地铁盾构近距离侧穿桥梁桩基变形影响研究.pdf

实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期地铁盾构近距离侧穿桥梁桩基变形影响研究张波（内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010）盾构隧道与桥梁既有桥梁桩基是通过周围土体作为介质而紧密联系，地铁施工过程中扰动了周围环境，继而受到地铁施工干扰土体对邻近桥梁桩基产生影响，降低甚至破坏桩基原有的承载能力。到目前为止，隧道开挖对周围土体和桩基扰动研究主要有以下研究成果。李志明等1采用数值模拟方法分析盾构下穿桥梁保护措施的影响性；黄松2对地铁盾构区间隧道连续穿越既有铁路桥影响进行研究；孟哲玮3对双线盾构隧道对邻近桥梁桩基及控制措施进行研究；汪云刚4利用数值模拟对隧道施工采用袖阀管注浆加固前后地层位移变化规律进行了总结；张召等5基于有限元软件构建高架桥托换桩基的数值分析，分析盾构对高架桥托换桩基的变形影响；王宏宇6以西安地铁 16 号线测穿桥梁桩基为背景，利用迈达斯软件对侧穿桩基的水平和竖向位移进行了计算模拟分析，给出实际施工方案。本文通过有限元分析盾构掘进在不同阶段对桥梁桩基内力和变形及周围环境的影响；讨论采用不同变作者简介：张波（1995-），男，硕士研究生。研究方向为城市地下空间工程。摘要：以地铁盾构隧道侧穿城市立交桥工程为背景，介绍桥梁桩基保护措施并对下穿施工对桩基的影响性进行分析。采用MIDAS/GTS NX 软件建立三维有限元模拟，通过施工阶段分析，结合实测数据，分析下穿工程对桩基变形影响，结果表明，通过偏离系数对实测数据分析，在穿越鼓楼立交风险源，区间随下穿过程中的结构控制值偏离系数最大为 2.7 mm，偏离系数等级为一级，表明结构安全性能未受到盾构掘进干扰，结构安全性能损伤轻微，表明该方案在控制下穿工程中桩基变形有较好的效果；盾构隧道穿越桥梁桩基采用袖阀管对桩基底部进行跟踪注浆时，通过控制底部跟踪注浆范围，最大位移由 5.5 mm 减少至 4.7 mm，即横向加固区域取桩基直径的 1.5 倍，竖向区域取桩长 1/6 时，对桩基加固效果最为理想。关键词：盾构；侧穿桩基；跟踪注浆；数值模拟；结构控制中图分类号院U231.3文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-00苑缘-0远Abstract:With the metro shield tunnel passing through the urban overpass as the background,the protection measures of thebridge pile foundation are introduced and the influence of the underpass construction on the pile foundation is analyzed.Thethree-dimensional finite element simulationis established by using MIDAS/GTS NX software.Throughthe analysis oftheconstruction stage and combined with the measured data,the influence of the undercut project on the deformation of pilefoundation is analyzed.The results show that through the analysis of the deviation coefficient to the measured data,in the processof crossing the risk source of Gulou Interchange,the maximum deviation coefficient of structural control value is 2.7 mm,and thegrade of deviation coefficient is first class,indicating that the structural safety performance is not disturbed by shield tunneling.The damage to the safety performance of the structure is slight,which shows that the scheme has a good effect on the deformationof pile foundation in controlled piercing engineering.When