地鐵車站暗挖隧道施工對既有樁基的影響

1、地鐵車站暗挖隧道施工對既有樁基的影響摘要：針對廣州地鐵五號線西村站暗挖隧道的設(shè)計和施工方案，運用有限差分方法，論證了地鐵車站暗挖隧道施工過程中，其附近的既有樁基的受力特性及位移變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的施工關(guān)鍵工序和有效、合理的預(yù)加固措施。研究結(jié)果說明：樁側(cè)呈負摩阻力狀態(tài)，對樁基的受力非常不利；高架橋樁基最大軸力遞增了30%，最大彎矩遞增了2倍多，平安系數(shù)降低了40%，相應(yīng)地高架橋樁基承載才能降低了40%，需注意關(guān)鍵工序施工；高架橋樁基屬于端承樁，在隧道施工過程中，樁端承載力缺乏，需采用相應(yīng)的加固措施；人行橋樁基內(nèi)力變化不大，但位移較大，在隧道施工過程中，應(yīng)親密注視上部構(gòu)造的變化；人行橋樁基屬于摩

2、擦樁，但樁周土體剪應(yīng)力標準值小于計算剪應(yīng)力，也需要采用加固措施。關(guān)鍵詞：隧道工程；地鐵車站；暗挖隧道；既有樁基1引言接近既有構(gòu)造物進展城市地下鐵道施工的實例越來越多，因此，接近施工技術(shù)已成為隧道施工技術(shù)的一個重要構(gòu)成局部。接近施工與一般施工不同，必須在設(shè)計、施工各階段中考慮到對既有構(gòu)造物的影響。在接近施工中，終究采用什么樣的措施，與既有構(gòu)造物和新設(shè)構(gòu)造物的位置關(guān)系、影響程度、既有構(gòu)造物的種類和重要程度等有親密關(guān)系，在設(shè)計、施工中必須慎重地加以研究1，2。針對以上情況，對廣州地鐵五號線西村站暗挖車站隧道接近施工進展了數(shù)值模擬分析，以解決設(shè)計和施工中存在的問題。廣州地鐵五號線西村站暗挖隧道間隔 內(nèi)

3、環(huán)路高架橋樁基較近，其頂上有人行天橋樁基，間隔 明挖基坑也很近，且地下水發(fā)育，水位距樁頂2左右，設(shè)計方案擬采用明挖基坑施工完成后再開挖隧道。研究斷面情況如圖1所示。計算的目的是為了弄清隧道施工期間，其開挖及支護對既有樁基的影響，從而確定設(shè)計方案及措施。2計算情況2.1施工過程模擬在隧道施工之前，先施工明挖基坑防護樁，隨后開挖基坑，施工基坑底部樁基，待其底板澆注并到達設(shè)計強度后，再開挖隧道。隧道施工采用中隔壁(D)法施工3，4，循環(huán)進尺為1.2，初期支護緊跟掌子面，先開挖中隔壁內(nèi)側(cè)，后開挖中隔壁外側(cè)，開挖順序為先開挖中洞，再開挖左洞，最后開挖右洞，等三洞初期支護全部施工完畢后，再撤除臨時支護，最

4、后施作二次襯砌。詳細的暗挖隧道開挖順序如圖2所示。2.2計算參數(shù)針對地勘資料，將圍巖綜合為5層材料性質(zhì)的巖土體，進展研究5，6。超前小導(dǎo)管與系統(tǒng)錨桿通過進步所處圍巖物理力學指標來等效處理7。材料物理力學參數(shù)如表1所示。2.3支護構(gòu)造參數(shù)支護構(gòu)造參數(shù)如表2所示。2.4計算模型計算范圍選取為：上部至地表，下部至隧道仰拱以下40，左取150，右取70，隧道埋深為23，縱向取7倍樁基直徑。隧道左右有程度約束，下部有豎向約束，前后有垂直其面的約束，地表為自由邊界。計算中，用實體單元模擬圍巖、二次襯砌、初期支護、樁基，用接觸單元模擬樁基與土體的摩擦效應(yīng)812，樁側(cè)法向和切向剛度均取100Pa，樁底法向和切

