高铁站台雨棚基础施工及加载...段对既有盾构隧道的影响研究_朱云超.pdf

工程前沿25工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月高铁站台雨棚基础施工及加载阶段对既有盾构隧道的影响研究朱云超，王文建中铁武汉勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430074摘要：文章针对武汉某火车站站台雨棚上跨既有盾构隧道工程，通过有限元数值模拟方法，研究站台雨棚独立基础、桩基础在施工及加载阶段对盾构隧道变形的影响。通过对比分析独立基础先开挖后统一回填工况、独立基础逐个开挖逐个回填工况、桩基础工况下盾构隧道的变形及影响范围，探讨了三种工况在工程应用中的优劣，以供相关人员参考。关键词：站台雨棚；盾构隧道；桩基础；数值模拟Abstract:In this paper,the influence of the independent foundation and pile foundation of the platform canopy on the deformation of the shield tunnel in the construction and loading stages is studied by the finite element numerical simulation method for the project of a railway station platform canopy overpassing existing shield tunnel in Wuhan.By comparing and analyzing the deformation and influencing range of shield tunnel under the conditions of excavation first and then unified backfilling of independent foundation,excavation and backfilling one by one of independent foundation,and pile foundation,the advantages and disadvantages of three working conditions in engineering application are discussed for the reference of relevant personnel.Key Words:platform canopy;shield tunnel;pile foundation;numerical simulation分类号：TU311.3Research on the Influence of High-speed Railway Platform Canopy Foundation on Existing Shield Tunnel During Construction and Loading StagesZHU Yunchao,WANG WenjianChina Railway Wuhan Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430074,Hubei,China 008.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.02.作者简介：朱云超，男，硕士，工程师，研究方向为城市轨道交通设计。近年来，随着城市地铁隧道规模越来越大，在既有地铁隧道附近不可避免地要进行各种开挖施工及建筑物建设。关于基坑开挖对盾构隧道的影响，国内外学者做了很多研究，例如：魏纲等1对隧道竖向位移、水平向位移及水平向收敛的数据进行了分析；刘亚宇等2研究基坑开挖导致旁侧既有盾构隧道产生偏心卸载而带来的不利影响；闫庆生3研究了全护筒桩基施工对地铁线的影响。文章通过 MIDAS/GTS NX 软件建立精细化地层-结构模型，模拟计算得到盾构隧道变形4-5，研究独立基础、桩基础在施工及加载阶段对盾构隧道的影响规律。