黄土隧道树根桩加固参数优化研究.pdf

黄土隧道树根桩加固参数优化研究白东生（山西路桥市政工程有限公司，山西太原0 30 0 0 6）摘要：依托某工程案例，对湿陷状态下的黄土隧道变形进行了研究，采用数值模拟软件分析了树根桩的加固效果，明确了树根桩加固方法的有效部位和效果。对树根桩的参数进行了优化研究，得出黄土的湿陷作用主要影响隧道仰拱部分的受力，树根桩能够有效改变隧道基底结构的受力状态，协助隧道底部衬砌进行受力平衡，抑制仰拱变形，同时通过分析树根桩的设计参数，明确了合理的桩间距和桩长能够有效地提升树根桩的加固效果，最终得出本次树根桩最佳方案是桩长为4m，桩径为0.3m，桩间距为0.5 m。关键词：黄土；湿陷性；隧道加固；参数优化中图分类号：U473Study on optimization of reinforcementparameters of loess tunnel root piles(Shanxi Luqiao Municipal Engineering Co.,Lid.,Shanxi Taiyuan 030006Abstract:Relying on a project case,this paper studiesthe tunnel deformation under the collapsible state of theloess tunnel,analyzes the reinforcement effect of thereinforced structure by using the numerical simulationsoftware,clarifies the effective part and effect of the rootpile reinforcement method,and optimizes the parametersof the root pile.It is concluded that the collapsible effectof the loess mainly affects the stress of the inverted arch ofthe tunnel.The root pile can effectively change the stressstate of the tunnel base structure,assist the tunnel bottomlining to balance the stress,and restrain the invertedarch deformation.At the same time,through the analysis收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 2作者简介：白东生（19 7 4一），男，山西晋中人，工程师。-124-of the design parameters of the root pile,the reasonablepile spacing and pile length can effectively improve thereinforcement effect of the root pile.Finally,the bestscheme of the root pile is that the pile length is 4 m,thepile diameter is 0.3 m,and the pile spacing is 0.5 m.Key words:loess;collapsibility;tunnel reinforcement;parameter optimization0引言黄土是一种非饱和欠密实的土体，未浸水时压缩性高，浸水后土体强度降低，变形增大，不利于埋设于该土层中结构的稳定，因此在黄土中修建的隧道应明确结构在湿陷状态下的受力和变形情况。学者对隧道加固进行了研究。尹静等【1 研究了文献标识码：B滑坡隧道的加固理论，采用锚索和抗滑桩等加固结构建立力学模型，推导出了加固结构体系中的内力理论计算公式，并以此进行算例分析，使各结构单元的受力达到均衡合理的状态。崔光耀等【2 对小净距重叠隧道的工序和加固方案进行了研究，结果表BAIDongsheng明，采用先建设下方隧道后建设上方隧道的工法要优先于先建设上方隧道，有利于减小隧道间土体的扰China)动，夹土层宜采用钢管注浆加固。钟可等3 对盾构下穿既有隧道的加固方案进行了研究，通过数值模拟的方法研究了不同加固方案下既有隧道的稳定情况，最后得出在盾构施工前采用MJS工法加固，能够有效地保护既有地铁隧道的正常运营。