5、向剛度均取480Pa。高架橋樁基底部位于紅色風化巖層中，頂部荷載為3000kN；人行橋樁基底部位于可塑殘積土層中，頂部荷載為500kN。計算模型采用流體力學耦合模型，力學模型采用hr-ulb屈從準那么，流體模型采用Fluid-Istrpi準那么，并指定土體不能承受負的孔隙壓力，總單元數(shù)為24715個，總節(jié)點數(shù)為50922個。3高架橋樁基計算結(jié)果分析3.1內(nèi)力隨施工變化規(guī)律高架橋樁基內(nèi)力及平安系數(shù)變化規(guī)律如圖3所示。通過對圖3的分析可以得出如下結(jié)論：(1)最大樁身軸力并不在樁頂，說明樁側(cè)摩阻力在隧道施工過程中呈負摩阻力狀態(tài)，對樁基的承載才能非常不利，這主要是由于地下水位較高，地質(zhì)條件較差，隧道施

6、工過程中，不可防止地導(dǎo)致地下水位降低，樁周土體固結(jié)下沉而引起的13。(2)高架橋樁基軸力隨施工推進總體上呈遞增趨勢，在整個施工過程中，樁基中部以上控制截面軸力變化較小，最終軸力與初始軸力相比，最大遞增量僅為200kN，同比遞增了6%；中部以下控制截面軸力變化較大，發(fā)生在樁基底端以上10處，最終軸力與初始軸力相比，最大遞增量可達900kN，同比遞增了30%，是高架橋樁基的控制截面。前4步施工，樁基1軸力變化幅度較小，遞增量僅為130kN；第5步施工時，樁基1軸力有較大突變，突變量可達250kN，此時樁基1的最大軸力為3800kN，發(fā)生在樁基1底端以上10處，是樁基1軸力變化較大的關(guān)鍵工序；后繼施

7、工中，軸力雖仍在遞增，但遞增幅度相對較小，平均每步遞增幅度僅為15kN；樁基1的最大軸力為3978kN，發(fā)生在樁基1底端以上10處，同比遞增了20%。前6步施工中，樁基2軸力變化較大，遞增量可達590kN，平均每步變化接近100kN，這是樁基2軸力變化較大的關(guān)鍵工序；后繼施工中，中洞臨時支護撤除，這也是樁基2軸力變化較大的關(guān)鍵工序，軸力突變了130kN；樁基2的最大軸力為3906kN，同比遞增了30%，也發(fā)生在樁基2底端以上10處。(3)高架橋樁基彎矩隨施工總體上呈遞增趨勢。樁基1的彎矩變化較大的區(qū)段為樁基底端以上12樁身，且最大彎矩發(fā)生在樁基底端以上10處。前14步施工，樁基1的彎矩根本上在

8、350kN左右，變化不大；第14步施工時，樁基1的彎矩為309.1kN；第15步(左洞臨時支護撤除)施工時，樁基1的彎矩變化較大，由309.1kN變化到588kN，同比遞增了90%；樁基1的最大彎矩為588kN，與初始彎矩相比，遞增了1.8倍多，而且絕大局部彎矩遞增量是由左洞臨時支護撤除奉獻的。因此，可以斷定左洞臨時支護撤除是樁基1彎矩變化較大的關(guān)鍵工序。樁基2的彎矩變化較大的區(qū)段與樁基1一樣，但變化幅度比樁基1的要大。前12步施工，彎矩變化較小，根本上在240kN左右彷徨；第13步(中洞臨時支護撤除)施工時，彎矩突變較大，與前一步相比，遞增了1.7倍多，這是樁基2彎矩變化較大的關(guān)鍵工序；后繼

9、施工，彎矩已趨于穩(wěn)定；樁基2的最大彎矩為526kN，與初始彎矩相比，遞增了2倍多，且絕大多數(shù)彎矩遞增量是由中洞臨時支護撤除奉獻的。(4)高架橋樁基平安系數(shù)隨施工推進總體上呈遞減趨勢，變化規(guī)律與彎矩變化規(guī)律一致；中洞、左洞臨時支護撤除時，高架橋樁基平安系數(shù)降低幅度較大，這是高架橋樁基平安度降低的關(guān)鍵工序；最終施工完畢時，最小平安系數(shù)僅為4.7，發(fā)生在高架橋樁基底端以上10處；在隧道施工過程中，樁基平安系數(shù)降低了40%，那么相應(yīng)的樁基的承載才能也就降低40%。因此，必須采取加固措施，才能保證樁基及上部構(gòu)造的平安。3.2高架橋樁基位移分析高架橋樁基位移變化規(guī)律如圖4所示。由圖4的分析可以得出：(1)

