盾构施工对邻近托换桩基影响的数值模拟分析方法技术

本发明专利技术公开了一种盾构施工对邻近托换桩基影响的数值模拟分析方法，包括以下步骤：1)根据具体托换工程方案，建立桩基托换单桩的有限元模型；2)对盾构开挖过程进行模拟，对隧道开挖前、隧道开挖中以及隧道开挖结束后的托换桩基变形和内力的变化情况进行比较分析；3)通过改变具体托换工程方案中各工程因素的参数，建立多组不同工况下的有限元模型，对各工况下托换桩基变形和内力的变化情况进行比较分析，得到各工程因素在隧道开挖后对托换桩基的影响作用规律；4)根据具体托换工程方案，建立桩基托换多桩的有限元模型，利用托换桩基变形和内力的变化情况，验证托换工程方案的可行性。本发明专利技术方法具有创新意义，拥有广泛的工程应用前景。

【技术实现步骤摘要】
盾构施工对邻近托换桩基影响的数值模拟分析方法
本专利技术涉及一种数值模拟分析方法，尤其是一种盾构施工对邻近托换桩基影响的数值模拟分析方法，属于盾构施工对邻近托换桩基影响的分析领域。
技术介绍
随着社会和经济的蓬勃发展，地铁已成为重要的交通工具，而地铁隧道通常采用盾构法开挖，在施工时，盾构机、地层结构以及周围建筑物之间的相互影响是一个十分复杂的过程，其中涉及到众多影响施工效果的可控和不可控因素，难以认为预测。因此，目前的研究讨论中不可避免地存在着一些欠缺与不足，主要存在的问题有：1)经验公式法是对经验数据的总结分析，然而数据受具体工程特殊性的限制，往往会存在不稳定性的问题，很难与某个公式曲线做到完美拟合。解析法的计算量大，而且没有形成适用于多种工程情况的统一方法，在实际运用中，局限性较大，不常采用。模型试验法的需要组织模型试验，对工程进行模拟。但均需要针对具体工程具体设计试验，具有不可重复性，花费的财力物力较多，会造成较大的浪费。利用数值分析方法对工程进行模拟时，同样存在着一定困难。2)在众多对隧道工程的研究中，多是针对地表沉降及地层变形问题进行深入探讨，得到的理论比较成熟、方法相对可靠。然而对于隧道施工与周围邻近建构筑物间相互影响规律的研究，却只是在近些年来才逐步开展，还没有形成完善的分析体系，影响工程效果的因素也尚未明确，而优秀的桩基托换问题的技术研究成果更是凤毛麟角，因此这方面的研究还具有很大的发展空间。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种可以验证具体托换工程方案可行性的盾构施工对邻近托换桩基影响的数值模拟分析方法。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：盾构施工对邻近托换桩基影响的数值模拟分析方法，包括以下步骤：1)根据具体托换工程方案，选取合适的土体块尺寸，确定隧道衬砌、注浆层和托换桩基的材料及其参数，并对隧道衬砌的横向刚度折减系数和注浆层的处理进行优化，建立桩基托换单桩的有限元模型；2)根据步骤1)所建立的有限元模型，采用生死单元控制法对盾构开挖过程进行模拟，对隧道开挖前、隧道开挖中以及隧道开挖结束后的桩体水平位移、桩体竖直位移、桩体摩擦力、桩身轴力的变化情况进行比较分析，得到托换桩基变形和内力的变化规律，为工程质量控制提供数值参考依据；3)通过改变具体托换工程方案中托换桩基之间的距离、桩端与隧道水平中轴线位置、上部荷载作用位置和注浆压力这几个工程因素的参数，采用步骤1)和步骤2)的方法建立多组不同工况下的有限元模型，对各工况下桩体水平位移、桩体竖直位移、桩体摩擦力、桩身轴力及弯矩的变化情况进行比较分析，得到各工程因素在隧道开挖后对托换桩基的影响作用规律；4)根据具体托换工程方案，建立桩基托换多桩的有限元模型，利用托换桩基变形和内力的变化情况，验证托换工程方案的可行性。