邻近既有构筑物排水箱涵推进施工变形分析研究.pdf

第2 3卷 第2期江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报V o l.2 3.22 0 2 3年6月J O U R N A LO FJ I A N G S UV O C A T I O N A LI N S T I T U T EO FA R C H I T E C T U R A LT E C H N O L O G YJ u n.2 0 2 3邻近既有构筑物排水箱涵推进施工变形分析研究王二平,杨春雷,董永(中国建筑一局(集团)有限公司,北京2 2 1 0 0 0)摘 要:以徐州解放南路地道排水管涵同时上跨既有地铁3号线南三环站区间和下穿既有解放南路地道北段敞口段工程为研究对象,分析在徐州地区灰岩层中近距离施工对既有构筑物的影响。通过P L A X I S3 D有限元软件建立管涵 隧道 地道三维模型,模拟分析了四种不同关键工况下排水管涵的推进对既有3号线隧道的竖向变形、既有地道的竖向变形和横向变形的影响。研究结果表明:排水管涵的推进会导致既有3号线隧道产生隆起变形,且这种变形主要集中在隧道拱顶,隆起最大值仅有0.2 2mm;既有地道整体在Z轴正方向上也表现为隆起变形,最大值出现在左侧板为1.1 9mm,是隧道隆起最值的5.4 1倍;在工况二和工况三中,地道两侧地连墙表现出相反的变形趋势,工况二中两侧板表现为向底板中心轴线收拢,工况三中两侧板呈现出远离底板中心轴线的趋势,并且工况三中侧板的横向变形远大于工况二中的侧板横向变形,前者变形大约是后者的1 0.5倍。关键词:排水箱涵施工;上跨隧道;下穿地道;变形规律中图分类号:TU9 4文献标志码:A文章编号:2 0 9 5 3 5 5 0(2 0 2 3)0 2 0 0 1 0 0 5C o n s t r u c t i o nd e f o r m a t i o na n a l y s i so fd r a i n a g eb o xc u l v e r t a d v a n c e m e n t o f e x i s t i n gs t r u c t u r e s i nt h ev i c i n i t yWANGE r p i n g,Y ANGC h u n l e i,D ONGY o n g(C h i n aC o n s t r u c t i o nF i r s tG r o upC o rpo r a t i o nL i m i t e d,B e iji ng2 2 1 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o a n a l y z e t h e i n f l u e n c e o f c l o s e c o n s t r u c t i o no n e x i s t i n g s t r u c t u r e s i n t h e t u f f l a y e r o fX u z h o ua r e a,t h ea r t i c l et a k e st h ep r o j e c to fX u z h o uJ i e f a n gS o u t hR o a dt u n n e ld r a i n a g ep i p ec u l v e r tc r o s s i n g t h e i n t e r v a l o f S o u t hT h i r dR i n gS t a t i o no f t h e e x i s t i n gM e t r oL i n e 3a n du n d e r t h e o p e n s e c t i o no f t h en o r t h e r ns e c t i o no f t h e e x i s t i n g J i e f a n gS o u t hR o a d t u n n e l a t t h e s a m e t i m e a s t h e r e s e a r c ho b j e c t.T h e t h r e e-d i m e n s i o n a lm o d e l o f p i p e c u l v e r t-t u n n e l-u n d e r p a s sw a s e s t a b l i s h e db yP L A X I S3 Df i n i t e e l e-m e n t s o f t w a r e,a n d