上下叠交盾构隧道侧穿既有桥桩的影响分析-理工论文发表范文

发布时间：2013-05-25

　　内容提要：昆明市轨道交通首期工程一号线环城南路站~火车站站区间隧道在昆明火车站广场与昆明铁路大厦之间穿过，左右线在ICK13+700前后采用上下叠交，且近距离侧穿既有的昆明火车站站前高架桥桩。本文分析了盾构隧道施工对高架桥的影响，并提出了相应的对策措施。

　　主题词：上下叠交,盾构,数值分析,对策,理工论文

　　1、引言

　　昆明市轨道交通首期工程一号线环城南路站~火车站站区间隧道沿北京路向南敷设，在昆明火车站广场以北线路向东偏移，下穿昆铁招待所，在昆明火车站广场与昆明铁路大厦之间穿过，下穿铁路股道，到达昆明火车站站。其中昆明火车站广场设有地下一层大型停车场，其基础为PC-A400预制混凝土管桩基础，桩长大于20m。昆明铁路大厦为6-9层的混合结构，基础为350*350的预制钢筋混凝土方桩基础，桩长12m。

　　为尽量减少地铁区间隧道对沿线既有建构筑物的影响，本段区间隧道设计为左、右线上下叠交形式。其中在ICK13+700前后左右线近于平行叠交，且在本段近距离侧穿既有的昆明火车站站前高架桥桩。本文主要研究盾构隧道施工对既有桥桩的影响。

　　2、区间隧道与高架桥桩的相互关系

　　昆明火车站北广场高架桥位于火车站北广场上，主要用于社会车辆出入火车站站房二楼进站口，为单行道。该处桥梁桥台处的基础为7～8m搅拌桩，桥梁基础为直径1m的钻孔灌注桩，桩长大于19m。如图1。

　　本段区间隧道采用盾构法施工，在邻近高架桥段采用上下叠交方式，左线在下，右线在上。右线隧道的覆土厚度为13m，左右线隧道的净距约为1.2m。

　　区间隧道从北广场东侧穿过，与高架桥桥桩邻近，隧道结构与高架桥桩基的最小水平净距为2.37m。详见图2。

　　3、工程地质与水文地质条件

　　3.1地层岩性及分布特征

　　根据地质勘察资料，场区各岩层分布及特征分述如下：

　　Q4ml:①2杂填土，表层为路面沥青混凝土，下以粘性土为主要成份，夹碎石，多为路基结构层，连续分布。厚度3.4m。

　　Q4al+pl:②3粘土，含少量有机质。局部为粉质粘土。分布连续，厚度4.5m。

　　②4粉土，夹粉砂薄层。局部含未分解植物根茎、叶。分布较连续，厚度1m。

　　Q3al+pl:③2圆砾，砾石成分为砂岩、玄武岩、灰岩为主，中～微风化。磨圆度较好。大于20mm的卵石含量在5～10%。最大粒径50mm。主要充填物为粉土、粉砂，局部为粘性土。连续分布，厚度2.1m。

　　③21粉砂，间夹粉土团块。为圆砾层中的夹层及透镜体，厚度3.2m。

　　③23砾砂，砾石成分为砂岩、玄武岩、灰岩为主，中～微风化。磨圆度较好。厚度3.9m。

　　③3粉砂，局部地段为粉土层，局部夹腐木。分布较连续，平均厚度9.8m。

　　③32粘土，局部为粉质粘土。分布不连续，厚度2.9m。

　　3.2水文地质特征

　　现场勘察期间沿线地下水主要赋存于第四系圆砾土、含砾粉质粘土及粉土中，地下水多以潜水或者上层滞水形式存在，局部具微承压。接近修筑北京路延长线前自然地表，水位标高1888.61～1890.27m。近3～5年，水位受降雨量及城市供水、雨水、排水管网渗漏的影响，地下水位在现在地表下约1～2m，即1892.00～1893.00m。

　　4、上下叠交隧道施工顺序的确定

　　上下叠交隧道一般属于近距离小间距隧道范畴，需要考虑施工及运营期间的相互影响问题、结构承载能力问题、地层损失及地表沉降问题、邻近建筑物及管线保护问题等，引起了业界的普遍关注。国内不少学者对上下叠交地铁盾构隧道进行了研究，通过有限元数值模拟方法，对重叠隧道段“先上后下”及“先下后上”两种工况施工全过程的力学行为进行了对比研究，分别得出了结论。其中文献一“深圳地铁重叠隧道近接施工影响的数值模拟分析”中，通过模拟分析认为：从塑性区分布、地表下沉及洞周位移分布看，重叠及交错隧道采用“先上后下”施工均比“先下后上”施工较为有利。文献二“地铁重叠隧道施工顺序研究”中，通过模拟计算分析认为：(1)在地表无建筑物时，采用“先上后下”施工，施工全过程中的地层应力、地层位移、地表沉降、地层塑性区和结构内力值的最大值都小于“先下后上”施工的相应值。(2)在地表有房屋基础工程条件(可以认为在地表有一相当的集中荷载)时，采用“先上后下”施工时的地层应力、地层位移、地表沉降、地层塑性区和结构内力值的最大值都大于“先下后上”施工的相应值。