作为一种实施方案，步骤2)所述采用生死单元控制法对盾构开挖过程进行模拟，具体如下：a)根据具体托换工程方案的土层情况建立土体模型，预留托换桩基位置，在预留位置处对土体施加水平位移方向上的约束，确保土体不会挤入；施加重力，得到土体在自重下的受力及变形情况，作为初始地应力文件导出保存；b)建立土体和托换桩基共同作用的模型，并读入初始地应力文件，对托换桩基施加重力，于原桩位置施加桩顶荷载；c)杀死开挖隧道部分土体单元，模拟隧道围岩应力释放了25％，对开挖隧道周围土体反向施加75％的初始应力，同时施加0.15Mpa盾尾注浆压力；d)模拟地应力释放了75％，对开挖隧道周围土体反向施加25％的初始应力，同时施加盾尾注浆压力；e)模拟地应力完全，仅对开挖隧道周围土体施加盾尾注浆压力；f)取消注浆压力，激活衬砌结构及注浆层单元；其中，步骤a)～b)是隧道开挖前的模拟；步骤c)～e)是隧道开挖中的模拟；步骤f)是隧道开挖结束后的模拟。作为一种实施方案，步骤d)中地应力的模拟采用的方法是：采用分步开挖模式，将在开挖后隧道内部的土体单元设定为“空单元”，计算出隧道边界上的节点力，将这些力反作用于边界节点，以模拟初始应力，通过改变作用力的大小及方向来模拟地应力释放。作为一种实施方案，步骤b)所施加的桩顶荷载为250～300t；步骤d)和e)所施加的盾尾注浆压力为0.1～0.2Mpa。作为一种实施方案，步骤a)所述土体模型为D-P本构模型。作为一种实施方案，步骤1)所述土体块尺寸为46m×48m，即在宽度方向上取8D，在高度方向上，盾构上方取到相应地表，下方土体边缘至盾壳外侧不小于30m。作为一种实施方案，步骤1)所述隧道衬砌采用的材料为C30砼浇筑，厚度为0.3m，泊松比为0.2，重度为26KN/m3；所述注浆层采用的材料为水泥土，厚度为0.2m，泊松比为0.2，重度为21KN/m3；所述托换桩基为双桩梁式托换结构，其中托换大梁采用的材料为C40砼浇筑，长×高＝12.55m×2m，泊松比为0.2，重度为27.5KN/m3；托换桩为直径1.2m、长度27m的钻孔混凝土桩，桩体采用C30砼浇筑，泊松比为0.2，重度为26KN/m3。作为一种实施方案，步骤1)所述隧道衬砌的横向刚度折减系数为0.85作为一种实施方案，步骤1)所述注浆层的处理，具体为：在盾构法隧道施工过程中，当盾尾外壳向前推进后，盾构周围的土体失去之前的支撑作用，内部应力释放，同时盾构机向尾部空隙位置喷注注浆材料，在盾尾注浆压力以及土体内部应力的作用下，在盾尾将形成一个土体、注浆材料和空气多相共存的复杂的环形混合层，采用等代层模拟这层材料，该等代层的参数选取如下：弹性模量为1e9；泊松比为0.2；厚度采用式子进行选取，其中为盾尾空隙的理论值，去盾构外径与衬砌外径间差值的1/2；η为调整系数，取值范围是0.7～2.0，.土质越硬，取值越小。作为一种实施方案，所述有限元模型选取的单元包括PLAN42单元、CONTA172单元和TARGE169单元，其中：采用PLAN42单元模拟土体、托换桩基及隧道结构；采用CONTA172单元模拟土体、托换桩基及隧道结构之间的连接作用；采用TARGE169单元作为目标单元对具体托换工程方案进行模拟。本专利技术相对于现有技术具有如下的有益效果：本专利技术方法采用土体的D-P本构模型，利用大型软件ANSYS建立有限元模型对盾构施工过程中邻近托换桩基的内力和变形情况进行了系统的分析，对隧道开挖中盾尾径向注浆压力的施加、水泥浆层的硬化、地应力的逐步释放等细节进行了详细的模拟，也对桩基与土体之间的摩擦接触进行了合理的设置，同时可以建立多组不同工况下的模型，进一步分析托换桩基间的桩间距、桩端位置、桩径、注浆压力等工程因素在隧道施工中，对桩基内力及变形的影响，进而验证具体托换工程方案的可行性，具有创新意义，拥有广泛的工程应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1的数值模拟分析方法流程图。图2为本专利技术实施例1建立的有限元模型示意图。图3a为本专利技术实施例1模拟隧道开挖前Y方向上的应力云图；图3b为本专利技术实施例1模拟隧道开挖前土体Y方向上的应力云图；图3c为本专利技术实施例1模拟隧道开挖前托换结构Y方向上的应力云图。图4a为本专利技术实施例1模拟隧道施工对桩体水平位移的影响图；图4b为本专利技术实施例1模拟隧道施工对桩体竖直位移的影响图；图4c为本专利技术实施例1模拟隧道本文档来自技高网...

