地鐵盾構下穿對近接高架橋樁基的影響

1、地鐵盾構下穿對近接高架橋樁基的影響 摘  要: 運用 MIDAS/GTS 三維有限元分析軟件，模擬了盾構隧道動態(tài)施工對近接高架橋樁基的影響，重點分析了樁基水平位移及沉降的發(fā)展規(guī)律，為盾構安全通過提供依據(jù)。研究表明: 兩側樁基水平位移在隧道范圍內呈現(xiàn)明顯“凹槽”; 盾構推力是影響樁基水平位移的重要因素，對沿隧道方向水平位移的影響較沿垂直隧道方向大，對樁基沉降影響較小; 工程擬定袖閥管注漿加固措施將引起樁基產(chǎn)生附加沉降，對樁基水平位移控制無明顯效果。分析結果認為，在不采取袖閥管注漿加固措施情況下，合理選取盾構推力，可完成盾構隧道對近接高架橋樁基的安全穿越。關

2、鍵詞: 盾構下穿 高架橋樁基 三維數(shù)值模擬 盾構推力 水平位移 沉降 袖閥管注漿      隨著城市軌道交通建設的快速發(fā)展，城市地鐵盾構隧道將不可避免地穿越周邊已建的建( 構) 筑物。特殊情況下，盾構隧道需穿越已有高架橋的樁基礎。盾構施工將產(chǎn)生地層土體損失，從而導致隧道附近土體應力場發(fā)生重分布，近接樁基周邊法向應力將有不同程度的釋放，使得樁基的承載能力折減。同時，隧道施工引起隧道周圍地層移動，其產(chǎn)生的自由土體位移場使得工作狀態(tài)的樁基產(chǎn)生附加彎矩和變形1-5，對樁基礎的安全使用產(chǎn)生風險。地鐵盾構隧道下穿對近接高架橋樁基的影響分析成為當前

3、城市地下空間開發(fā)中的熱點問題。 1 工程地質條件及近接樁基概況1. 1 地質條件      本工程區(qū)段屬于丘陵地貌，沿線為剝蝕殘丘和丘間沖溝相間，因道路等工程建設，原地貌大多經(jīng)過挖填。地下水以第四系孔隙水、基巖裂隙水賦存。該區(qū)段內沖積 洪積砂層不會產(chǎn)生地震液化，不良地質有:軟土地層、砂層、花崗巖殘積土及“球狀風化孤石”。本工程范圍區(qū)間隧道主要從沖積洪積粉質黏土層( 4N-2) ，( 4N-3) ，殘積土層( 5H-2) 中穿過。      該區(qū)段地層自上而下依次為素

4、填土、沖積洪積而成的可塑狀粉質黏土、沖積洪積而成的稍密中粗砂、硬塑狀花崗巖殘積土、全風化花崗巖、強風化花崗巖。1. 2 近接高架橋樁基概況      廣州地鐵六號線蘿崗 香雪區(qū)間下穿北二環(huán)高速公路高架橋樁基工程位于廣州市蘿崗區(qū)廣深高速公路與北二環(huán)高速公路交匯處，位于地鐵六號線右線設計里程 YDK40 + 510. 544，左線設計里程 ZDK40 +523. 849 附近。本區(qū)段擬采用盾構法施工，隧道埋深約 15 m，所穿越的北二環(huán)高速公路立交橋，橋名為“蘿崗分離式立交橋”，地鐵盾構隧道距離兩側高架橋樁基的距離僅有 2. 0 12.

5、5 m，上部構造采用預應力混凝土連續(xù)箱梁，下部構造為柱式墩，1 800 mm鉆孔灌注樁基礎，為摩擦型樁，樁底均落入全風化花崗巖，樁基與隧道位置關系平面圖見圖 1，高架橋樁基與盾構隧道剖面關系圖見圖 2，樁基與隧道位置關系見表 1。2 近接樁基控制標準及模型建立2. 1 近接樁基沉降控制標準      制訂近接樁基的沉降控制標準，通常采用允許位移值進行控制。但其涉及的因素很多，既要滿足承載力要求，又要滿足樁基上部結構的允許沉降值。關于近接樁基沉降控制標準，主要依據(jù)地鐵設計規(guī)范( GB 501572003) 規(guī)定的墩臺沉降量不超

6、過 50 mm，相鄰墩臺的差異沉降不超過 20 mm。參照廣州地鐵西村站墩臺最大允許沉降值20 mm6及成都樂山客運專線機場單墩沉降允許值為 20 mm、相鄰墩臺差異沉降允許值為15 mm7; 結合本工程，取差異沉降值 20 mm作為單墩沉降允許位移值。為有效控制樁基沉降，制訂樁基沉降警戒值為極值的 80% 作為控制標準，樁基沉降預警值為極值的 40% 作為控制標準，如表2所示。2. 2 近接樁基水平位移控制標準      近接樁基水平位移控制標準的制訂，根據(jù)建筑樁基技術規(guī)范( JGJ 942008) 樁基地面處水平位移允許值為 10