t h e i n f l u e n c e o f t h e a d v a n c e m e n t o f t h e d r a i n a g e p i p e c u l v e r t o n t h e v e r t i c a l d e f o r m a-t i o no f t h e e x i s t i n gL i n e 3 t u n n e l a n d t h e v e r t i c a l d e f o r m a t i o na n d l a t e r a l d e f o r m a t i o no f t h e e x i s t i n gu n-d e r p a s sw a s s i m u l a t e da n da n a l y z e du n d e r f o u rd i f f e r e n tc r i t i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n s.T h er e s u l t so f t h es t u d ys h o wt h a t:t h e a d v a n c e m e n t o f t h ed r a i n a g ep i p e c u l v e r tw i l l l e a d t ob u l g ed e f o r m a t i o n i n t h e e x-i s t i n gL i n e 3t u n n e l,a n d t h i sd e f o r m a t i o n i sm a i n l yc o n c e n t r a t e d i nt h e t u n n e l v a u l t,w i t ham a x i m u mb u l g eo f o n l y 0.2 2mm;T h e e x i s t i n g t u n n e l a s aw h o l e i n t h e p o s i t i v e d i r e c t i o no f t h eZ-a x i s a l s o e x h i b i t su p l i f t d e f o r m a t i o n,w i t ht h em a x i m u mv a l u e a p p e a r i n g i n t h e l e f t s i d ep l a t eo f 1.1 9mm,w h i c h i s5.4 1t i m e s t h em a x i m u mv a l u eo f t h e v e r t i c a l u p l i f t o f t h e t u n n e l;I nC a s e 2a n dC a s e 3,t h e t w o s i d e s o f t h et u n n e l g r o u n dc o n n e c t i o nw a l l s h o w e do p p o s i t e d e f o r m a t i o n t r e n d s,a n d t h e t w o s i d e s o f t h e s l a b i nC a s e2s h o w e da t e n d e n c y t oc o n v e r g e t o w a r dt h ec e n t e ra x i so f t h eb o t t o ms l a b,w h i l e t h e t w os i d e so f t h es l a b i nC a s e 3s h o w e da t e n d e n c y t om o v e a w a y f r o mt h e c e n t e r a x i s o f t h eb o t t o ms l a b,a n d t h e l a t e r a ld e f o r m a t i o no f t h e s i d e s l a b i nC a s e3w a sm u c hl a r g e r t h a nt h e l a t e r a ld e f o r m a t i o no f t h es i d es l a b i nC a s e 2,a n d t h e f o r m e rd e f o r m a t i o nw a s a b o u t 1 0.5t i m e s t h a t o f t h e l a t t e r.K e yw o r d s:d r a i n a g eb o xc u l v e r t c o n s t r u c t i o n;u p p e r c r o s s i n g t u n n e l;u n d e r p a s s t u n n e l;d e f o r m-a t i o nl a w收稿日期:2 0 2 3 0 4 1 0作者简介:王二平,男,陕西蒲城人,高级工程师,研究方向为地下工程及矿山法隧道施工技术。