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盾构穿越高架对其桩基变形和内力影响分析
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内容提示：盾构法已经成为城市地铁区间隧道施工的一种重要方法,在盾构法隧道施工过程中,经常要从地上和地下重要建筑物附近穿越。某盾构隧道需要近距离从已有高架桥桩基下穿过,通过适当简化,采用平面连续介质有限元,模拟双洞单线盾构隧道施工的整个过程,考虑不同阶段土体的应力释放率,分析盾构隧道施工对桩基变形和内力的影响。
摘 要:盾构法已经成为城市地铁区间隧道施工的一种重要方法,在盾构法隧道施工过程中,经常要从地上和地下重要建筑物附近穿越。某盾构隧道需要近距离从已有高架桥桩基下穿过,通过适当简化,采用平面连续介质有限元,模拟双洞单线盾构隧道施工的整个过程,考虑不同阶段土体的应力释放率,分析盾构隧道施工对桩基变形和内力的影响。（参考《建筑中文网》）
关键词:盾构法;高架桩基;应力释放;变形;内力
1 引言
随着城市轨道交通建设的发展,大量的地铁区间隧道采用盾构法施工,盾构法隧道的施工工艺和施工技术也在不断发展和成熟。由于城市经济建设的发展,地铁区间隧道沿线一般为城市经济较为发达的地区。盾构隧道施工过程中,不可避免的要从许多重要的地上和地下建筑物附近穿过。
文献[1]采用边界单元法模拟分析了掘进施工过程中盾构对已建建筑的影响,同时对施工参数进行了讨论。文献[2]~[3]分析了盾构近距离施工对已运营隧道的扰动影响。
本文分析盾构隧道推进过程中,从已有高架桥下桩基之间穿过,盾构施工对桩基水平位移和内力的影响,从而对工程的可行性和风险进行判断。
2 工程概况
某城市地铁区间隧道部分区间段需要从已有高架桥下穿越。由于盾构隧道需要近距离从桥下桩基之间穿过,因此需要完整分析上、下行线盾构推进过程中对高架桥桩基的影响。由于桩基结构对水平变形较为敏感,主要分析盾构推进时,土体的应力释放对桩基水平变形和内力的影响。盾构与桩基的剖面相对位置如图1所示,盾构主要是从<5-1>层粘土和<5-2>层粉质粘土中穿越,盾构外径为6m,管片厚度为30cm。高架桩基为22.5m长,直径为1.2m的钻孔灌注桩。
3 计算过程分析
3.1 计算简化
对于盾构隧道和高架桥,由于相对于其平面尺寸,纵向较长,因此可以忽略其纵向变形,简化为平面应变问题进行分析,取单位长度进行计算。
对桥梁承台和桩基,沿纵向不是一个连续结构,而是每隔25~30m左右布置桥梁承台桩基。因此按平面应变问题取每延米分析的时候,根据侧向抗弯刚度相似,截面长度按下式进行计算:
公式中,E为混凝土弹性模量,b为桩截面垂直盾构中心线方向的宽度,h为桩截面另一个方向长度,n为平行盾构中心线方向的桩数,h′为平面应变计算桩截面长度,s为承台中心距。
3.2 计算模型
计算模型中将桩基简化为梁单元进行模拟,土体和桩基上部承台结构采用平面应变单元进行模拟,隧道衬砌采用梁单元模拟,梁单元和实体单元之间自由度的协调性通过程序提供的自由度间的耦合功能实现。土体采用Drucker-Prager屈服准则,混凝土结构视为弹性体。计算区域取至盾构轮廓线外30m,左右边界设置水平约束,底部边界设置垂直约束,上部为自由边界。计算采用的土体物理力学指标如表1所示:
根据一些单圆盾构隧道工程的研究,考虑盾构施工过程中整体状态控制较好,在计算中考虑管片脱离盾尾,同步注浆完全填充管片和土体的空隙前,土体的应力释放率控制在小于15%,之后土体应力完全释放。
整个计算过程分为五步:①地层施加初始应力场,土体侧压力系数取为0.6;②单线盾构推进,管片拼装前土体应力释放率15%;③单线盾构推进,管片拼装后土体应力释放100%;④第二条盾构线推进,管片拼装前土体应力释放率15%;⑤第二条盾构线推进,管片拼装后土体应力释放100%。整个计算模型如图2所示。
4 计算结果分析
4.1 左侧桩基水平位移
计算得到左侧桩基在盾构推进过程中的变形形状如图3所示,随着上、下线盾构隧道的施工,桩的水平位移逐渐增大。在整个盾构隧道施工过程中,引起的桩基水平位移在-0.16~2.48mm(向盾构开挖侧位移为正)之间。
图4为盾构隧道施工过程中,左侧桩基桩身弯矩变化图,从图中可以看出,桩身弯矩随整体施工过程变化,最大弯矩增量为80,出现在第二条盾构隧道施工过程中,为计算模拟的第四阶段。
4.2 右侧桩基水平位移
计算得到右侧桩基在盾构推进过程中的变形如图5所示,随着上、下行线盾构隧道的施工,桩基水平逐渐增大,施工引起的桩基水平位移在0.10~2.55mm之间。在施工过程中,右侧桩基桩身弯矩变化如图6所示,桩身最大弯矩增量为102,发生在第二条盾构隧道施工结束后,即数值模拟的第五阶段。
4.3 中间桩基水平位移
计算得到中间桩基在盾构推进过程中的变形如图7所示,盾构施工引起的桩基水平位移在-1.78~0.30mm之间。从图7中可知,在单线盾构隧道推进过程中,中间桩基水平位移逐渐增大,最大达到1.78mm;而随着第二条盾构隧道的推进,随着中间桩另一侧土体的应力释放,使得桩向相反的方向运动,桩的水平位移又逐渐减少。
盾构推进过程中,中间桩身内力变化如图8所示,桩身最大弯矩增量达到153,出现在第一条盾构隧道推进过程中的第三计算阶段。对于中间桩基而言,由于左、右两侧盾构施工过程中,土体应力释放对其影响相互抵消,因此最终当两条盾构隧道施工结束后,桩身内力变化较小。
5 结论
通过模拟上、下行单圆盾构隧道的整个施工过程,分析盾构从已有高架桩基之间穿过时,桩基内力和变形的变化过程,得到以下结论:
1.盾构推进过程中,桩基的内力和变形是受到整个施工过程影响的,左右两侧桩基与中间桩基受到的内力和变形影响规律不一致。
2.左、右两侧桩基随盾构施工过程位移不断增大,最大位移和内力均出现在第二条盾构隧道的施工过程中;
3.中间桩基的内力和变形最大值出现在第一条盾构隧道的施工过程中。相对于左、右两侧桩基,中间桩在盾构隧道施工过程中产生的附加弯矩最大。但是由于两条盾构隧道位于中间桩基的两侧,土体应力释放对其影响相互平衡抵消,当上、下行线盾构隧道施工结束后,桩身内力和位移变化较小。
参考文献:
[1]寥少明,余炎,彭芳乐.盾构近距离穿越相邻隧道施工的数值解析[J].岩土力学,2004,25(增2):223~226
[2]邵华,张子新.盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析[J].岩土力学,2004,25(增2):545~549
[3]白廷辉,尤旭东,李文勇.盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术[J].地下工程与隧道,2000,(3):2~6
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/8935.htm
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