摘要: 盾构施工已成为我国城市地铁建设的主体技术。近年来，国内许多矿山的大断面井巷工程也开始推广使用这种先进的施工技术，但由于盾构技术本身存在着诸多“先天性”工艺缺陷，多种伴生风险的如影随形。盾构施工穿越桩基础所导致的地表建（构）筑物变形破... 展开 盾构施工已成为我国城市地铁建设的主体技术。近年来，国内许多矿山的大断面井巷工程也开始推广使用这种先进的施工技术，但由于盾构技术本身存在着诸多“先天性”工艺缺陷，多种伴生风险的如影随形。盾构施工穿越桩基础所导致的地表建（构）筑物变形破坏问题即是最常见的工程风险之一。 特别是在城市隧道施工过程中，由于盾构施工卸荷，原土体与桩体间的受力平衡状态被打破、桩摩阻力下降，桩体的原有承载力即发生不可逆的下行改变，对地表既有建（构）筑物的稳定造成破坏性影响，从而导致盾构隧道施工造成地表既有建（构）筑物的“失稳”，并成为了常态。探索摸清盾构施工与临近桩体间相互影响的力学机理、制定出科学有效的技术手段，从根本上避免此类灾害的发生，一直是盾构施工界亟待解决的技术难题之一。 本文以苏州地铁6号线盾构隧道穿越临近既有建（构）筑物桩基础为研究背景，采用理论分析、数值模拟、实验室模型试验、现场检测监测等综合研究手段，在对隧道盾构-土层-既有桩基的相互作用机理展开系统研究的基础上，依据所取得的理论和实验成果，制定出了具体的处治方案，在苏州地铁6号线盾构施工中得到了成功应用，隧道得以顺利穿越了临近既有建（构）筑物的桩基础。 本文取得了如下创新性成果: (1)设计并构建了一套适用于模拟盾构施工对既有桩基扰动的试验系统，进行了实验室试验，实验结果直观并量化展现隧道盾构-土层-既有桩基的相互作用的演化过程，再通过对实验数据的有限差分分析，从实验-模拟角度揭示了其间的作用机理。 基于清华大学土工离心室的(50g·t)离心试验机研究平台，设计并开展了隧道-土层-既有桩基相互作用土工离心模型试验(N=80g)，自行设计并制作了一套在高速离心条件下可真实准确模拟盾构掘进的隧道模型装置，并首次结合数字图像相关技术(DIC)，量化且可视化研究了盾构分步开挖全过程中，既有桩基的位移与内力、土层变形与孔压等各项性能指标以及既有桩基与周围土层间的渐进演化特性。通过FLAC3D6.0有限差分程序，考虑流-固耦合效应，选择高级弹塑性Cap-Yield(C-YSoil)土体本构模型，对数值模型参数反算分析，进一步探究了不同隧-桩水平净距条件下盾构掘进扰动对既有桩基性能影响机理，并分析了隧道开挖面的稳定性。 (2)提出了一种考虑多因素盾构施工土层扰动对临近桩基础侧向水平响应影响的简化解析计算方法，实现了对既有桩基的水平向力学特性行为的预测，计算结果与实验结果基本符合，从计算角度进一步揭示了隧道盾构-土层-既有桩基的相互作用机理。 基于“二阶段”分析方法，以Mindlin基本解为基础，推导了多因素盾构施工在既有桩基轴线位置引起的附加总水平白由位移场的理论计算公式。根据梁单元和地基模型理论，构建了基于Timoshenko梁-Kerr弹性地基模型的隧道-土层-既有桩基相互作用力学机理分析模型，运用有限差分求解方法，推导了在不同边界条件下考虑桩基侧向土层扰动盾构掘进对临近桩基础侧向水平响应影响的简化解析计算方法。通过与有限差分程序、边界元程序、离心试验、现场实测结果综合对比分析，验证了所推导解析计算方法的可靠性和合理性，并系统地开展了相关参数的敏感性分析。 (3)提出并成功应用了一套以消除盾构施工对邻近既有桩基础破坏性影响的施工方法，通过采取改进同步注浆材料和工艺、科学调整MJS工法桩的布桩密度和成桩参数，实现了盾构开挖对临近桩体的“零”影响，取得了工程成功。 针对隧道盾构-土层-既有桩基相互作用典型工程问题，结合离心试验、数值模拟及理论计算等多种手段所揭露的相互作用机理，从扰动源头弱化与扰动路径阻断的角度出发，提出了“盾构同步注浆材料及工艺改进+MJS工法桩分区预加固”的盾构近邻既有桩基施工扰动的安全控制方案，并通过现场试验与检测监测、MidasGTSNX数值模拟方法综合验证了处治方案的可靠性和工程实用性，并进一步判断了上述章节揭示的隧道-土层-既有桩基相互作用机理的正确性，为今后隧道-土层既有桩基相互作用工程施工设计提供了有益参考。 收起