地鐵盾構(gòu)隧道近接樁基的施工力學(xué)行為研究
摘 要: 針對城市地鐵新建隧道近接既有民房樁基的工程情況,進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬的施工力學(xué)行為研究。研究結(jié)果表明,近接樁基施工將引起新建隧道自身結(jié)構(gòu)特別是與既有樁基近接一側(cè)邊墻,有不利的受力狀況和變形特征。因此,需要采取加固措施,以確保隧道自身結(jié)構(gòu)以及近接建筑物的安全。本文研究對城市地鐵隧道的近接施工,有一定參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞: 盾構(gòu)隧道; 近接施工; 既有樁基
近年,由于土地價(jià)格上揚(yáng),城市土地用地不足等, 重疊隧道工程等建設(shè)中遇到了相類似的問題,給設(shè)計(jì)城市急劇向郊區(qū)擴(kuò)大,土地高度利用化,而近接既有地和施工帶來了極大難題。下結(jié)構(gòu)物進(jìn)行近接施工的工程,大量涌現(xiàn)。因此在這種情況下,最主要的問題是施工中對既有結(jié)構(gòu)物的影響問題以及自身近距離施工時(shí)的影響問題。概括講, 如何把對環(huán)境的影響減少到最低限度,是地下建筑物在近距離條件下施工的核心問題。這一新動向和新問題,目前已經(jīng)引起了地下工程界和巖土工程界甚至包括地鐵承包商在內(nèi)的廣泛重視。在日本,已將近距離條件下地下結(jié)構(gòu)施工定義為“ 近接施工影響問題”[ 1 ] , 并且給以高度重視。在我國,隨著近年來城市地鐵交通事業(yè)飛速發(fā)展,已先后在北京、上海、廣州的地鐵一號線、廣州地鐵二號線以及目前在建的深圳地鐵一期近期的近接工程與過去的比較,不僅工程規(guī)模大, 而且與既有地下結(jié)構(gòu)物的間隔距離更小,例如,在建的深圳地鐵一期工程天虹—崗廈區(qū)間隧道,在左線里程CK6 + 784. 155 處,與民房樁基近接距離僅為0. 31 m , 如圖1 所示。可見,近接施工影響問題已變得非常嚴(yán)重。
為了確保近接施工中,新建盾構(gòu)隧道自身結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定,以及施工期間對既有結(jié)構(gòu)物的影響減少到最低限度,本文將針對深圳地鐵一期工程天虹—崗廈盾構(gòu)區(qū)間隧道與民房樁基相互近接的施工力學(xué)行為, 從整體上包括新建盾構(gòu)隧道、近接樁基以及上至地表環(huán)境,進(jìn)行數(shù)值模擬研究。
1 工程地質(zhì)概況
根據(jù)工程地質(zhì)描述,天虹—崗廈區(qū)間地處寬階地、沖積平原,地形平坦稍有起伏。工程勘測范圍內(nèi)自上而下圍巖組成為:第四系全新統(tǒng)人工堆積層Q4ml (由粉質(zhì)粘土的素填土組成) 、沖積層Qal4 ,(由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘3土組成) 、第四系殘積層Qel 、及下伏燕山期花崗巖r5 (由砂質(zhì)粘性土及全風(fēng)化花崗巖組成) 。從整體上看, 本區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造相對簡單,無明顯不良地層,圍巖分類為I～ II 類。
2 盾構(gòu)隧道近接既有地下樁結(jié)構(gòu)的空間計(jì)算
2. 1 建模情況
(1) 最不利工況確定
根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖資料,可確定出盾構(gòu)隧道近接既有地下樁基(民房樁基) 施工時(shí)的最不利工況,在左線里程CK6 + 790 處,與民房樁基近接距離僅為0. 31 m , 如圖2 所示。因此,新建盾構(gòu)隧道近接既有地下樁基的三維彈塑性數(shù)值計(jì)算將針對這種工況進(jìn)行。