Em a i l:3 6 6 8 2 4 0 0 6q q.c o m 随着城市轨道交通建设的快速发展,地下空间建设利用率的不断提高,出现了很多在地铁隧道保护区范围内的新建结构,例如上跨既有隧道的基第2期王二平,等:邻近既有构筑物排水箱涵推进施工变形分析研究1 1 坑、侧穿地铁隧道的新建隧道、下穿既有隧道的盾构隧道等。不同的新建结构都会对既有结构造成一定的影响1,需要在施工前做好一定的评估准备,防止出现严重的生产安全事故危害。地铁作为城市中一项主要的出行工具,与其相关隧道的修建也越来越多,而上跨隧道施工对既有线路的影响是目前研究的热点。目前许多学者致力于研究上跨施工对既有隧道的变形影响,其中王栋2以厦门地铁6号线盾构上跨既有2号线为研究对象,总结出既有隧道在盾构的影响下表现为先沉降、后上浮隆起再趋于稳定的变化规律。董永等3以徐州解放南路地道上跨3号线施工为研究背景,采用A B AQU S有限元软件分析出基坑上跨施工导致的既有隧道竖向变形远大于横向变形。杨海兵4依托丰镐三路地道上跨地铁隧道工程,总结出既有隧道和新建基坑的水平距离是影响既有隧道变形程度的重要因素。近些年对于城市中难施工、难管控的项目也出现了很多方案优化的研究。韩双5针对复杂环境下减小上跨既有隧道施工的影响提出了三种优化方案,指出了目前主流开挖方案的优缺点。黄斌6依托兴泉铁路绿谷二号隧道上跨既有福厦铁路陈坝隧道工程,改良了近距离上跨既有隧道的施工技术。尽管对上跨既有隧道施工影响和施工方案优化的研究已经非常多了,但是不同环境下的施工影响不能一概而论,目前阶段下针对隧道保护区内新建项目对既有构筑物的影响还无法形成统一的变形规律。文章以徐州解放南路地道排水管涵近距离上穿既有地铁3号线和下穿既有解放南路地道工程为项目背景,采用P L A X I S3 D有限元软件研究排水管含施工过程中对既有隧道和既有地道结构的影响,分析既有地道和隧道结构的变形规律,为以后徐州地区类似的工程项目提供一定的参考。1 工程背景1.1 项目介绍解放南路地道工程位于徐州市泉山区,隧道下穿三环南路及翟北路,线位沿解放南路北京路南北向敷设,项目改造道路全长9 1 0m。其中,北侧解放路敞口段结构长度1 3 2.7 5 6m;在南三环交叉口范围内,下穿地道与轨道交通3号线南三环站同步建设,车站段长度2 1 6.5m;北京路暗埋段结构长度2 3 1.4 9 6m,北京路敞口段结构长度8 3.1 8 8m。解放南路地道工程平面位置分布如图1所示。图1 解放南路地道工程位置平面分布为解决汛期风华园片区严重积水问题,拟结合三环南路工程进行快速化改造,沿三环南路北侧、由风华园至奎河新建雨水管涵,将泰奎大沟上游三环南路以南片区雨水分流至奎河。排水管涵中心线位于里程桩号K 0+2 6 0.1 8 6处,在管涵拟建处的正上方存在北段既有敞口地道,正下方存在既有地铁3号线隧道。在排水管涵与地道的交接处将上方地道底板用作下方管涵段顶板,管涵底板距离3号线隧道最小净距只有2.6m,工程施工中会有扰动土层导致下部隧道和上部地道产生过大变形的风险,需要在施工前进行模拟分析评估施工风险。排水管涵与地道工程的平面位置和竖向位置如图2所示。图2 排水管涵位置分布1.2 水文地质条件根据南三环站基坑开挖情况揭示,场地上方覆盖着厚度约为3m的杂填土,地道与排水箱涵底板下方均为中风化灰岩和溶洞型硬 可塑黏土,其中灰岩的压缩性极低具有很高的承载能力。在基坑开挖过程中,地下水较少,裂隙不发育,岩石整体性较好。土层分布如图3所示。图3 场地纵断面2 数值模拟为了突出主体结构的变形特性并提高模型的计算效率,需要假定各土层为水平层状均匀分布。1 2 江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报 第2 3卷模 型 选 取 里 程 桩 号K 0+2 5 5.8 0处 编 号 为D 3 Q 7 X 2 Z 0 3 1的勘探孔下的土层分布作为排水箱涵这一施工段的整体土层分布。新建排水箱涵和既有3号线均位于中风化灰岩层中,灰岩层强度较高,局部可以达到8 09 0P a。