大直径桥梁桩基施工对临近既有隧道结构的影响分析.pdf

文章编号:():./.大直径桥梁桩基施工对临近既有隧道结构的影响分析杜亚光曾向往向 毓(.武汉市政工程设计研究院有限责任公司 武汉市.湖北省城建设计院股份有限公司 武汉市)摘 要:文章以某既有地铁隧道结构周边新建的城市高架桥大直径桩基施工工程为研究案例采用三维有限元模拟方法计算大直径群桩基础施工对既有隧道结构内力及变形的影响分析施工各阶段影响趋势变化 结果显示桩基施工对既有隧道区间结构影响显著该阶段桩基钻孔开挖对土体有应力释放作用应采用护筒跟进并穿越隧道结构所在土层以保证桩基施工中孔壁稳定避免区间结构出现不可控变形 关键词:大直径桩基础既有隧道施工影响分析中图分类号:.文献标识码:引言在城市高架桥建设过程中经常会与既有地铁隧道相遇 高架桥桩基施工产生的挤土、挖土效应以及桩基承受荷载后的桩土摩擦效应都会导致隧道结构的受力和变形状态发生改变 大直径桩基承受的桩顶荷载更大挤土挖土量更大扰动效应更为显著刘鹏等通过对实际工程进行三维有限元分析认为桩基施工对区间结构的竖向影响远大于水平影响王立峰等研究了钢套筒灌注桩施工对地铁管片位移和附加应力的影响趋势得出管片水平位移影响大于竖向位移的结论丁智等采用数值分析方法分析了隧道埋深、桩基隧道净距、桩径等因素变化时静压桩基施工对软土地区既有地铁隧道的影响 上述研究表明随着桩基与隧道结构间的结构构造、地质条件、两者间的相对位置关系等因素变化桩基施工对既有隧道结构实际表现出的影响存在一定规律但并无固定趋势最敏感参数也因工程特点而异 现有研究成果中工程桩基直径均较小未能直观反映出大直径桩基的施工影响特征 工程背景某新建高架桥与既有城市地铁区间平面交叉桥梁主跨跨径为.桥宽.桥墩竖向荷载较大故基础采用 根直径.的钻孔灌注桩群桩基础同步建设天桥坡道基础采用.钻孔灌注桩相交地铁区间段双线布置结构断面为圆形外径.采用盾构法施工 平面位置关系如图 所示图 平面位置关系图 主桥群桩基础距离地铁区间结构外边线最小净距为.典型断面如图 所示 天桥桩基距离地铁区间结构外边线最小净距为.桥梁桩基为嵌岩桩持力层为()中风化 年 第 期 北方交通粉砂质泥岩区间结构主要位于()粉质黏土夹粉土、()粉质黏土夹粉土和粉砂层图 典型剖断面图(单位:)通常地下车站及区间结构外边线外侧 范围为控制保护区 该区域内施工作业对既有区间结构的影响需进行分析与监测再根据净距情况判定接近程度进而确定施工作业对区间结构的影响等级该工程主桥桩基础及天桥部分桩基础施工均处于控制保护区内最小净距为.介于 倍隧道结构外径范围内影响等级为一级 有限元模拟根据工程情况应用 软件建立整体分析三维计算模型模拟高架桥桩施工全过程重点分析高架桥桩施工过程中邻近地铁区间结构的变形及内力情况进而评估地铁结构和运营安全状态按照基于模型计算范围的控制原则边界条件不能过大地影响关键部位计算结果 选取模型计算范围为长 宽 土层计算深度为 有限元模型见图 和图 为更好地模拟钻孔灌注桩成桩过程桩单元采用实体 界面单元的形式桩土间设置摩擦接触单元盾构管片采用板单元结构模型均为弹性本构通过桩周薄壁单元模拟渗透条件变化通过修改单元属性模拟混凝土硬化过程图 有限元整体模型(单位:)图 结构物有限元简图(单位:)边界条件:模型底部约束竖向位移模型前后两面约束横桥向位移模型左右两面约束纵桥向位移工况分析:主要分为 个工序见表 通过工序 位移场清零模型中位移结果仅计入新建桥梁结构的影响通过分阶段模拟桩基的开挖和灌注主桥与天桥桩基分阶段施工可进一步分离出各施工环节的影响效应 影响分析.位移分析通过数值计算得出高架桥施工完成时区间结构水平最大位移为.