工程建设与设计
主办单位:中国机械工业联合会
国际刊号:1007-9467
国内刊号:11-3914/TU
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盾构隧道施工对既有立交桥桩基的影响研究

  要:新建地铁盾构隧道施工将会对邻近结构物的正常使用产生影响,当施工控制不当时易引起严重后果。针对城市地铁盾构隧道近接既有立交桥桩基础,研究施工对其的影响及控制措施。研究表明,近接桩基施工将引起新建隧道自身结构,尤其是与既有桩基靠近一侧产生不利的受力状况和变形特征,因此,盾构施工中需要采取加固措施,确保隧道自身结构以及邻近结构物的安全。

    词:盾构隧道;近接施工;既有桩基;数值分析

中图分类号:          文献标识码:A

 

 

Research on Influence of Shield Tunnel Construction on Existing

Overpass Bridge Pile Foundation

 

Abstract: Construction of the new metro shield tunnel will have impact on the adjacent structures and will cause serious consequences if construction control is not properly. In this paper, research is focused on the influence and control measures in which the shield tunnel near to the existing overpass bridge pile foundation. The results show that the disadvantageous distribution of deformation and internal forces in the tunnel structure are demonstrated, particularly in its side-wall adjacent to the existing pile foundation. Therefore, it is necessary to take some reinforcing measures to guarantee safety of the tunnel itself and the adjacent existing pile foundation.

Key words: shield tunnel; adjacent construction; existing pile foundation; numerical simulation

 


 

随着国民经济的快速发展,城市地铁建设的进入了一个建设高潮期,盾构法作为地铁隧道建设的主要工法得到了广泛运用[1,2]。同时,地铁隧道大多穿越城市中心区域,而这些区域具有建筑物密集、交通流量大、地下管线密布,可供施工场地狭小等特点,使得盾构隧道在施工中易危及隧道结构本身以及邻近结构物的安全与正常使用,导致邻近结构物发生倾斜、扭曲等,从而引起一系列环境效应问题[3,4]

本文依托国内某地铁区间盾构隧道近接立交桥桩基础的工程实例,运用大型通用分析软件ANSYS,通过建立三维有限元模型模拟盾构隧道近接既有桩基的力学行为,预测盾构施工过程中对邻近结构物的影响规律和影响程度,根据分析结果提出有效的控制措施,确保隧道结构和邻近结构物的安全性,以期为类似工程提供参考。

 

线路概况

隧道中心轴线从立交桥桩基中间通过,线路与立交桥桩基础的空间位置关系如图1和图2所示。


盾构隧道近接桩基的空间计算

3.1  盾构隧道掘进过程模拟

根据盾构隧道施工方法和步骤,计算采用单元“生、死”和改变材参的方法来模拟隧道开挖和管片支护、盾尾注浆等盾构隧道的施工过程。具体计算过程为:形成初始自重应力场→左洞核心土、管片及注浆层开挖,形成毛洞,释放荷载α→左洞管片拼装完成,形成注浆层,释放荷载(1-α),左线隧道贯通→右洞核心土、管片及注浆层开挖,形成毛洞,释放荷载α→右洞管片拼装完成,形成注浆层,释放荷载(1-α),右线隧道贯通。

3.2  分析模型

采用三维数值模拟方法对图1中断面A-A进行计算分析。模型长48.5m,宽86m,高36.75m,共有43276个单元。围岩单元、注浆层采用SOLID45单元模拟,衬砌单元采用SHELL43单元模拟,衬砌管片厚0.3m,注浆层厚0.15m,隧道埋深10m,两隧道中心之间的水平距离为25m。隧道与立交桥桩基的空间位置关系如图3所示,材料参数表如表1所示。