【技术保护点】
盾构施工对邻近托换桩基影响的数值模拟分析方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据具体托换工程方案，选取合适的土体块尺寸，确定隧道衬砌、注浆层和托换桩基的材料及其参数，并对隧道衬砌的横向刚度折减系数和注浆层的处理进行优化，建立桩基托换单桩的有限元模型；2)根据步骤1)所建立的有限元模型，采用生死单元控制法对盾构开挖过程进行模拟，对隧道开挖前、隧道开挖中以及隧道开挖结束后的桩体水平位移、桩体竖直位移、桩体摩擦力、桩身轴力的变化情况进行比较分析，得到托换桩基变形和内力的变化规律，为工程质量控制提供数值参考依据；3)通过改变具体托换工程方案中托换桩基之间的距离、桩端与隧道水平中轴线位置、上部荷载作用位置和注浆压力这几个工程因素的参数，采用步骤1)和步骤2)的方法建立多组不同工况下的有限元模型，对各工况下桩体水平位移、桩体竖直位移、桩体摩擦力、桩身轴力及弯矩的变化情况进行比较分析，得到各工程因素在隧道开挖后对托换桩基的影响作用规律；4)根据具体托换工程方案，建立桩基托换多桩的有限元模型，利用托换桩基变形和内力的变化情况，验证托换工程方案的可行性。

【技术特征摘要】
1.盾构施工对邻近托换桩基影响的数值模拟分析方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据具体托换工程方案，选取合适的土体块尺寸，确定隧道衬砌、注浆层和托换桩基的材料及其参数，并对隧道衬砌的横向刚度折减系数和注浆层的处理进行优化，建立桩基托换单桩的有限元模型；2)根据步骤1)所建立的有限元模型，采用生死单元控制法对盾构开挖过程进行模拟，对隧道开挖前、隧道开挖中以及隧道开挖结束后的桩体水平位移、桩体竖直位移、桩体摩擦力、桩身轴力的变化情况进行比较分析，得到托换桩基变形和内力的变化规律，为工程质量控制提供数值参考依据；3)通过改变具体托换工程方案中托换桩基之间的距离、桩端与隧道水平中轴线位置、上部荷载作用位置和注浆压力这几个工程因素的参数，采用步骤1)和步骤2)的方法建立多组不同工况下的有限元模型，对各工况下桩体水平位移、桩体竖直位移、桩体摩擦力、桩身轴力及弯矩的变化情况进行比较分析，得到各工程因素在隧道开挖后对托换桩基的影响作用规律；4)根据具体托换工程方案，建立桩基托换多桩的有限元模型，利用托换桩基变形和内力的变化情况，验证托换工程方案的可行性；步骤2)所述采用生死单元控制法对盾构开挖过程进行模拟，具体如下：a)根据具体托换工程方案的土层情况建立土体模型，预留托换桩基位置，在预留位置处对土体施加水平位移方向上的约束，确保土体不会挤入；施加重力，得到土体在自重下的受力及变形情况，作为初始地应力文件导出保存；b)建立土体和托换桩基共同作用的模型，并读入初始地应力文件，对托换桩基施加重力，于原桩位置施加桩顶荷载；c)杀死开挖隧道部分土体单元，模拟隧道围岩应力释放了25％，对开挖隧道周围土体反向施加75％的初始应力，同时施加0.15Mpa盾尾注浆压力；d)模拟地应力释放了75％，对开挖隧道周围土体反向施加25％的初始应力，同时施加盾尾注浆压力；e)模拟地应力完全，仅对开挖隧道周围土体施加盾尾注浆压力；f)取消注浆压力，激活衬砌结构及注浆层单元；其中，步骤a)～b)是隧道开挖前的模拟；步骤c)～e)是隧道开挖中的模拟；步骤f)是隧道开挖结束后的模拟。2.根据权利要求1所述的盾构施工对邻近托换桩基影响的数值模拟分析方法，其特征在于：步骤d)中地应力的模拟采用的方法是：采用分步开挖模式，将在开挖后隧道内部的土体单元设定为“空单元”，计算出隧道边界上的节点力，将这些力反作用于边界节点，以模拟初始应力，通过改变作用力的大小及方向来模拟地应力释放。3.根据权利要求1所述的盾构...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁鸿，刘熙，杨雄飞，韩军，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44