(向靠近桩基方向移动)竖向最大位移为.(向下)总位移最大值.总位移云图如图 所示各工况下地铁区间结构的横向位移、竖向位移及总位移变化趋势见图 针对该工程对比城市轨道交通结构安全保北方交通 年 第 期表 施工工序划分工序工况内容备注初始状态初始地层土体激活位移清零隧道形成激活管片结构开挖隧道内土体工程起点未施工桩基的环境条件起点位移清零主桥桩基开挖钝化桩内土体激活桩侧静水压力和桩接触单元主桥桩基灌注由下至上依次灌注混凝土钝化相关层静水压力主桥承台立柱施工 激活承台立柱单元天桥桩基开挖钝化桩内土体激活桩侧静水压力和桩接触单元天桥桩基灌注由下至上依次灌注混凝土钝化相关层静水压力天桥立柱等施工激活承台立柱单元上部结构施工各墩顶施加相应上部结构最不利荷载图 上部结构施工完成后区间结构总位移云图(单位:)图 各施工阶段区间结构位移护技术规范(/)中的城市轨道交通结构安全控制指标值可以发现桩基施工对区间结构造成的位移较明显但满足相关要求 其中对竖向位移的影响明显大于对水平位移的影响水平位移在主桥桩基开挖阶段影响最为显著桩基施工完成后基本收敛位移方向朝向桩基开挖一侧竖向位移在桩基施工阶段影响较大 后期桥梁上部结构施工期间桩基承受巨大的竖向力并通过桩土作用传递至隧道区间结构从而导致该阶段竖向位移发生显著变化 结构各点位移随距离桩基的位置增大而减小.内力分析高架桥施工完成时隧道结构单元的弯矩及内力云图分别见图、图 图 上部结构施工完成后区间结构弯矩云图(单位:)图 上部结构施工完成后区间结构轴力云图(单位:)统计各施工阶段区间结构内力值变化情况如表 所示相对桥梁施工前的初始状态区间结构弯矩值累计增加约.轴力值累计增加约.表 施工阶段区间结构内力值统计表工况弯矩/()弯矩变化率轴力/轴力变化率.可以看出在整个施工阶段区间结构弯矩及轴力的增幅均较小其中轴力增幅低于 该内力增量对结构受力破坏的威胁近似可以忽略此外天桥桩基施工对隧道结构的位移和内力影响均较小这表明相对于主桥桩基天桥桩基与隧道结构净距增加约 后施工影响效应的削减非常明显净距属于施工影响非常敏感因素 年 第 期 杜亚光等:大直径桥梁桩基施工对临近既有隧道结构的影响分析 结论通过建立三维有限元模型分析了桥梁大直径桩基施工阶段既有隧道结构位移及内力变化趋势得出以下结论:()桩基施工对既有隧道区间结构影响显著该阶段桩基钻孔开挖对土体有应力释放作用为降低应力释放效应的不利影响防止塌孔可能导致的不利影响进一步扩大既有隧道附近施工桩基宜采用护筒跟进并穿越隧道结构所在土层以保证桩基施工中孔壁稳定制约桩基施工影响避免区间结构出现不可控变形()根据计算结果可知桩基施工引起既有隧道结构物内力的增量很小实际工程中通常可忽略不计位移变化量较明显其中竖向位移为最敏感点()现有研究成果显示桩基近接施工时既有隧道结构发生的水平位移较竖向位移更明显而文章基于大直径群桩桥梁工程的分析反映出竖向扰动为最敏感点这表明隧道结构位移方向敏感程度并无固定规律 大直径桩基往往承受巨大竖向荷载如文章所示高架桥主跨达到 墩顶反力达到产生的桩土摩擦效应对既有隧道结构影响显著超过了桩基开挖的挖土挤土扰动效应该现象应引起同类工程重视参考文献刘鹏李祥祥李剑锋等.临地铁结构物桩基施工技术研究.公路():.王立峰王甜俞钦钦等.近邻桩基施工的地铁隧道变形计算.科技通报():.丁智张霄.桩基施工对邻近既有地铁隧道影响的数值分析.中南大学学报(自然科学版)():.中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通结构安全保护技术规范:/.北京:中国建筑工业出版社.(.).北方交通 年 第 期