the shield tunnel traverses the pile foundation of the bridge,the sleevevalve pipe is used to track the bottom of the pile foundation,and by controlling the bottom tracking grouting range,the maximumdisplacement is reduced from 5.5mm to 4.7mm;that is,when the transverse reinforcement area is 1.5 times of the pile foundationdiameter,and the pile length is 1/6 in the vertical area,the pile foundation reinforcement effect is the best.Keywords:shield;side-piercing pile foundation;tracking grouting;numerical simulation;structure controlDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.01975-2023 年 28 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application形控制方案下，通过选取不同施工参数，研究盾构隧道在不同受力模式下对桩基及周围环境不同的应用效果，选取最优施工方案；并对现场实际施工进行检测，结合数值模拟结果，研究盾构掘进过程邻近桩基变形特性，为地铁建造过程中采用桩基托换技术施工提供理论依据。1工程概况呼和浩特市地铁一号线穿越鼓楼立交西南象限地下区间起点设置在新华大街与呼伦贝尔南路交叉口处的人民会堂站，出人民会堂站后，线路沿新华大街下敷设，先后穿越新世纪地下过街通道、玛拉沁饭店、清 将军衙署照壁及鼓楼立交后，进入设于鼓楼立交桥东南象限空地内的鼓楼立交站。新华大街规划道路红线宽度为 50 m，双向 8 车道，现已实现规划。本区间线路平面最小曲线半径为 R=800 m，线间距 1218.5 m。线路纵断面为 V 字坡，最大坡度 25译，区间主要穿越圆砾、细砂及粉质黏土地层。地下水位相对较高，埋深约 8.39.8 m。区间采用盾构法施工，隧道埋深 1016.4 m，如图 1 所示。鼓楼立交匝道桥（西南象限）区间隧道穿越段为跨径 38、40 m 的连续梁桥，桥桩直径 1.0 m，桩深 32 m，B线桥（南北向）区间隧道穿越段为跨径 16 m 的连续梁桥，西侧为 B1 线桥，桥桩直径 1.0 m，桩深 28 m，东侧为 B2 线桥，桩径 1.2 m，桩深为 32 m，均为摩擦桩。如图 2 所示，区间隧道与鼓楼立交匝道桥（西南象限）桩基最小净距约 1.57 m，与鼓楼立交 B 线桥（南北向）桩基最小净距约 1.06 m。盾构隧道在 Y（Z）DK14+850Y（Z）DK14+920 附近左右线侧穿鼓楼立交桥桩。图 1盾构轴线与桩基位置平面示意图2结构控制效果评估根据 DB11/T 9152012穿越城市轨道交通设施检测评估及监测技术规范7中附录 J（表 1），确定偏离系数等级，判断结构出现的损伤程度，进而得出变形控制效果的达成度。图 2区间隧道与桥梁桩基位置关系剖面图表 1偏离系数 啄 等级划分表偏离系数计算公式如下。结构控制值偏离系数根据图 3 中数据计算在穿越鼓楼立交风险源，区间随下穿过程中的结构控制值偏离系数最大为 2.7mm，偏离系数等级为一级，表明结构安全性能未受到盾构掘进干扰，结构安全性能损伤轻微，表明该方案在控制下穿工程中桩基变形有较好的效果。为进一步探究采用不同注浆范围对桩基变形影响，遂在下一章采用数值模拟方案对桩基变形的控制效果进行探讨。3盾构侧穿桩基的有限元模拟分析3.1模型概况取呼和浩特市地铁一号线博物馆至鼓楼立交站掘进方向为模型的 X 方向，选取隧道 DK14+820DK14+920 与鼓楼立交桩基建立三维计算模型，整个模型的计算范围为 75 m伊60 m伊50 m（X伊Y伊Z），在此区域模拟多个岩土层及双线区间隧道建立模型。盾构穿越的周围土体材料使用修正摩尔库伦本构模型进行模拟，简化为 6 层土体，盾构管片采用 C50 钢筋混凝土，使用壳单元进行模拟，假定为各向同性的弹性体。桥梁桩基为摩擦桩，采用 1D 梁单元进行模拟，假定为各项同性的弹性体。数值模拟计算模型顶部无约束，桥梁上部结构序号 偏离系数等级 数值范围 结构可能出现的状态 1 一级 0.8 结构安全性能损伤轻微 2 二级 0.81.0 结构安全性能产生一定损伤 3 三级 1.0 结构安全性能损伤较大 jgd监测最大值监测控制值。