跨海大直径盾构隧道堤防稳定性分析.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目()中铁十五局集团有限公司科技研发计划项目()作者简介:李少华()男河南郑州人高级工程师主要从事隧道与地下工程方面的科研工作:.引文格式:李少华.跨海大直径盾构隧道堤防稳定性分析.铁道建筑技术():.跨海大直径盾构隧道堤防稳定性分析李少华(中铁十五局集团有限公司 上海)摘 要:为确保堤防工程安全本文以目前国内地层最软、细微颗粒含量最高的超大直径盾构隧道工程为背景重点采用数值模拟方法探究采用 工法桩加固的海堤段在盾构掘进期和隧道运营期的稳定性 鉴于大直径盾构隧道与堤防结构斜交的工况采用“扫描网格”方法可实现模型整体网格通透的目的 计算结果表明本工程堤防稳定性满足要求其中 工法桩加固软基阶段土体最大侧向位移发生在桩底桩基最大轴力约 大直径盾构左右双线隧道下穿堤防阶段堤防地表沉降约为.隧道运行阶段堤防地表侧向位移最大值约为.本文方法可有效预测堤防及深层土体变形为相关工程建设提供借鉴意义关键词:泥水平衡盾构 堤防 工法桩 稳定性分析中图分类号:.文献标识码:./.(.):.“”.:引言在我国城市化进程中采用盾构工法进行越江隧道施工具有对地层扰动范围小、不影响正常通航、战备意义深远等优点在工程领域得到大力推广 在越江隧道施工期间需要重点考虑的风险因素之一是施工对堤防稳定性的影响 刘铭等利用有限元软件分析了基于不同支护条件的多种基坑开挖工况建议采用钢板桩加内支撑的支护方式以确保堤防的稳定性可见不同的施工工艺对堤防稳定性影响较大 盾构掘进期间难免会引起地层变形进而对堤防稳定性产生影响 不少学者综合采用理论分析、数值模拟、室内或现场试验进行了有关堤防稳定性研究 刘浩旭研究盾构下穿堤防期间滨海软土的应力场和位移场建议地基加固时选取高压旋喷注浆方案可对滨海软土后期变形有较好的控制效果 张贵金等指出堤防与盾构隧道匝道出入口的间距大小是影响地层及堤防变形的主要因素 罗卫华基于大直径盾构下穿珠江前航道堤防的研究指出堤岸变形波动范围在三倍盾构外径内且盾构开挖面正上方是堤岸变形峰值的发生位置 张治国等通过复变函数及时域解析函数分析方法给出了海堤荷载作用下盾构掘进导致的地层应力应变解析解 黄晓洪等运用 方法得到盾构下穿堤防的影响范围为距离坡脚 区域当盾构通过此区域时须提高监测频率适时控制盾构掘进参数 吴建国等针对浙江沿海堤防铁道建筑技术 ()李少华:跨海大直径盾构隧道堤防稳定性分析下卧的软弱淤泥地层条件实施原位沉降监测同时进行数值模拟和理论拟合分析 刘冠男等提出了盾构隧道下穿临江一线海堤时控制堤顶沉降的措施主要包括控制掘进参数、优化注浆工艺、加强施工监测等现有研究所涉及的海堤形状较为规则且盾构直径一般均不大于 级对于 级超大直径盾构隧道与堤防结构斜交的工况鲜有涉及另外很少考虑隧道运行期车辆振动对两岸堤防的影响 本文依托在建横琴杧洲隧道工程重点采用数值仿真手段探讨海域超软土地层条件下大直径盾构施工对堤防稳定性的影响确保堤防工程的安全及重大项目的顺利实施 工程特点.项目背景横琴杧洲隧道工程跨海隧道是横琴粤澳深度合作区的重点工程工程建设有利于促进区域发展与融合隧道穿越马骝洲水道道路等级为城市主干道设计速度/南北两条隧道段总长约.该隧道工程采用直径.的混合式泥水平衡盾构机全线穿越超软土地层需穿越深度 的流塑状海相淤泥地层 同时盾构施工区间 以下超细微颗粒含量超过隧道最浅覆土仅为 是目前国内地层最软、细微颗粒含量最高的超大直径盾构隧道 盾构掘进需克服多项技术难题施工难度大技术含量高 隧道主体采用单层衬砌管片结构其外径、内径分别为.、.环宽为.软基加固及海堤概况针对项目所处细微颗粒含量高的海相淤泥地层条件盾构掘进前需对南岸水域段进行深层水泥土搅拌桩施工需保证 以上水深 施工前应先对岸边马骝洲水道进行清淤疏浚疏浚面积约 平均疏浚深度约 南岸现状海堤内侧有抛石等障碍物施工前应进行清障面积约 平均深度约 北岸陆域段采用 三轴水泥土搅拌桩加固南岸水域段采用 的 搅拌桩加固陆域段采用 三轴搅拌桩加固南岸海堤段采用 工法桩格栅加固加固区桩径 间距 搅拌桩加固和 工法桩格栅加固现场见图 图 施工现场因海堤段加固部分 工法桩位于海堤护坡及涉水区域为了便于 工法桩机施工拟搭设钢结构作业平台 作业平台不涉及堤防结构管径较小施工结束后采取切割不拔除处理 将钻孔平台搭设成一个整体的施工平台平台桩基采用 钢管钢管间距根据排架平面尺寸合理布置钢管间距横向 、纵向 盾构海堤段软基加固如图 所示图 盾构海堤段软基加固铁道建筑技术 ()李少华:跨海大直径盾构隧道堤防稳定性分析 有限元模型分析.