1 工程概况（1）车站概况。案例工程为武汉某火车站站台雨棚工程，基本站台长 550 m，站宽度为 9 m。跨越 11号线区间部分雨棚基础拟采用独立基础或桩基础，其余部分雨棚基础采用 600 钻孔灌注桩。（2）地质条件。拟建场地属于长江高阶地与垄岗区（长江二、三级阶地区），与此工程有关的地层自上而下依次为 1-2 素填土层、4-1-1 粉质黏土层、4-2-2黏土层、10-1-2 强风化泥岩层、10-1-3 弱风化泥岩层等。（3）盾构区间结构概况。武汉市轨道交通 11 号线东段光谷火车站湖口站区间隧道为盾构隧道，隧道埋深为 19.5 m，单洞单线隧道，管片结构内径为 5.5 m，外径为 6.2 m。26 工程前沿 2023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究2 有限元数值模拟2.1 独立基础模拟分析独立基础基底埋深 4.05 m，持力层为 4-1-1 粉质黏土，基础底距区间顶部 14.3 15.5 m，独立基础尺寸为 3.6 m5.7 m。基础基坑采用放坡开挖，放坡比率为 1 1，基坑底超出基础每侧各 100 mm。文章研究相同基础埋深条件下，独立基础基坑先开挖后统一回填和逐个开挖逐个回填两种不同情况下，基础施工对盾构区间的影响。先开挖后统一回填是指所有独立基础施工完成后将基坑统一回填至设计标高；逐个开挖逐个回填是指在每个独立基础施工完成后就对基坑进行回填。（1）模型尺寸与边界条件。采用迈达斯 GTS-NX有限元软件，建立三维数值模型进行不同工况时基础施工对地铁区间结构的影响分析。结合工程经验和理论分析，模型尺寸定为左右宽 60 m（X 方向），前后宽30 m（Y 方向），厚 40 m（Z 方向）。（2）结果分析。选取盾构隧道中典型断面节点的变形进行比较分析。竖向变形选取盾构顶节点 70313，位移向上为正，向下为负。水平变形选取盾构腰部节点 70867，位移向右为正，向左为负。盾构隧道随着施工的进行最大竖向位移影响曲线如图 1 所示，可以发现：第 1 基坑开挖时，两种工况下盾构隧道的最大竖向位移差别不大；两种工况在第五基坑开挖时变形差值最大，此时统一回填工况下盾构最大上浮 0.56 mm，逐个开挖逐个回填工况下盾构下沉 0.06 mm；最终加载阶段两工况盾构隧道变形差别不大，均为-0.33 mm。盾构隧道随着施工的进行，最大水平位移影响曲线如图 2 所示，可以发现：盾构隧道水平位移影响曲线与竖向位移影响曲线类似，最终加载阶段两工况盾构隧道变形差别不大，均为-0.12 mm。盾构最大竖向位移/mm-0.40-0.200.000.200.400.600.80边开挖边回填统一回填第1基坑开挖第5基坑开挖施工步骤基坑回填加载阶段图 1 两种工况下盾构最大竖向位移影响曲线（独立基础）2.2 桩基础模拟分析桩基础为 600 钻孔灌注桩，桩长 27 m，桩端持力层为弱风化泥岩，桩基距 11 号线光谷火车站关山大道站区间约 3.7 6.2 m。为避开盾构区间，共设置3 个承台，承台底部埋深 2.2 m，承台之间设置转换梁，用以支撑雨棚主体结构。承台基坑采用放坡开挖，放坡比率为 1 1，基坑底超出承台每侧各 100 mm。（1）模型尺寸与边界条件。结合工程经验和理论分析，以及模型尺寸与约束同独立基础模型，最终建立模型6。（2）结果分析。选取盾构隧道中典型断面节点的变形进行比较分析。盾构隧道随着施工的进行，最大竖向位移影响曲线如图 3 所示，可以发现：随着开挖范围的增大，独立基础工况下盾构隧道上浮变形越来越大，桩基础工况下盾构隧道的变形几乎没有变化；最终加载阶段两工况盾构隧道变形也有差别，独立基础工况下盾构的变形较大，为-0.33 mm，桩基础工况下盾构的变形较小，为-0.24 mm；独立基础工况下施工阶段变形值占整个阶段 63%，加载阶段占 37%，说明施工阶段对盾构的影响起主要作用，桩基础工况下加载阶段变形值占整个阶段 67%左右，说明加载阶段对盾构的影响起主要作用。盾构隧道随着施工的进行，最大水平位移影响曲线如图 4（见下页）所示，可以发现：盾构隧道水平位移影响曲线与竖向位移影响曲线类似，独立基础工况下施工阶段变形值占整个阶段 50%，加载阶段占 50%；桩基础工况下加载阶段变形值占整个阶段 65%左右；说明加载阶段对盾构的影响起主要作用。