摘 要

地铁在建设中，不可避免地会以近距离方式在各种结构的桩基础附近下穿或者侧穿，一方面，可能会引起建筑桩基侧向变形及沉降而导致桩基的稳定性降低，另一方面可能会引起地表不均匀沉降而影响桩基建筑物的正常使用。

为了确保邻近建筑物桩基在隧道开挖过程中的安全，本文基于武汉轨道交通3号线二七路站～兴业路站区间隧道开挖工程实例，采用理论分析、数值模拟等方法展开了相应的研究。本文的主要工作及研究结论如下：

（1）采用FLAC^3D建立了隧道与桩基不同距离下的三维数值分析模型，考虑了隧道与桩基的距离在0.5D～2D的多种情况，分析了不同距离下隧道开挖对桩基变形影响的规律。结果表明：随着隧道与桩基之间的水平距离逐渐增大，桩基的水平变形逐渐减小，桩身挠曲变形越来越平缓，桩基的竖向变形也会逐渐减小；

（2）采用FLAC^3D建立了隧道与桩基距离为D～3D多种情况的三维数值分析模型，探讨了盾构隧道与近接桩基之间的安全距离。得到了隧道与桩基的最小近距离控制在2.5倍洞径以上时，可以保证原有近接桩基建筑物的正常使用的结论；

（3）采用FLAC^3D建立了隧道埋深为13m～22m的多种数值分析模型，探讨了隧道埋深不同时，地表沉降及桩基变形的规律。结果表明：在此埋深范围内，随着隧道埋深的增大，桩基水平变形、地表及桩基沉降都增大；

（4）对围岩加固、地层加固、桩基加固三种加固方案进行分析，建议采用MJS工法对隧道围岩进行加固，以控制隧道开挖所引起的地表沉降，减小桩基所受的影响。

本文基于现有的工程案例，分析了隧道与桩基在不同空间位置的变形规律，提出了隧道与桩基之间的最小近距离建议值，本文的研究结果对保证建筑物的安全及正常使用具有重要的意义，对类似的盾构隧道近接桩基工程的安全控制提供借鉴和参考。

关键词：砂土层；盾构隧道；桩基；FLAC3D；安全距离；隧道埋深；加固措施

ABSTRACT

In the construction of subway, it is inevitable to run under or side through the pile foundation of various structures in a short distance. On the one hand, it may cause the lateral deformation and settlement of the building pile foundation and reduce the bearing capacity of the pile foundation. On the other hand, it may cause the irregular settlement of the ground and affect the normal use of the pile foundation buildings.

In order to ensure the safety of the pile foundation of adjacent buildings in the process of tunnel excavation, based on the example of tunnel excavation project between Erqi Road station and Xingye Road Station of Wuhan Rail Transit Line 3, the corresponding research is carried out by theoretical analysis, numerical simulation and other methods. The main work and conclusions are as follows:

(1) FLAC^3D is used to establish the three-dimensional numerical analysis model under different distance between tunnel and pile foundation. Considering the distance between tunnel and pile foundation is 0.5D-2D, the rule of influence of tunnel excavation on pile foundation deformation under different distance is analyzed. The results show that with the increase of the horizontal distance between the tunnel and the pile foundation, the horizontal deformation of the pile foundation decreases gradually, the bending deformation of the pile body becomes more and more gentle, and the vertical deformation of the pile foundation also decreases gradually.

(2) FLAC^3D is used to establish a three-dimensional numerical analysis model of the distance between the tunnel and the pile foundation, which is D-3D. The safety distance between the shield tunnel and the adjacent pile foundation is discussed. When the minimum distance between the tunnel and the pile foundation is more than 2.5 times of the tunnel diameter, it can ensure the normal use of the original close pile foundation buildings.

(3) In this paper, FLAC^3D is used to establish a variety of numerical analysis models with the tunnel buried depth of 7m-25m, and the laws of ground settlement and pile deformation are discussed when the tunnel buried depth is different. The results show that the horizontal deformation of pile foundation and the settlement of ground and pile foundation increase with the increase of tunnel depth.

(4) Based on the analysis of three reinforcement schemes, i.e. surrounding rock reinforcement,stratum reinforcement and pile foundation reinforcement, it is suggested to adopt MJS method to reinforce the surrounding rock of the tunnel, so as to control the ground settlement caused by the tunnel excavation and reduce the impact on the pile foundation.