（1）5#承台1#承台8#承台6#承台2#承台3#承台4#承台7#承台左线盾构轴线右线盾构轴线地面跟踪注浆范围地面跟踪注浆范围右线中心线左线中心线16 00016 00012 0012 0012 0012 00120012 001 90012001200单位：mm76-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期荷载以集中荷载施加在桥墩上，总推力 10 000 kN 将集中荷载转换均布荷载 331 kN/m2施加在盾构管片上，模型顶部无约束，底面为固定约束，其他边界为滚轴支承，模型概况如图 4 所示。图 3区间隧道侧穿鼓楼立交西南象限桩基变形沉降曲线实测值3.2材料参数各地层的物理力学参数可以根据地质勘察报告得到。土体和注浆加固区按照弹塑性材料考虑，采用修正摩尔库伦本构，3D 实体单元模拟。土体参数根据地质勘察报告确定，注浆加固区参数参考文献设计规范确定。管片按弹性材料考虑，采用 3D 结构单元，参数取值参考 GB 500102010混凝土结构设计规范8，考虑接缝的影响，将管片刚度按照 0.85 倍进行折减。盾壳按弹性材料考虑，采用 2D 板单元模拟，数值计算模型物理力学参数见表 2，结构物理参数见表 3。渊a冤鼓楼立交 1要3 号观测点沉降曲线渊b冤鼓楼立交 4要6 号观测点沉降曲线渊c冤鼓楼立交 7要10 号观测点沉降曲线渊d冤鼓楼立交 12要15 号观测点沉降曲线图 4有限元模型渊a冤土层结构模型图渊b冤盾构隧道与桥梁桩基模型图77-2023 年 28 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application图 6桩基水平变形位移图表 2计算模型土体物理力学参数表 3结构物理力学参数3.3模拟结果3.3.1模拟结果云图图 5 为现场桩基托换施工实际情况模拟，托换梁尺寸 27.3 m伊6.655 m伊2.8 m，最大位移为+2.07 mm，最小位移为-3.16 mm，变形范围均在安全控制范围内，控制效果理想。3.3.2桩顶水平位移隧道盾构施工过程中各桩桩顶水平位移曲线图如图 6 所示，其中，1#承台桩基 1-1、1-2 与隧道净距为1.91、1.97 m；2#承台桩基 2-1、2-2 与隧道最小净距为1.06、1.91 m；3#承台桩基 3-1、3-2 与隧道最小净距为4.05、5.91 m；4#承台桩基 4-1、4-2 与隧道最小净距为6.8、6.64 m；5#承台桩基 5-1、5-2 与隧道最小净距为4.05、5.91 m；6#承台桩基 6-1、6-2 与隧道最小净距为2.17、2.18 m；7#承台桩基 7-1、7-2 与隧道最小净距为6.40、6.54 m；8#承台桩基 8-1、8-2、8-3 和 8-4 与隧道最小净距为 2.87、1.53、5.32 和 7.18 m；分析图 6 中结果可知。图 5桩基变形云图土层 本构关系 重度/（kNm-1）泊松比 初始应力 参数 杂填土 修正摩尔库伦 19.0 0.30 0.860 8 中砂 修正摩尔库伦 20.6 0.30 0.485 0 圆砾 修正摩尔库伦 20.8 0.28 0.426 4 粉质黏土 修正摩尔库伦 19.2 0.36 0.792 0 中砂 2 修正摩尔库伦 19.7 0.33 0.470 1 粉质黏土 2 修正摩尔库伦 20.7 0.33 0.792 1 注浆加固土体 修正摩尔库伦 20.0 0.21 0.500 0 材料 本构关系 弹性模量/（kNm-2）重度/（kNm-1）泊松比 盾构管片 弹性 32 500 000 23.5 0.2 桩基 弹性 31 500 000 23.5 0.2 承台 弹性 30 000 000 30 0.2 渊b冤1#要4#承台桩基 Y 方向位移渊d冤5#要7#承台桩基 Y 方向位移渊a冤1#要4#承台桩基 X 方向位移渊c冤5#要7#承台桩基 X 方向位移渊e冤8#承台桩基 X 方向位移渊f冤8#承台桩基 Y 方向位移78-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期1）不同净距下通承台下各桩基在隧道施工过程中的桩顶水平位移规律基本相似，这是由于承台刚度较大，桩顶水平位移受到承台约束的影响，基本与承台的水平位移一致。2）在施工过程中，桩发生的桩顶最大 Y 方向位移为-2.32 mm，方向为隧道法向，位于 4-1 桩，主要是由于该桩距右线盾构净距较小又远离左线盾构隧道，而位于双线盾构隧道之间的桩基 Y 向变形均较小，且变形均在达到最大值后趋于稳定。3）当盾构到达桩基位置时，桩发生的桩顶最大 X方向位移为 4.11 mm，方向为朝向隧道方向，位于 6-2桩，主要是由于该桩基位于左右线盾构之间，与双线净距均较小，受双线盾构影响均较大。