上部既有地道处于多层土之间,在其前端存在较小坡度,具体土层参数见表1。表1 土层物理力学参数土层H/m/(k Nm-3)c/k P a/()E/MP a杂填土1.81 981 51 1.6 40.3 1中风化灰岩1.22 6.86.23 4.7 2 1.1 81 030.1 7溶洞型黏土0.71 9.95 7.41 4.51 1.6 50.3 2中风化灰岩8.42 6.86.23 4.7 2 1.1 81 030.1 7溶洞型黏土2.61 9.95 7.41 4.51 1.6 50.3 2中风化灰岩2 5.32 6.86.23 4.7 2 1.1 81 030.1 7采用P L A X I S3 D有限元软件进行建模,选取里程桩号为K 0+1 9 6.0 2 8K 0+2 9 8.6 5 7的区间段为建模对象,建立尺寸为1 0 0m1 0 0m4 0m的地道 排水管涵3号线隧道三维数值计算模型,如图4所示。管涵与隧道、地道之间的具体位置分布如图5所示。建立过程中采用板单元来模拟隧道衬砌、基坑地连墙和排水管涵底板、侧墙以及上部支护墙结构。隧道衬砌选用C 3 0混凝土,弹性模量为3 0G P a,厚度设置为0.2m,基坑地连墙设置为1m厚,管涵所有墙支撑厚度都设置为0.8 m;采用梁单元来模拟钢支撑;采用实体拉伸单元来模拟抗拔桩。土体材料选用M o h r-C o u l o m b模型,板单元和梁单元都采用线弹性模型。首先先建立既有地道和土层单元,再通过设置隧道开挖分析步的方式来创建既有3号线结构,随后通过将内力重置为零的方式消除创建3号线带来的影响,最后通过生死单元法设置边挖边支护的分析步来模拟排水管含的开挖过程。图4 地道 管涵 隧道三维数值计算模型图5 主体结构位置分布由于排水管涵处于强度较大的中风化灰岩之中,实际施工中产生的变形很小,为了凸显管涵开挖对既有解放南路地道和既有3号线的影响,选取典型的4个施工工况作为分析研究对象,具体如下:工况一:从X=1 0 0m的管涵开口处进行开挖至既有地道左侧(沿着X轴负方向视图)正下方的土体;工况二:从既有地道左侧正下方开挖至地道中间底板正下方;工况三:从地道中间底板正下方开挖至既有地道右侧正下方;工况四:从地道右侧正下方开挖至Y=1 0 0m处的管涵开口。3 结果分析3.1 既有隧道竖向变形规律分析四个工况下的既有3号线隧道的竖向位移云图如图6所示。图6 不同工况下的既有隧道竖向位移云图结合四种工况下的既有3号线的竖向变形云图可以看出,随着排水管含的不断推进,隧道结构上部土体被开挖,隧道产生了向上隆起的变形值。但由于既有3号线隧道处于弹性模量较大的中风化灰岩层中,隧道结构的整体竖向变形值非常小,第2期王二平,等:邻近既有构筑物排水箱涵推进施工变形分析研究1 3 最大竖向变形值出现在工况三中X=5 0的右线隧道拱顶处为0.2 2mm。工况一中管涵沿平行于隧道轴线方向开挖,左线隧道竖向隆起最大值出现在X=1 0 0d m处的隧道拱顶为0.1 3mm,整体左线隧道竖向变形值由管涵开挖处向隧道中间段处不断降低,管涵开挖对既有隧道左线后半段以及既有隧道右线几乎没有扰动影响。工况二中管涵开挖至上部地道底板正下方,对3号线的扰动主要集中在左线的中间段,最大隆起值为0.1 2mm,以左线隧道轴线方向竖向截面为对称平面,可以看出左线隧道的竖向变形基本呈现为对称式分布,距离左线中间段较远的位置竖向隆起变形值基本为0,这就是上穿施工对既有隧道影响的滞后效应7。工况三中管涵开挖至既有地道左侧(Y Z平面视图)正下方,以垂直于右线隧道轴线方向正中间截面为对称平面,可以看出既有双线隧道竖向变形呈现为对称分布,隆起值都是由中间向两侧不断降低,其中右线隧道正中间处竖向隆起值最大为0.2 2mm,左线隧道正中间处竖向位移为0.0 8mm。工况四中管涵由地道左侧正下方开挖,由于有弯道存在,竖向隆起最大值出现在右线中间段偏右8 m的位置,而且由于在这一工况中管涵主体是沿着垂直于右线隧道轴线方向开挖,对隧道的竖向变形影响程度是最小的。3.2 既有地道变形规律分析1)既有地道竖向位移规律。四个工况下解放南路地道的竖向位移云图如图7所示。图7 不同工况下的既有地道竖向位移云图解放南路地道位于中风化灰岩层上,由于地道下方管涵开挖,导致土体应力释放进而产生隆起变形。尽管由于灰岩较高的弹性模量致使地道整体变形数值不大,但相较于既有3号线隧道变形值还是有明显增加。工况一中地道左侧地连墙隆起变形值随着管涵的不断开挖而降低,最大值出现在开挖起点处为1.1 9mm,左侧地道侧板在靠近X=0m处几乎不产生变形。地道底板表现为左下角产生轻微隆起,变形最大值约为1.0 3mm。