　　本段区间邻近高架桥桩，既有高架桥的存在类似于在盾构隧道近旁施加了一个附加荷载，使隧道结构本身接近于“偏压”。另外不少计算资料表明，“先下后上”或“先上后下”施工时，沉降量和管片内力差异不大，且无论采用哪种施工顺序，先期施工隧道均会因后期隧道施工过程中盾构机盾首的挤压和盾尾的地层损失而发生径向变形和纵向挠曲。但这些均可以通过对盾构管片的加强及施工过程中对先期施工隧道采取纵、径向加固措施等来保证先期施工隧道的安全。

　　因此，结合工程筹划，本段区间隧道采用“先下后上”施工顺序。

　　5、盾构推进过程的三维数值模拟

　　5.1盾构隧道施工原理

　　为了了解盾构隧道施工对既有桥桩的影响，很有必要对盾构推进过程进行数值分析。盾构隧道的施工过程可简单概括为工作面开挖、盾尾衬砌环的拼装和盾尾空隙注浆充填这几个步骤。工作面开挖和衬砌的拼装交替进行，直至整条隧道完成;拼装好的衬砌脱出盾尾后，盾构壁厚占据的空间为衬砌拼装操作所留的空隙、盾构推进时部分土体粘附于盾构外壳上，在衬砌环背面与实际开挖土体界面间留有环形空隙，这种空隙称为盾尾建筑空隙。隧道开挖轮廓壁面的土体会向盾尾空隙移动，同时隧道通过后，周围受扰动的土体产生固结，这将导致隧道附近的地层产生位移，为了防止地层产生过大的位移，要及时通过管片预留的注浆孔向盾尾空隙内压注浆体，以减少地层位移。

　　5.2数值模拟步骤

　　盾构推进过程的数值模拟一般采用的是刚度迁移法，将盾构前行看成刚度和载荷的迁移过程，如图3所示。在盾首和盾尾均设有预设单元，开挖面推进时，盾首逐渐深入，预设单元刚度逐渐增加，盾尾逐渐脱出，预设单元的刚度逐渐减少。当推进了一段行程后，盾首预设单元变为外壳刚度，盾尾的相应变为空气单元，盾构前行了一个行程。盾构前行的同时，盾构附属的其他结构包括载荷也随之前行。

　　数值模拟步骤如下：

　　(1)建立三维土体模型，计算土体在自重应力下的初始应力场，将位移值赋零;(2)加入结构单元或者桩单元后，计算结构与桩初始应力场，将位移值赋零;(3)定义施工阶段分步开挖，取盾构推进两个管片长度，即每2.4m为一个开挖步，在开挖面处施加0.23MPa的土仓压力，然后逐步施作管片和注桨，在盾尾施加0.15MPa注浆压力;(4)利用激活与钝化单元，来模拟盾构机动态前移施工，循环第3步，直至挖完整个土体;(5)计算分析，后处理。

　　5.3数值模型的建立

　　按照高架桥及区间隧道的有关资料，利用MIDAS-GTS软件建立三维有限元数值分析模型。站前高架桥引桥段数值模型如图所示。本模型单元共51984个，节点11056个。在该模型中，土体强度准则为Drucker-Prager准则，采用实体单元，选择受盾构施工影响最大的桩基，采用桩单元进行模拟，并且通过接触界面单元与土体相连接，管片和盾构机盾壳均采用板单元模拟。

　　在该模型中，取盾构隧道开挖方向为y轴，z轴垂直于岩层，x轴沿着盾构隧道横向，并且与y轴和z轴满足右手法则，模型范围为80mm×36mm×60mm(长×宽×高)。

　　模型计算参数详见表1。

　　表1 有限元分析参数取值表

　　弹性模量(MPa)泊松比容重(kN/m3)粘聚力(kPa)内摩擦角( º)