圖2 盾構(gòu)隧道近接樁基最不利工況模型(近距0. 31 m)
(2) 模型考慮
在建模中,為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,對混凝土管片結(jié)構(gòu)選用了等參8 結(jié)點(diǎn)空間板殼單元,對于周邊圍巖體選用了等參20 結(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬,而對于福華新村1 棟樓(CK6 + 790) 樁基,則選用了三維梁桿單元進(jìn)行模擬。在隧道和樁結(jié)構(gòu)周邊圍巖體采用了細(xì)密單元,見圖2 所示。本次計(jì)算采用通用大型有限元軟件ANSYS 進(jìn)行數(shù)值分析,以期獲得理想效果。
(3) 計(jì)算參數(shù)
針對深圳地鐵一期工程勘測圍巖自上而下的地質(zhì)情況,將其綜合歸并為4 層材料性質(zhì)的巖土體,進(jìn)行研究。即地表淺層Q4ml (地層號Ⅰ) 、地中中層Qal 和Qel 334 (地層號Ⅱ) 、隧道周邊Qel 和r5 (地層號Ⅲ) 及底部r5 (地層號Ⅳ) 。需要指出,這4 層材料參數(shù)的確定,是依據(jù)對其組分按厚度進(jìn)行加權(quán)平均的處理方法而獲得。對于混凝土管片結(jié)構(gòu),選取C50 材料參數(shù),考慮到接頭影響以及擬定采用的錯(cuò)縫拼裝方式,將管片的剛度折減系數(shù)分別確定為0. 75 、0. 85 兩種情況。而對于地下樁基,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際確定為C25 , 所有力學(xué)參數(shù)列于表1。
表1 盾構(gòu)隧道近接既有地下民房樁施工時(shí)的計(jì)算參數(shù)
注: 3 為管片錯(cuò)縫拼裝的剛度折減系數(shù)。
2. 2 計(jì)算分析力場,形成“毛洞”狀態(tài)時(shí),圍巖載荷釋放率為25 % , 管為了說明地下樁基與盾構(gòu)隧道相互近接的影響, 片支護(hù)后,圍巖載荷完成釋放率為75 %; 如圖3 所示。需要完成以下3 方面工作:
(1) 模擬施工過程,假定隧道開挖初期自重地應(yīng)影響施工力學(xué)行為進(jìn)行研究; (2) 分別針對無樁和有樁兩種條件下,結(jié)構(gòu)相互折減系數(shù)η= 0. 75 或0. 85 分別進(jìn)行計(jì)算。
2. 3 隧道近接福華新村樁基情況
2. 3. 1 內(nèi)力影響因素分析
從整體上看,對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生重大影響的仍然是橫向內(nèi)力及其變化,而不是縱向內(nèi)力及其變化,通過比較盾構(gòu)隧道管片最大橫、縱彎矩值及其相應(yīng)軸力,如表2 、表3 所列,可以更清楚看到這一點(diǎn)。
2. 3. 2 結(jié)構(gòu)受力狀況分析
(1) 從整體上看,有樁作用條件下,所獲得最大彎矩均比無樁情況下相同位置計(jì)算結(jié)果要高,而對應(yīng)軸力則相差不多,這意味著在有樁作用條件下,結(jié)構(gòu)安全度呈現(xiàn)出降低的趨勢;
(2) 從發(fā)生位置看,在有樁作用條件下,最大正負(fù)彎矩值,均出現(xiàn)在與樁基近接一側(cè)的隧道管片邊墻位置;
(3) 提高剛度折減系數(shù),結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,呈現(xiàn)出一致性增大的趨勢;不過相對來看,彎矩的增加更明顯一些,而軸力可近視為“不變”。