10、高架橋樁基側(cè)向位移的變化規(guī)律是一致的，且數(shù)值相差不大。中洞施工期間，高架橋樁基受隧道施工的影響，向中洞一側(cè)變形，最大變形量可達3.76，發(fā)生在樁基頂端，且由頂端向底端逐漸遞減，相當于樁基整體發(fā)生傾斜；左洞施工期間，樁基側(cè)向位移由向中洞變形，逐漸過渡到向左洞一側(cè)變形，最大位移為1.27，仍發(fā)生在樁基頂端，樁基發(fā)生了整體傾斜，這說明先施工中洞后施工左洞的施工工法是合理的，這種施工工法可以防止樁基持續(xù)向一側(cè)傾斜，保證了上部構(gòu)造的整體穩(wěn)定性；后續(xù)施工，樁基側(cè)向最大位移變化不大，但其位置發(fā)生了變化，樁基1的最大側(cè)向位移由頂端逐漸過渡到樁基中部，而樁基2的最大側(cè)向位移由頂端逐漸過渡到樁基底端以上10處，這

11、與前面分析的樁基彎矩是相輔相成的，主要是因為中洞、左洞施工完畢后，樁周土體已發(fā)生了充分固結(jié)，后續(xù)施工中，樁體不可能發(fā)生整體傾斜，只能是樁身構(gòu)造自身在偏心壓力下的變形，這種受力形式對樁體構(gòu)造是不利的。(2)高架橋樁基的縱向位移變化規(guī)律也是一致的，數(shù)值也相差不大。左洞右幅施工對樁基1的縱向位移影響比擬大，此施工期間的位移占最終位移的60%，樁基1的最終縱向位移為10，且為整體下沉；樁基2的縱向位移在整個施工過程中，變化幅度均比樁基1的縱向位移變化幅度要小，沒有出現(xiàn)比擬大的突變現(xiàn)象，樁基2的最終縱向位移為8，也為整體下沉。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.3.3高架橋樁基樁端應(yīng)力分析高架橋樁基樁端應(yīng)力變化規(guī)律如

12、圖5所示。從圖5中可以看出，樁基樁端應(yīng)力隨施工的進展呈逐漸遞增趨勢。左洞右幅施工，樁基1的樁端應(yīng)力遞增幅度較大，遞增量可達0.570Pa，占整個遞增量的57%。后繼施工中，樁基1樁端應(yīng)力變化幅度較小，平均每步遞增量僅為0.026Pa，最終施工完畢后，樁基1樁端最大應(yīng)力為3.620Pa。由廣州市軌道交通五號線詳細勘測階段巖土工程參數(shù)建議值表提供的高架橋樁基樁端圍巖的承載力標準值為3.100Pa可以得出：樁基1樁端圍巖的承載力缺乏，由于樁基底端位于粉砂巖中風化層中，其巖石相比照擬堅硬，且樁基埋深較大，無法對樁基底端圍巖進展加固處理10，11。因此，建議采用隧道洞內(nèi)加固和樁周土體結(jié)合加固的方法來控制

13、樁端應(yīng)力。樁基2的樁端應(yīng)力在前5步施工中變化較大，平均每步變化幅度為0.103Pa，最終狀態(tài)下的樁端應(yīng)力超過了巖石的承載力標準值，也需要采用預(yù)加固措施，才能保證樁基和上部構(gòu)造的平安。從圖5(b)中也可以看出，樁端應(yīng)力呈對稱分布，中間大兩端校4人行橋樁基計算結(jié)果4.1人行橋樁基內(nèi)力及平安系數(shù)分析人行橋樁基軸力及平安系數(shù)變化規(guī)律如圖6所示。人行橋樁基軸力隨施工根本上沒有發(fā)生變化，最大軸力為462kN，且軸力分布為上端大下端小，受力形式為摩擦樁。人行橋樁基頂部荷載主要由樁周摩擦力來平衡，這就有必要研究樁周摩阻力隨隧道開挖過程的變化情況，以確定對既有人行橋樁基采用何種加固措施，才能確保人行天橋的平安。