本构模型与假定本工程所处的海相淤泥地层条件极为复杂假定土工试验平均值为所研究盾构海堤段的地层参数值具体如表 所示 在有限元模型中根据所列的地层参数值确定 本构模型表 海堤段地层参数参数素填土冲填土填石淤泥碎石质粉质黏土全风化砂岩层厚/././().重度/(/)./.有限元模型建立横琴杧洲隧道工程堤防稳定性分析采用有限元软件 进行计算 沿盾构掘进方向取 即 环管片宽度竖向取 为了消除边界效应影响横向取 本模型可考虑桩基加固及盾构隧道开挖对堤防的影响三维模型如图 所示图 三维有限元模型模型除土体外均假定为弹性注浆体的弹模根据初凝和终凝两个阶段确定考虑到接头对衬砌结构整体刚度的影响对管片弹模予以折减 盾壳采用板壳单元模拟共计 个板壳单元土体、管片结构、注浆体均采用实体单元模拟共计 个实体单元加固桩体采用植入式梁单元模拟共计 个梁单元鉴于大直径盾构隧道与堤防结构斜交工况划分网格很难达到理想状态经多次模型试验在划分网格过程中采用精细的尺寸控制并运用软件中可选择的“扫描网格”方法沿斜交路径由 单元向 单元扫描最终网格拓扑合格达到网格通透及成功运算的目的如图 所示图 通透三维网格.模型分析工况本文有限元模型采用施工阶段分析方法重点考虑的分析工况包括以下四个阶段:()地基加固及盾构掘进前的地应力平衡阶段()工法桩加固软基阶段()大直径盾构左右双线隧道下穿堤防阶段 该工况包含 个分析步(左右线各 个)每个分析步钝化第“”环的土体、盾体激活第“”环的管片、注浆体()隧道运行阶段 模拟结果分析.地应力平衡阶段由图 数值模拟结果可知施工前各地层地应力符合土力学原理满足要求同时也证明了本文采用的网格划分方法具备可靠性图 地应力平衡.工法桩加固阶段如图 所示模型考虑软基加固后海堤段较为稳定土体最大侧向位移发生在桩底仅为.满足要求 从图 的 工法桩轴力云图可知桩基最大轴力约 满足要求图 加固后土体侧向位移云图铁道建筑技术 ()李少华:跨海大直径盾构隧道堤防稳定性分析图 工法桩轴力云图.盾构下穿堤防阶段图 为盾构隧道左右线贯通后的竖向变形云图两条隧道拱顶上方地表堤防的沉降约为.满足要求图 盾构掘进期竖向位移云图.隧道运行阶段本模型考虑地基加固完成后南岸堤防抛石恢复原状隧道运行期车辆振动对两岸堤防的影响 采用有限元软件中自带的线性时程反应分析方法(振型叠加法)将汽车动力荷载施加于两条隧道衬砌管片结构上激活建立的地面曲面弹簧计算结果与盾构贯通后差异不大 图 为侧向位移云图地表堤防的侧向位移最大值约为.满足要求图 运行期侧向位移云图 结论本文基于精细化数值模拟分析了大直径盾构隧道施工及运营阶段对堤防稳定性的影响主要结论如下:()地基加固及盾构掘进前的地应力符合土力学原理证明本文模型具备可靠性()工法桩加固软基阶段土体最大侧向位移发生在桩底桩基最大轴力约 满足要求()大直径盾构左右双线隧道下穿堤防阶段拱顶上方堤防表面沉降约为.满足要求()基于线性时程反应分析方法得到隧道运行阶段地表堤防的侧向位移最大值约为.满足要求参考文献 黄昌富 龙文 宋棋龙 等.加固范围对软土浅埋超大直径盾构掘进地表沉降的影响.岩土工程学报 ():.:.():.张广鹏.软弱地层盾构机旋转原因分析及应对措施研究.铁道建筑技术():.刘铭 刘爱华 邹家强 等.软土地区基坑施工对堤防稳定性影响的控制措施.科学技术与工程 ():.朱剑锋 洪义 严佳佳 等.波浪循环荷载作用下盾构穿越海堤过程中下卧软土的弱化响应研究.土木工程学报():.顾澎 陶涌 陈哲 等.盾构隧道穿越海堤环向受力案例分析.低温建筑技术 ():.华小斌.电厂循环水取排水隧道盾构穿越新建海堤安全性分析及技术措施.杭州:浙江工业大学.顾澎陶涌陈哲等.盾构隧道穿越海堤环向受力案例分析.低温建筑技术 ():.吴政.大盾构下穿海洋大堤风险控制与施工技术研究.黑龙江交通科技 ():.沈波陈能成.隧道穿越堤防稳定性分析及处理措施.中国水运(下半月)():.刘浩旭.波浪与盾构施工共同作用下软土力学性状研究.宁波:宁波大学.张贵金 刘丽玲 陈宏任 等.穿江隧道对堤防工程影响研究.铁道科学与工程学报 ():.罗卫华 李晓宁.大直径盾构隧道下穿珠江前航道对提防安全影响分析.低碳世界 ():.张治国 张洋彬 张成平 等.地面堆载作用下黏弹性地层盾构施工诱发土体响应时域解.岩土工程学报():.黄晓洪 黄俊 俞汇 等.盾构法下穿堤防开挖面支护压力研究.浙江水利科技 ():.吴建国 童建国 边学成 等.盾构隧道穿越新建海堤时的设计与沉降观测分析.武汉大学学报(工学版)():.刘冠男 许春虎 张永凯.盾构隧道施工引起海堤沉降的预测及控制.水利与建筑工程学报 ():.:.铁道建筑技术 ()