叶子健等4对波纹钢板加固隧道的应用情况进行了现场监测，并和有限元计算结果进行了对比分析，研究结果表明，波纹钢板护拱加固衬砌能够满足安全要求，对隧道衬砌风险部位起到了良好的加固效果。唐志辉5】依托南宁地铁4号线隧道下穿既有隧道工程，对下穿既有隧道的加固范围提出了优化设计方法。研究结果表明，加固圈厚度和长度与隧道的综合安全系数呈幂函数关系。易明炀和黄光楚 6 对隧道钢混衬砌裂损加固方案进行了梳理，从病害的原理出发，提出了隧道衬砌不同的加固方案，通过对比方案的优缺点，得出隧道结构在加固后的安全性和适用性。山东交通科技由于黄土在湿陷条件下土体物理性质会发生较大改变，对黄土隧道的衬砌结构影响较大。目前针对黄土隧道的加固技术研究还较少，如何进行加固和采用何种加固方案还处于探索阶段。采用有限元分析的方法，对黄土隧道的加固方案及其参数优化进行研究，为黄土地区的隧道加固提供一定的参考。1工程概况某隧道工程总体为南北走向，隧道的埋深为15m，设计断面埋设于老黄土地层，隧道断面采用三心圆断面，其圆心分别为0 1、0 2、0 3，对应的半径分别为50 0 cm、130 c m、1.50 0 c m，复合式衬砌，采用上下台阶法施工并进行了注浆和防水设计。根据地勘资料，位于路线桩号K4+365.265一K5+72.312段的隧道地层自上而下分为四层，分别为杂填土、新黄土、老黄土和粉质黏土，其中杂填土层均厚2 m，新黄土均厚8 m，老黄土均厚15m，底部为粉质黏土层。考虑隧道底部在隧道受水浸害的湿陷性变化会导致衬砌的受力平衡破坏，影响隧道结构的安全和稳定性，隧道底部衬砌与树根桩连接，桩呈排状分布。桩径0.3m，桩间距0.5m，桩长3m，见图1。图1隧道横断面2数值模拟2.1模型的建立采用有限元软件进行模拟计算。模型尺寸为50m40m，选用Midas/GTS有限元软件的2 D模型对其进行模拟，地层选用摩尔-库伦（M-C）本构模型，衬砌和树根桩选用弹性本构模型。为保证结构物与地层的完全耦合，对衬砌和桩进行印刻处理，所有模型的网格划分密度均为1m。地层材料的参数参照地勘资料选用，衬砌和桩采用工程实际混凝土结构的参数，见图2、表1。施工阶段模拟：首先是初始地应力平衡，还原土层的原始自重应力场，然后施加约束条件，进行2023年第5期原始地层的位移清零工作，模拟隧道的上下台阶开挖工艺，最后进行隧道底部黄土湿陷性的模拟，通过降低湿陷性部位单元的土层参数来模拟黄土湿陷性后的变化。图2 有限元模型表1模型参数弹性模泊松比容重/名称量/MPa桩8 000.0衬砌30 000.0杂填土21.5新黄土34.0老黄土50.0湿陷性24.5黄土03粉质60.0黏土012.2计算结果分析02分三种工况对隧道开挖完成后黄土的湿陷性进行分析。工况一：隧道开挖后的状态。工况二：隧道修筑完成后改变隧道底部土层参数进行湿陷性研究。工况三：隧道修筑完后施加树根桩后进行湿陷性模拟。2.2.1地层有效应力云图对比分析对湿陷前后隧道的地层有效应力云图进行对比分析，见图3和图4。PLANESTRAINSTRESSMEANEFFECTIVE,KN/m+5.915e+0026.7%+5.423e+0027.8%+4.932e+0028.3%+4.440e+0029.2%+3.948e+00210.7%+3.456e+0027.5%+2.965e+0026.6%+2.473e+0026.4%+1.981e+0027.2%+1.489e+0029.5%+9.974e+0019.8%+5.056e+00110.3%+1.385e+000图3湿陷前围岩有效应力云图-125-Y本构(kNm)C/kPa p/(。)0.324.50.325.00.418.20.315.20.318.00.418.50.319.5模型一弹性弹性16.311.527.520.033.523.017.014.036.021.5M-CM-CM-CM-CM-C白东生：黄土隧道树根桩加固参数优化研究PLANESTRAINSTRESSMEANEFFECTIVE,KN/m+5.942e+0029.7%+5.241e+0029.1%+4.701e+0028.2%+4.232e+0028.0%7.0%+3.877e+002+3.550e+0026.2%+3.152e+0026.3%6.4%+2.676e+002+2.181e+0026.9%+1.664e+0028.5%+1.173e+00211.2%+6.142e+00112.6%+5.128e-001图4湿陷后围岩有效应力云图由图3、图4可知，隧道在开挖后，隧道衬砌周围的有效应力相对其他地区的应力值有所增加，这是由于隧道开挖后土层的应力得到释放，部分应力向周围土体传递，土层应力重新分布。