工况二中管涵开挖至地道中间段底板正下方,将上部地道底板作为管涵的顶板,此时地道底板左侧边缘沿X轴线方向竖向变形值表现为双峰状的M形分布,即该处正中间竖向变形略低于靠近中间段的两侧竖向变形,此时的隆起峰值为0.6 9mm。底板右侧边缘沿X轴线方向竖向变形分布表现为尖峰状,且主要表现为底板下沉,下沉最值为0.3 7mm,这一工况下底板右侧下沉最大值只有左侧隆起最大值的约二分之一。以X=5 0为对称轴,这一阶段中的地道底板的竖向变形近似对称分布。工况三中底板右侧边缘沿X轴线方向的竖向变形分布与工况二中的底板左侧变形表现趋势大致相同,都呈现出双峰状的M形分布,且竖向变形大致都以X=5 0m为对称轴呈现出对称式分布。在工况三中的隆起峰值为1.5 9mm。但是由于底板正下方灰岩已经开挖完成导致底板中间段左侧下方土体约束消失,右侧变形值大于工况二中的左侧板变形值,这一工况下的右侧隆起最值是工况二中左侧隆起最值的2.3倍,底板沿X轴方向上两侧变形值几乎为0。工况四中管涵主体垂直于地道右侧板开挖,地道底板整体竖向表现出轻微隆起,最大隆起值只有0.7 2mm,且集中在X=4 2m这一轴线方向上的右侧板上,其余地道板结构竖向位移基本都表现为0。2)既有地道横向位移规律。四个工况下的既有解放南路地道的横向位移云图如图8所示。图8 不同工况下的既有地道横向位移云图由图8可知,四种工况下的地道横向位移主要集中在沿Y轴正方向,且排水管含的开挖对地道侧1 4 江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报 第2 3卷移的影响相较于对地道竖向位移的影响较小。工况一中地道左侧板沿Y轴正方向的变形量随着管涵开挖深度的增加而不断降低,最大值出现在X=1 0 0m的管涵开口出为0.9 1mm,相较于该处的竖向变形最大值降低了2 3.5%。地道底板沿X轴 正 方 向 的 下 半 段 整 体 向Y轴 正 向 偏 移 了0.4 5mm,右侧板横向变形量很小,但有轻微向Y轴负方向偏移的趋势。工况二中地道中间段左侧板偏移量最大值为0.0 7mm,右侧板偏移量最大值为-0.0 2mm。工况三中出现了不同变化,左侧板出现了 向Y轴 负 方 向 偏 移 的 趋 势,偏 移 最 大 值 为-0.1 7mm,右侧板则向Y轴正向偏移,最大值为0.2 1mm,且以X=5 0为对称轴,这一工况下的地道板横向变形近似对称分布。工况四中管涵开挖对地道的影响主要集中在右侧板中间段靠右上方位置,主要表现为向Y轴负方向偏移,最大值为-0.3 9mm。总结既有地道的竖向变形和横向变形可以发现,在整体管涵开挖过程中,地道板的横向变形小于竖向变形;工况二中相应侧板和底板的横竖向变形是四个工况中最小的。4 结论1)排水管含的整体推进过程中,对既有3号线隧道衬砌结构竖向变形的影响主要集中在隧道拱顶,并且这种影响主要表现为岩石体开挖卸荷引起的隧道隆起变形。由于隧道整体处于弹性模量较大的中风化灰岩层中,隧道整体结构没有出现较大的变形量,最大值出现在工况三中为右线正中间段拱顶隆起0.2 2mm。2)解放南路地道在管涵的开挖过程中产生的变形相较于既有3号线隧道的变形有所增长。地道的横向变形和竖向变形的最大值都集中在X=1 0 0m处的地道左侧板,最大值分别为0.9 1mm和1.1 9mm,分别是既有隧道最大变形值的4.1 4倍和5.4 1倍。3)在工况二和工况三中,3号线隧道和地道的竖向位移变形都出现了沿轴X=5 0近似对称分布的规律,说明管涵的正向推进对两者的竖向影响在左右两侧是几乎相同的,但在地道的横向变形规律研究中并没有发现类似的变形规律。由于工况一的存在,地道左侧已经存在修好的平行管涵,地道左下方的约束被削弱,后两个工况中的地道横向变形最值总是会偏向近似X=6 0处。4)在地道地板正下方的管涵开挖工况中出现了两种不同的侧板变形现象,工况二中两侧板表现为向底板中心轴线收拢,工况三中两侧板呈现出远离底板中心轴线的趋势。并且工况三中侧板的横向变形大于工况二中的侧板横向变形,尤其是右侧板,工况三下的偏移量是工况二中的1 0.5倍,施工过程中应需要着重关注右侧板在这一阶段的横向变形。参考文献:1 代杰,杜晓峰,邹道磊,等.基坑上跨施工对既有地铁结构影响监测分析J.科学技术创新,2 0 2 2(1 0):1 0 61 0 9.2 王栋.盾构近距离上跨施工对既有隧道的变形影响:以厦门地铁6号线某区间上跨地铁2号线为例J.工程技术研究,2 0 2 3,8(6):1 3 1 6.3 董永,王二平,付天雨.上跨基坑施工对在建地铁隧道变形影响分析J.江苏建筑职业技术学院学报,2 0 2 3,2 3(1):1 4 1 7,4 4.4 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