7、 mm，對于水平位移敏感的建筑物取為6 mm 的規(guī)定，結合本工程特點，取單樁水平位移允許值為 6 mm。      為有效控制樁基水平位移，取單樁水平位移允許值的 80%作為樁基水平位移控制的警戒值、40% 作為樁基水平位移控制的預警值，制訂的樁基水平位移控制標準見表 3。2. 3 計算參數(shù)      根據(jù)廣州市軌道交通六號線二期工程詳細勘察階段巖土工程勘察報告，由室內試驗或原位測試結果的統(tǒng)計值，按工程類比的方法提供巖土參數(shù)。模型物理力學參數(shù)見表4。2. 4 計算模型

8、0;     采用 MIDAS/GTS 巖土專用有限元分析軟件，建立三維數(shù)值分析模型，動態(tài)模擬了盾構到達前的擠壓擴張、土體開挖、襯砌安裝與盾尾填充注漿三個階段。隧道埋深取 15 m，盾尾注漿過程采用注漿單元屬性代替原間隙土屬性實現(xiàn)，盾構鋼殼采用板單元模擬，高架橋樁基及周圍土體用實體單元模擬。采用地層荷載法建立三維計算模型，模型上表面為自由邊界面，底部為豎向位移約束，各側面為對應方向水平位移約束。2. 5 盾構推力      鑒于盾構頂進推力參數(shù)的重要性，國內外學者8-12進行了較為深入的研究，主

9、要通過現(xiàn)場實測和模型試驗進行盾構頂進推力的變化規(guī)律及土體與盾殼之間摩擦作用機理的研究，并得出了一些有益的結論。結合本工程的特點，僅考慮與盾構正面土壓力平衡的盾構推力對樁基位移的影響，盾構推力分布模式與土壓力相同，沿深度方向線性分布。模型選取三種不同盾構推力進行分析計算，見表5。2. 6 樁基位移分析      左右線盾構隧道完成穿越后樁基水平位移曲線見圖 3。在圖 3 中，兩側樁基水平位移在隧道范圍內呈現(xiàn)明顯“凹槽”，而中間樁基 20-1 與 20-2 兩側均有地層土體損失，故無此規(guī)律。    

10、  圖4 為樁基沿隧道方向水平位移，圖 5 為樁基垂直隧道方向水平位移，樁基沉降見表 6。在圖 4 中，樁基沿隧道方向水平位移受盾構推力的影響較大，且隨著近接距離的減小而增大。在圖 5 中，盾構推力對樁基垂直隧道方向水平位移有一定影響，但較盾構推力對沿隧道方向水平位移的影響要小。筆者認為，過大的盾構推力會對開挖面土體產(chǎn)生擠壓，并擴散至近接樁基，對其位移產(chǎn)生影響，且以沿隧道方向的水平位移為主。在表 6 中，盾構推力對樁基沉降影響非常小。3 擬定樁基加固方案分析      為保證完成盾構對高架橋樁基的安全穿越，本工程擬采用袖閥管

11、注漿對隧道范圍內樁基周圍土體進行加固，加固范圍見圖 6 和圖 7。圖 6 為袖閥管加固平面圖，圖 7 為袖閥管加固剖面圖。筆者進行了未加固與加固情況下樁基水平位移與沉降的對比分析，以探討擬定袖閥管加固措施的工程效果，并參照樁基水平位移與沉降控制標準，判斷樁基是否處在安全狀態(tài)，為完成盾構對高架橋樁基的安全穿越提供依據(jù)。      樁基水平位移對比見圖 8，樁基沉降對比見表 7。由圖 8 可知，袖閥管注漿加固措施對減小樁基水平位移的作用不明顯，且未加固值與加固值均在樁基水平位移控制警戒值以內。由表 7 可知，袖閥管注漿加固措施將引起樁基產(chǎn)生附加沉降

12、，隨近接距離的減小而增大，最大可達 1. 0 mm，約占總沉降 21. 3%，且各樁基沉降值均在預警值內，樁基處于安全狀態(tài)。 4 結語      本文運用 MIDAS/GTS 三維有限元分析軟件，建立三維數(shù)值分析模型，重點分析了樁基水平位移及沉降的發(fā)展規(guī)律，為確保盾構的安全通過提供依據(jù)，主要得到了以下結論:      1) 兩側樁基水平位移在隧道范圍內呈現(xiàn)明顯“凹槽”。      2) 盾構推力是影響樁基水平位移的重要因素，對

13、沿隧道方向水平位移的影響較垂直隧道方向大，對樁基沉降影響較小。      3) 工程擬定袖閥管注漿加固措施將引起樁基產(chǎn)生附加沉降，對樁基水平位移控制無明顯效果。分析結果認為，在不采取袖閥管注漿加固措施情況下，合理選取盾構推力，可完成盾構隧道對近接高架橋樁基的安全穿越。 參 考 文 獻1李進軍，王衛(wèi)東，黃茂松，等 地鐵盾構隧道穿越對建筑物樁基礎的影響分析J 巖土工程學報，2010，32( 增 2) : 166-1702劉庭金，魏立新，房營光，等 隧道建設對緊鄰高架橋影響的三維數(shù)值分析J 巖土力學，2008，

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