圖3 模擬盾構(gòu)隧道施工的整個(gè)計(jì)算過程村民房樁基凈距僅為31 cm , 因此對近接樁基一側(cè)隧
(3) 考慮可能采取錯(cuò)縫拼裝方式,選取管片剛度道受力狀況造成了不利的影響,從加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)看, 應(yīng)當(dāng)更關(guān)注近接樁基一側(cè)的隧道邊墻。
表2 近接民房樁基(η= 0. 75 或0. 85) ,無樁和有樁兩種條件下,隧道最大橫向內(nèi)力比較
表3 近接民房樁基(η= 0. 75 或0. 85) ,無樁和有樁兩種條件下,隧道最大縱向內(nèi)力比較
2. 3. 3 近接施工引起群樁的水平變形
如表4 所示,近接隧道施工引起的福華新村群樁
水平變形情況,從中可得到以下認(rèn)識:得到樁基沿水平方向的最大“拉伸”變形為4. 04 cm 。
(1) 隧道近接樁基施工時(shí),產(chǎn)生了明顯的較大側(cè)加固的群樁范圍達(dá)4 m ; 若以3 cm 受拉變形為控制指向“拉伸”變形;其中當(dāng)隧道與樁基近距為0. 30 m 時(shí)；
(2) 考察不同近距情況下樁基側(cè)向變形,可以得到以下范圍,若以2 cm 受拉變形為控制指標(biāo),則需要則需要加固的群樁范圍約1. 8 m 。
(3) 考慮到施工時(shí)產(chǎn)生的較大擾動,爭取對福華新村近距1. 8 m 范圍內(nèi)的加固措施。
表4 近接隧道施工引起的群樁( 以η= 0. 75 為代表)
2. 3. 4 近接群樁施工引起的地表沉降
圖4 為剛度折減系數(shù)0. 75 時(shí),地表沉降大于3 cm 結(jié)點(diǎn)矢量圖,考察其覆蓋范圍,獲得沉降槽最大寬度為25. 32 m , 其中樁基一側(cè)為15. 2 m ; 而另一側(cè)占10. 12 m 。以招標(biāo)文件規(guī)定地表沉降允許值3 cm 為控制基準(zhǔn),則需要采取措施控制地表沉降的寬度范圍為25. 32 m 。
圖4 隧道近接樁基施工時(shí),地表沉降超過3 cm 范圍及幅值
3 結(jié)論
(1) 與無樁情況相比較,近接樁基施工將引起新建隧道自身結(jié)構(gòu),特別是與既有樁基近接一側(cè)邊墻不利的受力狀況。具體表現(xiàn)為,有樁作用條件下,所獲得最大彎矩均比無樁情況相同位置的計(jì)算結(jié)果要高, 而相應(yīng)軸力則與無樁情況的相同位置計(jì)算結(jié)果相差不大,這意味著,在有樁作用條件下,結(jié)構(gòu)的安全度,呈現(xiàn)出一致性降低的趨勢。
(2) 從整體上看,由于樁基的作用,使得新建隧道沿水平方向左右邊墻的變形結(jié)果不具備對稱性;比較有樁和無樁條件的計(jì)算結(jié)果可知,近接既有樁基的隧道施工完成后,鄰接樁基一側(cè)隧道邊墻的水平變形均表現(xiàn)出高于無樁條件下的變形特征。
(3) 從隧道對樁基影響角度看,近接施工將引起既有樁基產(chǎn)生偏向隧道水平方向的“ 拉伸”變形情況。在近接距離僅為0. 31 m 的樁基處,產(chǎn)生了達(dá)到4. 04 cm 的最大“拉伸”變形。
(4) 需要采取加固措施,以確保隧道自身結(jié)構(gòu)以及近接地下“建筑物”的安全。
(5) 考察不同剛度折減系數(shù)時(shí),發(fā)現(xiàn)樁基水平側(cè)向變形幾乎沒有變化,這表明改變盾構(gòu)管片的拼裝方式,在整體上,對近接地下“建筑物”幾乎無影響。
(6) 以地表沉降允許值3 cm 為控制基準(zhǔn),則新建隧道近接福華新村樁基施工時(shí),需采取控制措施的寬度范圍為25. 32 m 。
參考文獻(xiàn):
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