋暗挖法施工的隧道工程，采用管幕法进行超前加固，能有效的减小隧道施工对地层的扰动，对地层沉降有很好的控制作用。
另外，隧道施工会造成隧道拱顶沉降和底部隆起，隧道开挖造成的土体沉降主要集中在隧道的上方区域，隧道拱顶处的沉降值最大，土体的沉降随着埋深的减小而减少。隧道底部出现隆起现象，是由于土体应力的释放引起坑底土体向上回弹。因此，综上可得，施工中应严格重视隧道拱顶以及底部结构的设计，加强监测，防止出现结构的失稳破坏。
与此同时，为了研究管幕超前加固方案在隧道施工中对邻近桩基所起的作用，本实施例还利用有限元的方法计算模拟隧道在超前小导管加固方案下施工对桩基造成的影响，并对比分析两种预加固方案的计算结果。查阅相关的文献资料，超前小导管参数选择见表5，其余参数与管幕超前加固方案下模型所用参数一致，施工步骤除小导管加固区采用一次激活三个施工阶段(9m)进行超前加固外，其他的施工步骤也与管幕超前加固方案保持一致。
表5
隧道施工完成后，得到管幕加固方案(工况一)和超前小导管加固方案(工况二)下桩基的竖向位移云图、水平方向位移云图以及整体位移云图，为进一步分析桩基在不同工况下的变形特性，将两种工况的桩基竖向位移值和整体位移值绘制成曲线图(如图15和图16所示)。
从图15和图16可知，当隧道施工完成后，工况一桩基的竖向位移以及整体位移的最大值分别为2.94mm和9.62mm，工况二桩基桩基的竖向沉降以及整体位移的最大值分别为7.72mm和12.61mm。相比于工况二，工况一桩基的竖向位移以及整体位移的最大值分别减少了61.9％、25.6％和23.7％。从模拟结果看，管幕加固方案对桩基各个方向位移的控制都优于超前小导管加固方案。
另外，从图15和图16可知，桩基最大竖向沉降位置均位于桩顶，桩基位移自桩基顶部向下至桩底部逐渐减小，当埋深达到约26m处时，此时桩基开始出现隆起现象，隆起值较小并逐渐趋于稳定，且不同工况的桩基下端位移值差别不大。出现隆起现象是由于地层产生沉降，桩侧土体相对于桩基向下位移并对桩基施加负摩阻力。隆起值较小且逐渐稳定是由于模型26m埋深以下的土层为白垩纪中风化岩，该岩层整体性好，抗干扰能力强，隧道施工对桩基的扰动轻微，故综上，施工时应重点关注桩顶处以及处于软弱地层中桩基的位移情况。
可见，应用本实施例分析方法，可以综合考虑地铁隧道的施工工法、工程地质条件、周围构筑物等因素的影响，对浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基的影响进行可靠分析，得出与实际相符的地面沉降值与桩基础位移值，同时能直观的观测出最大沉降与变形位置，有利于确定地铁隧道施工方案，避免造成工程事故。
实施例2
本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，具体如下：
S1、针对待施工的浅埋暗挖隧道工程，利用有限元软件建立对应的管幕加固下的施工模型和施工阶段；
S2、针对施工阶段分析计算有限元结果，得出浅埋暗挖隧道管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值；
S3、对无管幕加固时隧道施工对地面沉降的影响，以及超前小导管预加固方案下隧道施工对桩基的影响进行计算分析，得到相应的模拟数值，然后结合步骤S2得到的管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值，得出相应的桩基沉降和变形趋势。
本实施例中所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有处理器功能的终端设备。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，其特征在于，步骤如下：
S1、针对待施工的浅埋暗挖隧道工程，利用有限元软件建立对应的管幕加固下的施工模型和施工阶段；
步骤S1中，施工模型和施工阶段的构建过程如下：
S11、定义各种材料的属性和参数，材料包括土体、桩基、桩承台、初期支护、二次衬砌、临时钢支撑以及管幕加固区；
S12、确定模型尺寸，隧道与桩基以及桩承台的位置关系按照实际工程所在位置布置，建立起三维实体的桩-土-隧道模型；
然后采用播种的方法对实体模型进行网格划分，生成网格之后赋予网格对应的属性；
S13、定义荷载工况：将模型所受外部荷载进行定义；
S14、定义边界条件；
S15、按照管幕加固下的实际施工步骤定义模型的施工阶段；
步骤S11中，对于管幕加固区，利用公式对管幕加固区进行等效计算，确定管幕加固区的相应参数，具体如下：