对比湿陷前后两种工况下的有效应力云图，可见两种状态下的土层应力变化规律大致相同，这是由于隧道结构相同，仅在部分土层中发生了小部分的单元参数改变，影响范围较小，造成了局部地方土层的应力值增大。湿陷后隧道的拱腰和拱脚部分的土层应力增大，并以0,圆心向土层内扩散增大，可见隧道基底土层的湿陷变化主要对拱脚下部的土层应力造成影响，隧道拱脚部分受到的不利影响最大。2.2.2衬砌竖向位移对比分析湿陷性对于土层应力的影响主要集中在隧道基底部分。对三种工况下隧道仰拱部分的竖向位移进行分析。由于隧道衬砌呈对称分布，因此，以X轴正方向，隧道中线与仰拱交点为零点进行数值提取，见图5。403020100-10L由图5可知，三种工况下仰拱的竖向位移变化规律一致，均随水平距离的增大而逐渐减小，但工况二的竖向位移变化曲线居于工况一的上方，工况三-126-的竖向位移变化曲线居于工况一的下方，三条曲线在随水平距离增加的同时逐渐聚拢，说明隧道底部黄土的湿陷状态使得拱底的隆起程度增大，并随水平距离的增大而减小。在湿陷后隧道基底的土层强度降低，衬砌需协调围岩应力，受力情况发生改变，而树根桩能够协助衬砌进行受力平衡，改善隧道底部结构的受力，将应力传递到周围土层，减小了仰拱部分的竖向位移值，可见树根桩对隧道基底的加固是有效的。2.2.3树根桩参数对加固效果的影响（1）桩间距对加固效果的影响选取桩间距为0.3m、0.5m、0.8 m 进行研究，计算结果见图6。302520151050-50图6 不同桩间距隧道底部竖向位移由图6 可知，不同的桩间距下，隧道底部位移均呈现中部大、两端小的变化形态，各工况的竖向位移值均小于未加固工况。桩间距的减小能有效降低一工况一隧道底部的竖向位移，越靠近拱底，竖向位移降低工况二工况三01图5各工况仰拱竖向位移对比一未加固一桩间距0.3m一桩间距0.5 m桩间距0.8 m12水平距离/m的效果越好。但间距在0.3m和0.5m工况下竖向位移减小的幅度明显小于间距从0.8 m到0.5m的工况，可见桩间距的减小虽然能提升加固效果，但桩间距过小对加固效果的提升并不明显，反而增加了工程投资。（2）桩长对加固效果的影响桩长分别取3m、4m、5m，其隧道底部竖向位移变化情况见图7。从图7 可以得出，树根桩桩长的增加有利于减小隧道底部竖向位移值，从桩长3m增23水平距离/m3454加到4m，隧道底部的竖向位移最大值减小幅度较桩长4m增加到5m更大，可见桩长不宜过大。通过对比分析树根桩各参数对隧道底部竖向位移的影响规律，选择桩长4m、桩径0.3m、桩间距0.5m为最合理的树根桩加固方案。（下转第133页）5山东交通科技参考文献：1杨雯.公路混凝土桥梁耐久性研究与探讨J山西交通科技,2 0 19,2 59（4）：8 5-8 7.2 胡晓波.酸雨侵蚀混凝土的试验模拟分析J.硅酸盐学报,2 0 0 8,2 37（增刊1）：147-152.3张广义，郝国华，刘亚利.浅谈一般公路桥梁的日常养2023年第5期护J.山西交通科技,2 0 0 4（4）：6 1-6 2.【4 张倩，赵洁，成华.酸雨对水泥砼强度影响的模拟及其腐蚀的化学机理分析J.重庆交通学院学报，2 0 0 5（3):49-51,62.5李志武，李彪，李世秋.桥梁混凝土耐酸雨侵蚀力学性能试验研究J】.混凝土2 0 0 9,2 37（7）：52-54.（上接第12 6 页）2015/1050-53结语（1）隧道基底的黄土湿陷会使隧道周围土层的应力重新分布，黄土的湿陷作用主要影响隧道仰拱部分的受力。（2）树根桩能够较好地改善黄土湿陷对隧道带来的不利影响，与隧道衬砌共同协调围岩应力，减小仰拱竖向位移。（3）减小树根桩间距、增大桩长均有利于降低隧道底部的竖向位移值，桩间距和桩长存在最优值。本工程案例树根桩桩长4m、桩径0.3m、桩间距0.5m为最佳方案。一桩长3m桩长4m桩长5m参考文献：1尹静，邓荣贵，傅晓英，等.滑坡隧道新型综合加固结构理论研究J铁道标准设计，2 0 15（4）：8 4-8 8 9 3.【2 崔光耀，倪嵩陟，伍修刚，等.深圳地铁小净距盾构重叠隧道施工工序及加固方案J铁道建筑，2 0 16（9）：6 6-70.3钟可，傅鹤林，张加兵.富水砂卵石地层中超近距离盾12水平距离/m图7 不同桩长隧道底部竖向位移345构下穿既有运营隧道加固方案研究J.公路工程，2 0 18,43(5):10-16.4叶子健，刘德华，宋延旭.波纹钢板加固隧道衬砌的应用研究一一某隧道工程实例分析J北京建筑大学学报,2 0 2 0,36（4）：7 1-7 8.5唐志辉.地铁盾构隧道近接下穿既有铁路隧道加固范围优化设计一以南宁地铁4号线下穿既有槎路隧道为例J.隧道建设（中英文），2 0 2 0,40（8）：118 5-119 1.【6 易明炀，黄光楚.地铁隧道钢筋混凝土衬砌裂损加固方案J.城市轨道交通研究，2 0 2 2,2 5（4）：8-11.-133-