1 计算采用土体及衬砌材料物理力学参数

名称

密度/kg·m-3

粘聚力/kPa

内摩擦角/°

弹性模量MPa

泊松比

人工填土

1700

10

10

3.0

0.35

粉土

1850

15

18

5.0

0.35

中密卵石土

2200

/

38

28

0.25

密实卵石土

2200

/

40

31

0.25

强风化泥岩

2100

150

28

60

0.29

桩基础

2600

/

/

32.5

0.2

管片衬砌

2500

/

/

27600

0.2

注浆层

2200

/

/

1000

0.3

3.3  结果分析

3.3.1位移结果分析

模拟计算时,盾构机先开挖左线隧道,然后再开挖右线隧道。

1)地层隆沉分析

地层的沉降云图分别如图4所示,由图可以看出:由于隧道近距较小,两条隧道开挖后沉降槽产生了交叠。左线隧道开挖后,地表的最大沉降发生在左线隧道正上方,最大沉降值为10.06mm。右线隧道开挖后,地表的最大沉降值为11.54mm。地表最大沉降值较小,满足地表沉降规定的要求。同时,地表沉降曲线如图5所示。


由图5可以看出,在隧道左、右线上方地层出现明显下沉,而在隧道两侧地表地层则出现较小隆起。

2)桩基变形分析

隧道侧穿川陕立交桩基,使邻近的桩基产生不均匀沉降,模型中选取距离桩基最小的断面进行计算分析。分析表明,随着桩基与隧道间距离的增大,桩基沉降逐渐减小,且当左线隧道贯通后,围护桩的沉降已经基本稳定,右线开挖后对围护桩沉降影响很小,桩基最大下沉量为3.95mm,桩基最小下沉量为0.75mm,沉降差为3.2mm。桩基沉降位移云图如图6所示。


桩基侧向位移云图如图7所示。由图可知,左线贯通时,距离隧道最近的桩基产生的最大侧移为2.57mm,右线贯通时对距其最近的右侧桩基产生较大侧移,其数值为3.07mm,对其左侧桩基影响较小。


8是双线贯通后侧移最大的桩基的移曲线图,由于桩基较长,在桩的不同位置处其侧移值有所不同,其变化规律为最隧道通过位置桩基产生最大侧移,并向上下侧移值逐渐减小,随着埋深的增加,在桩基底部出现局部反向侧移,表现较小倾斜,对桩基影响较小,可忽略。


3.3.2应力结果分析

1)桩基应力分析

隧道左、右线隧道贯通后,桩基的拉、压应力分别如图9和图10所示。


由图9可以看出,从左线隧道贯通到右线隧道贯通,桩基最大拉应力变量为0.11MPa,双线隧道贯通后,桩基的最大拉应力为2.89MPa,且主要发生在右侧桩基上,最大拉应力出现在隧道通过处桩左右两侧。


由图10可以看出,从左线隧道贯通到右线隧道贯通,桩基最大压应力变量为0.05MPa。双线隧道贯通后,桩基的最大压应力为3.33MPa,且主要发生在隧道通过处桩左右两侧。

2盾构隧道管片应力分析

双线隧道贯通后,隧道管片应力云图如11所示。由图可以看出,管片最大拉应力发生在隧道拱底内表面,最大压应力发生在隧道拱腰内表面。


 

通过三维有限元对盾构隧道近接既有立交桩基进行计算,重点分析了地表沉降、桩基变形和应力增量以及管片应力,得到了以下结论:

1隧道近接立交桥桩基时,地表最终最大沉降值为11.54mm,满足地表沉降要求

2)双线贯通后,桩基最大下沉量为3.95mm,桩基最小下沉量为0.75mm,沉降差为3.2mm,桩基产生较大测移为3.07mm,对桥梁桩基影响较小,隧道可安全掘进通过。桩基最大拉压应力出现在隧道通过处桩基的两侧,施工时应进行重点监控。

[1] 刘建航,候学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991.

[2] 张凤祥,朱合华,傅德明. 盾构隧道[M]. 人民交通出版社,北京,2004.

[3] 方勇,何川. 平行盾构隧道施工对既有隧道影响的数值分析[J]. 岩土力学,2007287):1402~1406.

[4] 何川,苏宗贤,曾东洋. 盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究[J]. 岩土力学与工程学报,20072610):2063~2069.


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