Based on the existing engineering cases, this paper analyzes the deformation law of the tunnel and pile foundation in different space positions, and puts forward the minimum close distance between the tunnel and pile foundation. The research results of this paper are of great significance to ensure the safety and normal use of buildings, and provide reference for the safety control of similar shield tunnel close pile foundation projects.

Keyword: sand layer; shield tunnel; pile foundation; FLAC^3D; safe distance; buried depth; reinforcement measures

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内外研究方法 1

1.2.2 隧道开挖与桩基空间关系研究 3

1.2.3 隧道与桩基安全距离的研究 4

1.2.4 沉降控制及加固措施研究 5

1.3 研究内容及技术方案 5

1.3.1 研究内容 5

1.3.2研究目标 5

1.3.3技术方案 6

第二章 隧道开挖对近接桩基影响理论研究 7

2.1 隧道开挖对土体影响机理 7

2.2 桩基在土体作用下的位移 7

2.2.1 桩土竖向荷载传递函数 8

2.2.2 桩土水平荷载传递函数 8

2.3 隧道开挖对桩基的影响 9

2.4 本章小结 9

第三章 隧道开挖对近接桩基影响规律分析 10

3.1 工程概况 10

3.2 工程地质及水文地质条件 10

3.2.1 工程地质 10

3.2.2 水文地质 11

3.3 数值分析模型的建立 11

3.3.1 FLAC^3D简介 11

3.3.2 FLAC^3D模型的建立 12

3.3.3 数值模型计算步骤 13

3.4 数值计算结果 14

3.4.1 桩基水平变形分析 16

3.4.2 桩基竖向变形分析 18

3.5 加固措施建议 18

3.6 本章小结 19

第四章 隧道与桩基不同空间位置影响模拟分析 20

4.1 数值分析模型的建立 20

4.2 桩基最小近距离建议值探究 20

4.2.1 数值计算结果 20

4.2.2 根据桩基水平变形的最小近距离建议值 22

4.2.3 根据桩基竖向变形的最小近距离建议值 23

4.2.4 隧道与桩基最小近距离建议值总结 24

4.3 隧道埋深对邻近桩基影响研究 24

4.3.1 数值计算结果 24

4.3.2 地表沉降分析 27

4.3.3 桩基变形分析 28

4.4 沉降控制和加固措施建议 29

4.5 本章小结 30

第五章 结论与展望 31

5.1 结论 31

5.2 展望 31

参考文献 33

致谢 35

大学期间发表论文及科研情况 36

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随现代社会的高速发展，城市人口密度越来越大，各种交通工具越来越多，但由于城市道路未得到有效拓宽，导致交通堵塞日益严重，地面交通承载能力已不足以面临这种严峻的情况。而地下轨道交通作为地下空间利用的典范，除能缓解日益严重的交通堵塞，同时也增加了城市的空间利用率，满足交通安全及准点可达性，使得地面上的空间利用方向更加多元化。因此，在未来的一段时间里，地铁都具有极大的发展潜力。

地铁在建设中，介于城市地下空间局限性而产生的地铁大量下穿建筑物桩基是其主要的特点。不可避免地会以近距离方式在立交桥、高架桥和人行天桥等结构的桩基础附近下穿或者侧穿。如北京地铁10号线以最小的距离为2.41m下穿国贸立交桥桩基础^[1]；天津地铁3号线隧道以最小近距离1.35m穿越铁东路立交桥桩基础^[2]；广州地铁6号线以最小距离2m穿越北二环高速公路立交桥^[3]等。在既有建筑物桩基附近修建地铁隧道时，隧道对桩基础的稳定性影响不仅取决于工程地质条件，而且还受隧道与桩基距离、施工方法等影响。地铁开挖区域的地层位移变化会引起建筑桩基侧向变形及沉降而导致桩基承载力降低，造成既有结构的破坏，导致承载力下降，从而不能正常使用。正是因为此类桩基结构的存在，地铁建设比正常开挖时更加复杂，对地铁建设是极大的挑战，在隧道开挖过程中，确保邻近桩基建筑物的安全使用是有必要的。

鉴于上述原因，隧道开挖对邻近桩基的变形影响、最小近距离控制建议值的研究一直吸引着众多学者。因此，开展地铁施工对既有建筑物桩基变形沉降影响和控制研究，进一步分析桩基的受力特性以及隧道沉降变形控制，对确保原有桩基建筑物的正常使用和隧道施工的正常进行和安全控制具有重要的意义，为今后类似的相关工程也能提供一定的参考。