管幕加固区中的每根钢管单元体由管幕施工顶进的钢管p和注入的水泥砂浆c这两部分组成，给管幕加固区施加应力σ1，此时钢管与水泥的应变认为是相等的，记为ε，则砂浆和钢管内的应力分别为：
σc＝Ecε
σp＝Epε
式中，Ec、Ep分别是水泥砂浆和钢管的弹性模量；σc、σp分别是水泥砂浆和钢管的应力；
设水泥砂浆和钢管的横截面积分别为Ac、Ap，单元体的横截面积为A，Vc、Vp分别是水泥砂浆和钢管的体积含量，则有：
钢管单元体的弹性模量E1为：
Vc＝Ac/A,Vp＝Ap/A＝1-Vc
设μc、μp分别是水泥砂浆和钢管的泊松比，钢管单元体的泊松比μ为：
μ＝μcVc+μp(1-Vc)；
S2、针对施工阶段分析计算有限元结果，得出浅埋暗挖隧道管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值；
S3、对无管幕加固时隧道施工对地面沉降的影响，以及超前小导管预加固方案下隧道施工对桩基的影响进行计算分析，得到相应的模拟数值，然后结合步骤S2得到的管幕加固下的地面沉降以及桩基位移模拟数值，得出相应的桩基沉降和变形趋势。
2.根据权利要求1所述的浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，其特征在于，利用MIDAS-GTS有限元软件构建施工模型，施工模型为桩-土-隧道模型，其为有限元模型。
3.根据权利要求1所述的浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，其特征在于，步骤S12中，桩-土-隧道模型尺寸大于或等于隧道直径的3倍至5倍；
为了保证各单元之间的耦合关系，在网格划分完毕后，进一步检查单元网格是否存在自由面与锁紧单元，最终实体模型是一个闭合的空腔形式的几何体，内部不存在自由面与锁紧单元。
4.根据权利要求1所述的浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，其特征在于，步骤S13中，模型所受外部荷载包括土体的自重荷载、桥下路面荷载和立交桥传递给承台的荷载，其中，土体自重荷载为土体本身自重；桥下路面荷载具体是隧道正上方有道路自重、行人荷载以及通行车辆荷载时作用于地表相应位置的均布荷载；立交桥传递给承台的荷载包括桥面空心板、其余混凝结构传来的恒荷载，车辆及行人施加的活荷载和风荷载；
步骤S14中，边界条件是指对模型边界的约束，设定桩-土-隧道模型顶面为不加约束的地层自由面，模型底面将X、Y、Z三个方向的自由度全部约束，模型侧方四个面均约束其在该方向上的位移。
5.根据权利要求1所述的浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，其特征在于，步骤S15的过程如下：
在隧道开挖施工前需定义模型的初始阶段，只计算自重应力的影响，故在初始阶段对土体自身应力计算后，对其进行位移清零，只保留其应力作用；
初始阶段定义完成之后，修改承台、桩基与管幕加固区所在位置的土体属性；
随后对具体施工阶段进行定义，进行隧道开挖与支护；在隧道开挖的同时，相应的初期支护以及钢支撑也在同步进行，开挖一定距离后进行钢支撑的拆除与二次衬砌的施做，这一过程中，基于施工的不同阶段对应修改施工参数也即网格属性。
6.根据权利要求1所述的浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，其特征在于，步骤S2中，有限元结果为每个施工阶段结束后模型水平方向、竖直方向和整体的位移云图，以及桩基的竖向位移云图、水平方向位移云图和整体位移云图；从模型水平方向、竖直方向以及整体的位移云图中即可找出施工完成后模型的最大沉降值；从桩基的竖向位移云图、水平方向位移云图以及整体位移云图即可找出施工完成后模型的桩基竖向位移、水平位移和整体位移的最大值。
7.根据权利要求1所述的浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法，其特征在于，方法还包括：在步骤S2计算得出有限元结果后，还利用PECK经验公式或者工程实测数值进行对比分析，验证模型的合理性；
PECK经验公式为：
i＝K z
式中，i为沉降槽宽度系数，可通过地质勘查资料来确定；K为沉降槽宽度参数，与土的性质有关；z为隧道的埋深。
8.一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1至7中任一项所述的浅埋暗挖隧道管幕加固对地面与桩基影响的分析方法。
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