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谈盾构隧道侧穿既有桥梁工程技术

2019/08/12 阅读:

摘要:盾构隧道侧穿既有桥梁施工过程中,隧道开挖扰动四周岩体引发地层变化,对相近的桥桩及地表产生影响。以呼和浩特2号线某标段工程为例,对盾构隧道侧穿既有桥梁引起的工程风险进行研究,通过Midas-GTSNX有限元软件进行数值模拟,结果表明:通过注浆加固等控制措施能有效保证桥梁变形在合理范围内。

关键词:盾构隧道,桥桩,有限元分析

引言

随着经济技术的进一步发展,城市发展也进入了快速阶段,人口流入增加,对城市交通基础设施的要求也随之提高。为实现交通基础设施对城市建设的引导,有效解决城市交通拥堵,地铁越来越多的出现在城市的建设规划中。地铁建设数量的增多使地铁隧道侧穿既有桥梁工程成为重要技术研究,因为一旦隧道侧穿既有桥梁出现严重变形,就会影响桥梁的后续使用及地铁的建设,因此在地铁隧道侧穿既有桥梁施工时,保证桥梁变形合理,保证桥梁的稳定及安全。本文以呼和浩特2号线某标段工程为例,对地铁盾构隧道侧穿既有桥梁工程技术展开研究。

1工程实例

本工程盾构区间长度为799.785m,区间平面以直线为主,左、右线局部有R=2000曲线1处,R=700曲线1处,R=370曲线1处,区间线间距10m~12m。盾构区间穿越的地层主要为细砂、砾砂、圆砾层,覆土为10.4m,在600m处侧穿某桥桥桩,该桥桥桩长18m,隧道与桥桩水平最小净距6.3m。根据GB50652—2011城市轨道交通地下工程建设风险管理规范将工程风险等级分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四个级别,本工程风险级别为Ⅳ级。风险分级矩阵如表1所示。工程会通过采取多种措施控制风险。在盾构机方面,会根据地区地质特点选择合适的刀盘,并及时调整盾构掘进的速度、姿态等参数;在外部土体方面,会根据监测隧道周围土体的情况,对隧道周围土体进行及时加固,如注浆等方法。建(构)筑物变形限制及控制标准参照如GB50007—2011建筑地基基础设计规范、GB50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范、JGJ94—2008建筑桩基技术规范等相关规范中关于建(构)筑物地基变形容许值的相关规定。对于框架结构,建筑物相邻柱基沉降差允许值为0.002H;对于砖混等砌体结构房屋,倾斜率不得大于0.002(基础倾斜方向两点的沉降差与其距离的比值);多层及高层建筑物整体倾斜不得超过0.002(Hg>100)。桩基间不均匀沉降不应大于0.002L(L为相邻柱二测点间的距离)。

2数值模拟分析

根据工程采用的控制风险措施,本文利用有限元软件Midas-GTSNX对本工程进行数值模拟分析。

2.1数值模型计算范围

模型采用有限元计算软件Midas-GTSNX建立二维有限元模型进行分析,为减小模型边界对计算结果的影响,让计算结果更接近实际工程,因此模型的范围为:X方向(即垂直于隧道方向)结构外缘两侧各约3D,Y方向(竖直方向)结构覆土根据实际情况取值,结构底部以下建模范围取3D,地应力场按自重应力场分析。

2.2计算假定

在建模过程中,对部分条件进行了优化假设,考虑了以下基本假定:1)盾构管片、桩采用梁单元模拟,地层、注浆层采用平面应变单元,土体的本构模型采用Mohr-Coulomb本构;2)各土层力学参数依据某勘察单位提供的地质勘察报告为准,具体见表2;3)通过采用施工步序来模拟隧道开挖的整个过程,考虑施工过程中空间位移的变化,未考虑时间对施工工程的影响。

2.3模型建立

模型计算采用MIDAS-GTSNX有限元计算软件,地应力场按自重应力场考虑。模型边界条件采用位移边界,其中土体模型的顶面为自由边界,底面为固定约束,四周为法向约束。具体建立的数值模型如图1,图2所示。

2.4模型单元

盾构管片、桩采用梁单元模拟,地层、注浆层采用平面应变单元,计算采用区间侧穿桥桩最近的钻孔资料。

2.5施工过程模拟

1)初始地应力平衡。在地下结构物或隧道开挖之前,土体都有一个原始应力状态,因此首先要建立初始自重应力场。本文的初始自重应力场是指桥桩及周围土体在自重作用下产生的应力状态。模型中第一阶段为土体开挖的初始阶段,计算出土体在自重的作用下的位移场和应力场,通过Midas-GTS的位移清零功能消除已经完成的沉降位移,并构造初始应力场。2)盾构开挖模拟。模拟施工步序:第一步:开挖左线隧道土体;第二步:施加左线外围管片;第三步:按上述步骤进行右线隧道开挖。

2.6计算结果分析

周围土体及建筑的位移变化能够反映出隧道开挖工程控制措施是否有效,因此本文经分析,盾构侧穿某桥桥桩位移云图及地表位移云图如图3~图5所示。由图3~图5可知:在隧道开挖完成后,桩体顶部与底部竖向位移均为0.3mm,桩体没有产生不均匀沉降,位移处于合理的范围内;桩体顶部水平位移为0.3mm,底部水平位移为0.4mm,底部位移比顶部稍大一些,这可能由于底部桩体距离盾构隧道更近一些,对底层土体扰动更大一些。另外,隧道开挖完成后,隧道上方土体沉降位移为8.5mm,符合控制标准,说明采取的控制风险措施是可行的。

2.7结论

隧道开挖完成,场地地表最大沉降为8.5mm。以上各项指标均小于相应的控制标准。因此,可以得出以下结论:1)采用盾构法开挖合理有效。2)地铁区间与桥桩净距合理,地铁区间开挖对其影响在控制范围以内。3)采用数值方法难以完全展示出盾构隧道施工的全过程,在施工工序、盾构掘进的速度、注浆的时间及位置等细节还无法在模拟中反映,因此在实际工程中应该把握好施工工程,减少工序上的误差,增强控制风险措施,加强监测点的观测,减少盾构隧道开挖对桥桩的影响。

参考文献:

[1]蔺琦,张亚敏,地铁隧道下穿既有铁路桥施工影响分析探究[J].科学经济导刊,2018,31(1):93.

[2]GB50652—2011,城市轨道交通地下工程建设风险管理规范[S].

[3]GB50007—2011,建筑地基基础设计规范[S].

[4]GB50911—2013,城市轨道交通工程监测技术规范[S].

[5]JGJ94—2008,建筑桩基技术规范[S].

作者:周炳锐 单位:内蒙古科技大学土木工程学院

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