14、4.2人行橋樁基位移分析人行橋樁基位移變化規(guī)律如圖7所示。人行橋樁基最大側(cè)向位移為2.75，且在左洞右幅施工到達最大，發(fā)生在樁頂。后繼施工中，側(cè)向位移又開場回落，最終側(cè)向位移僅為1.00，人行橋樁基發(fā)生的是整體傾斜，傾斜率為0.14，左洞上半部右幅施工和左洞臨時支護撤除對人行橋樁基的縱向位移影響較大，平均每步變化幅度為5.00，此施工期間發(fā)生的縱向位移占最終位移量的65%。通過以上分析可以得出，左洞右幅施工和左洞臨時支護撤除是人行橋樁基位移變化劇烈的關(guān)鍵工序。4.3人行橋樁基樁周土體剪應(yīng)力分析人行橋樁基樁周土體剪應(yīng)力變化規(guī)律如圖8所示。人行橋樁基樁周土體剪應(yīng)力隨施工的進展呈遞增趨勢。左洞上半部

15、施工，樁周土體剪應(yīng)力遞增幅度較大，平均每步遞增量可達2.2kPa，此施工期間的遞增量占整個遞增量的80%多，是人行橋樁基樁周土體剪應(yīng)力遞增幅度較大的關(guān)鍵工序；最終施工完畢后，樁周土體剪應(yīng)力為78.0kPa。由廣州地鐵五號線詳細勘測階段巖土工程參數(shù)建議值表提供的樁周土體剪應(yīng)力標準值為30.0kPa，計算得出的樁周土體剪應(yīng)力均大于土體剪應(yīng)力標準值。因此，必須擴大左洞洞周加固范圍，確保人行天橋的平安。從圖8(b)中可以看出，樁周土體剪應(yīng)力是兩端大中間小的分布特性。5結(jié)論針對廣州地鐵五號線西村站暗挖隧道的設(shè)計和施工方案，進展了有限元數(shù)值模擬分析，論證了地鐵車站暗挖隧道施工過程中，其附近既有樁基的受力特

16、性及位移變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的施工關(guān)鍵工序，供設(shè)計和施工參考。由此可得出如下主要結(jié)論：(1)在隧道施工過程中，樁側(cè)摩阻力呈負摩阻力狀態(tài)，對樁基的受力非常不利，必須采用有效措施減小樁側(cè)的負摩阻力效應(yīng)，進步樁體的承載才能。(2)高架橋樁基最薄弱的部位出如今底端以上10處，最小平安系數(shù)僅為4.7，與初始平安系數(shù)相比，降低了40%，相應(yīng)的樁基承載才能就降低40%，故需注意關(guān)鍵工序的施工；樁基1最大軸力為3978kN，同比遞增了20%，最大彎矩為588kN，遞增了1.8倍多；樁基2最大軸力為3906kN，同比遞增了30%，最大彎矩為526kN，遞增了2倍多；中洞、左洞臨時支護撤除是高架橋樁基平安性降低的

17、關(guān)鍵工序。(3)在中洞、左洞施工期間，高架橋樁基發(fā)生了整體傾斜，最大傾斜量可達3.8，右洞施工期間，側(cè)向位移雖沒有較大變化，但由整體傾斜過渡到屈曲變形，這種變形形式對樁基的受力是不利的；高架橋樁基縱向位移比擬小，但兩樁基的不均勻沉降會導(dǎo)致上部構(gòu)造的應(yīng)力重分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大沉降差為2。(4)高架橋樁基屬于端承樁，樁端圍巖將承受絕大局部的橋梁荷載。計算結(jié)果說明，樁端圍巖承載力缺乏，由于樁基底端位于粉砂巖中風化層中，其巖石相比照擬堅硬，且樁基埋深較大，無法對樁基底端圍巖進展加固處理，建議采用隧道洞內(nèi)加固和樁周土體結(jié)合加固的方法來控制樁端應(yīng)力。(5)人行橋樁基內(nèi)力變化較小，從內(nèi)力分布來看，人

18、行橋樁基屬于摩擦樁，其上部荷載主要由樁周土體剪應(yīng)力來平衡。計算結(jié)果說明，樁周土體剪應(yīng)力標準值小于計算剪應(yīng)力。因此，在隧道施工之前，必須對人行橋樁基樁周土體進展預(yù)加固處理。(6)人行橋樁基發(fā)生的是整體傾斜，傾斜率為0.14；人行橋樁基縱向位移較大，特別是左洞上半部右幅施工和左洞臨時支護撤除對人行橋樁基的縱向位移影響較大，為了保證人行橋樁基上部構(gòu)造的平安，需要擴展左洞拱部洞內(nèi)加固的范圍。參考文獻(Referenes)：1張志強，何川.地鐵盾構(gòu)隧道近接樁基的施工力學行為研究J.鐵道學報，2022，25(1)：9295.(ZhangZhiqiang，Hehuan.Researhnehanisbehav

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