　　杂填土1130.3318.51010

　　粘土236.330.3318.845.810.3

　　粉砂3310.570.3019.327.515.5

　　粘土3325.560.3417.850.28.9

　　粘土349.350.3418.957.110.5

　　注浆体400.3019.030.040.0

　　盾壳2×1050.2078.0————

　　隧道管片3×1040.2024.0————

　　桩基2×1040.2024.0————

　　4.4、计算结果分析

　　左线及双线隧道贯通后，桩基A和桩基B(如所示)的弯矩分别如图所示。由图可以看到，左线盾构隧道推进后，桩基A以及桩基B的最大弯矩分别为416kN·m和269kN·m，双线隧道贯通后，桩基A以及桩基B的弯矩均继续增大，分别达到778kN·m和393kN·m。

　　左线隧道贯通后，桩基A和桩基B的桩端沉降分别5.3mm和4.1mm和，随着右线隧道的贯通，左右桩基的桩端沉降继续增大，变为12.9mm和11.5mm。

　　左线隧道以及双线隧道贯通后，桩基A和桩基B的水平位移曲线分别如图所示。由图可以看到，左右桩基均在桩底部达到最大位移值，最大值分别为16.42mm和12.63mm，方向均向着盾构隧道方向。由于水平不均匀位移的存在，桩基将有可能出现倾斜，需要引起注意。

　　5.结论及建议

　　通过对盾构隧道邻近桥桩的三维有限元模拟，可以得到以下结论：

　　(1)盾构开挖对地表变形的影响具有明显的三维性。

　　(2)在盾构掘进过程中，盾构邻近开挖面、盾构通过和盾尾脱出阶段沉降值和沉降速率均较大，使得桩基础在水平、纵向、竖向发生位移、并产生倾斜。由于盾构施工扰动造成地层损失等原因，桩基整体发生竖向沉降，竖向位移随着盾构的推进逐渐增大;并且其值较水平、纵向位移大。由于桩基沿桩长方向的不均匀位移及变形，随着盾构机的推进，桩基横向倾斜率越来越大，当盾尾通过桩基时，达到最大值。因此，在实际施工阶段，应重点注意控制这三个阶段的沉降。

　　(3)盾构隧道推进将引起既有桩基内力发生变化，弯矩值将会增加。桩身轴力变化沿桩长方向随着深度的增加而增大，直至桩基底部附近达到最大值，且随着盾构的推进而逐渐增大，当盾尾通过桩基时，达到最大。桩身产生附加弯矩，桩基顶部和桩基底部的弯矩值均为零;桩身背洞侧受压，临洞侧受拉，弯矩基本全为负值;但附加弯矩值都比较小。

　　盾构法近接桩基施工会引起隧道自身结构受力状态的改变，同时扰动桩基底部两侧土体及管片腰部土体，使其处于不利的受力状态。由于数值模拟分析采用了一些假设条件，并不能完全反应工程实际情况，因此，在实际施工时，建议如下：

　　应对桥梁进行评估，提出合理的位移和变形控制标准;

　　在施工本段隧道之前，设置试验段，将盾构机调整到最佳状态，并确定最优的掘进参数，按照 “安全、连续、匀速"的原则进行施工;

　　因上下叠交段本身属于隧道近接施工，为减少盾构隧道相互影响及盾构隧道对桥梁桩基的影响，很有必要对本段地层进行加固。地层加固包括隧道周围土体的加固和桩基地基的加固。前者是通过增大隧道周围土体的强度和刚度来减少或防止周围土体产生扰动和松弛，从而减少对近邻桩基的影响，保证桩基的正常使用和安全。后者是通过加固桩基地基，提高其承载强度和刚度而抑制桩基的沉降变形。这两种加固措施一般可采用化学注浆、喷射搅拌等地基加固的方法来进行施工。根据监测情况，必要时在盾构隧道及桥桩之间增设隔离桩，以尽量减少盾构施工对桥桩的影响程度;

　　严格控制盾构操作，采用合理的掘进速度，尽量减少对土体的扰动;采用合理的土仓压力，减小超挖量，以减小盾构掘进引起的地层位移变形、土体扰动及地层损失;严格控制同步注浆压力和注浆量，及时有效地回填盾尾空隙，避免地层损失和冒浆，确保充分填充管片背后间隙。

　　加强监控量测和信息反馈，指导施工。隧道掘进引起既有桩基的沉降值、桩基倾斜，地表沉降值较大时，将引发立交桥的开裂、沉降、倾斜等安全隐患问题，盾构掘进时应加强对立交桥的监控量测，及时采取工程补救措施。尤其要做好对桥梁上下部结构的监测，包括桥梁上部结构变形测量、桥梁下部结构沉降测量及变位、倾斜。桥梁基础土体扰动监控量测包括土体水平位移的监测、土体分层沉降监测等。

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