3.3.3桩顶竖向位移在盾构隧道施工过程中，在盾构到达桩基位置前，由于掘进压力挤压开挖区前方土体，激发桩顶的隆起，其中 2-1、2-2、6-1 和 6-2 桩基的桩顶隆起量明显大于其余桩基；在盾构到达桩基位置后，因隧道开挖引起地层损失，桩顶隆起量开始减小，但总体变化值较小（图 7）。渊a冤1#要4#承台桩基 Z方向位移渊b冤5#要7#承台桩基 Z方向位移渊c冤8#承台桩基 Z方向位移图 7桩顶竖向位移变形图由图 7 可知，在盾构施工过程中，桩顶最大隆起为3.47 mm，位于 2#承台 2-2 桩基；而 6#承台 6-2 号桩基变形值也达到 3.06 mm，可见位于双线盾构之间桩基变形受盾构掘进影响引起桩基沉降较大。4结论本文以呼和浩特市地铁 1 号线穿越鼓楼立交风险源为工程背景，对地铁穿越城市大型立交桥桩基变形控制效果从实测数据和数值模拟两方面进行了分析，探讨穿越过程中对桩基变形的影响，得到成果如下。1）据实测数据整理可知，在穿越鼓楼立交风险源，区间随下穿过程中的结构控制值偏离系数最大为2.7 mm，偏离系数等级为一级，表明结构安全性能未受到盾构掘进干扰，结构安全性能损伤轻微，表明该方案在控制下穿工程中桩基变形有较好的效果。2）不同净距下通承台下各桩基在隧道施工过程中的桩顶水平位移规律基本相似，这是由于承台刚度较大，桩顶水平位移受到承台约束的影响，基本与承台的水平位移一致。在施工过程中，桩发生的桩顶最大 Y 方向位移为-2.32 mm；当盾构到达桩基位置时，桩发生的桩顶最大 X 方向位移为 4.11 mm，主要是由于该桩基位于左右线盾构之间，与双线净距均较小，受双线盾构影响均较大。3）加固区域取 1.8 m伊2 m 时，最大位移为+4.70 mm，最小位移为+0.54 mm，桩基位移明显减小；加固区渊下转 84 页冤79-2023 年 28 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application点以及适用范围的分析。3）地面培训设备仅适用于训练等级为 A、B、C 级的飞行场景任务。可根据本文对训练要素的实施要求和地面培训设备特点分析结果选择确定适合的地面培训设备。4）本文进行的地面培训设备的应用需求研究为现有及未来地面培训设备的研制提供了理论方法支持，对后续培训设备的需求分析、设计、开发具有重要意义。参考文献院1 中国民用航空局.飞机飞行模拟机鉴定性能标准：AC-60-FS-2019-006S.北京：中国民用航空局飞行标准司，2019.2 中国民用航空局.飞机飞行训练器鉴定性能标准：AC-60-FS-2019-007S.北京：中国民用航空局飞行标准司，2019.3 NAVBLUEs Flight Operations TrainingEB/OL.2022-10-25.https：/ Training aviation professionals worldwide EB/OL.2022-10-25.https：/ NICKLAS D.Pilot training in our time-use of flight train原ing devices and simulatorsJ.Aviation，2008，12（1）：22-27.6 CAE Simfinity XR Series EB/OL.2022-10-25.https：/ 佟宇.某国产民机飞行训练培训需求分析研究J.科技展望，2016，26（15）：252-253.8 JOSEPH K，ELIZABETH L，KATHERINE W，et al.Hu原man Factors in Aviation and Aerospace M.San Diego：Aca原demic Press，2022：217-255.9 中国民用航空局.驾驶员机型资格规范评审及评审结论的应用：AC-61-023S.北京：中国民用航空局飞行标准司，2019.10 杜鹤民，余隋怀，初建杰，等.航空智能计算机辅助训练系统的构建方法J.计算机集成制造系统，2011，17（1）：69-76.11 陈东帆，周林灿，刘佛生.航空 CBT 中协同训练系统的设计与实现J.计算机工程与设计，2007，28（15）：3727-3730.12 DAVID C.KRAUSANAND K.GRAMOPADHYE.Effect ofteam training on aircraft maintenance 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张召，鲍凯，张文一，等.盾构掘进对高架桥桩基变形影响的研究J.工程建设与设计，2022，479（9）：14-16.6 王宏宇.地铁盾构隧道侧穿城市桥梁桩基数值模拟分析J.山西建筑，2022，48（2）：147-150.7 穿越城市轨道交通设施检测评估及监测技术规范：DB11/T9152012S.2012.8 混凝土结构设计规范：GB 500102010S.2010.渊上接 79 页冤84-