盾构最大竖向位移/mm-0.40-0.200.200.400.600.800.00第5基坑开挖基坑回填加载阶段施工步骤独立基础桩基础图 3 两种工况下盾构最大竖向位移影响曲线（桩基础）图 2 两种工况下盾构最大水平位移影响曲线（独立基础）盾构最大水平位移/mm施工步骤-0.15-0.10-0.050.000.050.100.15边开挖边回填统一回填加载阶段基坑回填第5基坑开挖第1基坑开 工程前沿27工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月通过以上分析可知，桩基础工况下施工阶段及加载阶段均对盾构区间影响较小且主要是加载阶段的影响。独立基础、桩基础工况下，盾构隧道最终阶段变形影响曲线如图 5 所示，可以看出：桩基础工况下盾构隧道沿纵向的变形均小于独立基础工况，且盾构隧道在中间位置变形较大，两侧变形较小，说明桩基础对盾构影响范围较小。盾构最大位移/mm盾构长度/m竖向独立基础-0.40-0.20-0.00竖向桩基础水平独立基础水平桩基础图 5 盾构隧道最终阶段变形影响曲线2.3 工程实测数据对比分析通过监控量测掌握盾构隧道的变形规律，在盾构隧道内部布置了变形观测点，变形观测点每隔 5 m 设置7-8。得出数据分析图，如图 6、图 7 所示。根据数据分析图可以看出，现场实测数据与数值模拟结果基本吻合，表明采用数值模拟计算与现场实测相结合的研究手段，可以很好地为区间上方结构基础选型提供技术指导。图 4 两种工况下盾构最大水平位移影响曲线（桩基础）3 结论与建议（1）独立基础基坑回填顺序对盾构隧道影响较大，逐个开挖、逐个回填工况下施工阶段盾构隧道的变形明显小于基坑统一回填工况，但在加载阶段后盾构隧道变形差别不大。在整个施工及加载阶段，盾构隧道以竖向变形为主，施工阶段对盾构的影响起主要作用。（2）桩基础工况下盾构隧道在施工及加载阶段同样以竖向变形为主，但加载阶段对盾构隧道的影响起主要作用。（3）桩基础工况相比于独立基础工况，其对盾构隧道影响范围较小，盾构隧道变形也较小，主要是由于桩基承台的埋深小于独立基础，且上部荷载通过桩基传至盾构下部土体，减少了对盾构隧道的影响。参考文献1 魏纲,赵得乾麟,齐永洁.类矩形盾构隧道下穿引起既有隧道竖向位移计算方法研究J.隧道建设(中英文),2022,42(6):960-966.2 刘亚宇,刘加湾,魏纲,等.旁侧基坑开挖偏心卸载下盾构隧道横断面受力变形研究J.隧道建设(中英文),2020,40(9):1333-1340.3 闫庆生.桥梁桩基临近既有地铁线施工技术研究J.铁道建筑技术,2018(4):70-72.4 韩加明,张辉,杨建民.基坑开挖对既有盾构隧道变形影响分析J.市政技术,2020,38(4):239-242.5 杜江涛,华志刚,曹一龙.深基坑开挖对既有地铁盾构隧道变形影响研究J.施工技术,2018,47(S1):233-236.6 许有俊,秦浩斌,李文博,等.浅埋暗挖隧道近距离平行上跨对既有盾构隧道的变形影响分析J.现代隧道技术,2022,59(3):118-127.7 张莎莎,苏焰花,樊林,等.基坑开挖对邻近既有盾构隧道的影响分析J.建筑科学与工程学报,2022,39(1):134-142.8 陈向阳,张雯超,赵西亭,等.盾构下穿施工对既有盾构隧道结构的影响研究J.人民长江,2021,52(12):126-132.图 6 桩基础工况盾构竖向位移实测值与计算值对比图图 7 桩基础工况盾构水平位移实测值与计算值对比图盾构纵向方向长度/m桩基础计算值桩基础实测值-0.26-0.24-0.22-0.20-0.18-0.16-0.14盾构最大竖向位移/mm盾构纵向方向长度/m51015202530桩基础计算值桩基础实测值-0.14-0.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.00盾构最大水平位移/mm盾构最大水平位移/mm施工步骤-0.15-0.10-0.050.000.050.100.15独立基础桩基础加载阶段基坑回填第5基坑开挖