地铁盾构隧道近接桩基的施工力学行为研究
摘 要: 针对城市地铁新建隧道近接既有民房桩基的工程情况,进行了三维有限元数值模拟的施工力学行为研究。研究结果表明,近接桩基施工将引起新建隧道自身结构特别是与既有桩基近接一侧边墙,有不利的受力状况和变形特征。因此,需要采取加固措施,以确保隧道自身结构以及近接建筑物的安全。本文研究对城市地铁隧道的近接施工,有一定参考价值。
关键词: 盾构隧道; 近接施工; 既有桩基
近年,由于土地价格上扬,城市土地用地不足等, 重叠隧道工程等建设中遇到了相类似的问题,给设计城市急剧向郊区扩大,土地高度利用化,而近接既有地和施工带来了极大难题。下结构物进行近接施工的工程,大量涌现。因此在这种情况下,最主要的问题是施工中对既有结构物的影响问题以及自身近距离施工时的影响问题。概括讲, 如何把对环境的影响减少到最低限度,是地下建筑物在近距离条件下施工的核心问题。这一新动向和新问题,目前已经引起了地下工程界和岩土工程界甚至包括地铁承包商在内的广泛重视。在日本,已将近距离条件下地下结构施工定义为“ 近接施工影响问题”[ 1 ] , 并且给以高度重视。在我国,随着近年来城市地铁交通事业飞速发展,已先后在北京、上海、广州的地铁一号线、广州地铁二号线以及目前在建的深圳地铁一期近期的近接工程与过去的比较,不仅工程规模大, 而且与既有地下结构物的间隔距离更小,例如,在建的深圳地铁一期工程天虹—岗厦区间隧道,在左线里程CK6 + 784. 155 处,与民房桩基近接距离仅为0. 31 m , 如图1 所示。可见,近接施工影响问题已变得非常严重。
为了确保近接施工中,新建盾构隧道自身结构的安全稳定,以及施工期间对既有结构物的影响减少到最低限度,本文将针对深圳地铁一期工程天虹—岗厦盾构区间隧道与民房桩基相互近接的施工力学行为, 从整体上包括新建盾构隧道、近接桩基以及上至地表环境,进行数值模拟研究。
1 工程地质概况
根据工程地质描述,天虹—岗厦区间地处宽阶地、冲积平原,地形平坦稍有起伏。工程勘测范围内自上而下围岩组成为:第四系全新统人工堆积层Q4ml (由粉质粘土的素填土组成) 、冲积层Qal4 ,(由淤泥质粉质粘3土组成) 、第四系残积层Qel 、及下伏燕山期花岗岩r5 (由砂质粘性土及全风化花岗岩组成) 。从整体上看, 本区段地质构造相对简单,无明显不良地层,围岩分类为I～ II 类。
2 盾构隧道近接既有地下桩结构的空间计算
2. 1 建模情况
(1) 最不利工况确定
根据设计施工图资料,可确定出盾构隧道近接既有地下桩基(民房桩基) 施工时的最不利工况,在左线里程CK6 + 790 处,与民房桩基近接距离仅为0. 31 m , 如图2 所示。因此,新建盾构隧道近接既有地下桩基的三维弹塑性数值计算将针对这种工况进行。
图2 盾构隧道近接桩基最不利工况模型(近距0. 31 m)
(2) 模型考虑
在建模中,为保证计算的准确性,对混凝土管片结构选用了等参8 结点空间板壳单元,对于周边围岩体选用了等参20 结点三维实体单元进行模拟,而对于福华新村1 栋楼(CK6 + 790) 桩基,则选用了三维梁杆单元进行模拟。在隧道和桩结构周边围岩体采用了细密单元,见图2 所示。本次计算采用通用大型有限元软件ANSYS 进行数值分析,以期获得理想效果。
(3) 计算参数
针对深圳地铁一期工程勘测围岩自上而下的地质情况,将其综合归并为4 层材料性质的岩土体,进行研究。即地表浅层Q4ml (地层号Ⅰ) 、地中中层Qal 和Qel 334 (地层号Ⅱ) 、隧道周边Qel 和r5 (地层号Ⅲ) 及底部r5 (地层号Ⅳ) 。需要指出,这4 层材料参数的确定,是依据对其组分按厚度进行加权平均的处理方法而获得。对于混凝土管片结构,选取C50 材料参数,考虑到接头影响以及拟定采用的错缝拼装方式,将管片的刚度折减系数分别确定为0. 75 、0. 85 两种情况。而对于地下桩基,根据现场实际确定为C25 , 所有力学参数列于表1。
表1 盾构隧道近接既有地下民房桩施工时的计算参数
注: 3 为管片错缝拼装的刚度折减系数。
2. 2 计算分析力场,形成“毛洞”状态时,围岩载荷释放率为25 % , 管为了说明地下桩基与盾构隧道相互近接的影响, 片支护后,围岩载荷完成释放率为75 %; 如图3 所示。需要完成以下3 方面工作:
(1) 模拟施工过程,假定隧道开挖初期自重地应影响施工力学行为进行研究; (2) 分别针对无桩和有桩两种条件下,结构相互折减系数η= 0. 75 或0. 85 分别进行计算。
2. 3 隧道近接福华新村桩基情况
2. 3. 1 内力影响因素分析
从整体上看,对盾构隧道结构安全产生重大影响的仍然是横向内力及其变化,而不是纵向内力及其变化,通过比较盾构隧道管片最大横、纵弯矩值及其相应轴力,如表2 、表3 所列,可以更清楚看到这一点。
2. 3. 2 结构受力状况分析
(1) 从整体上看,有桩作用条件下,所获得最大弯矩均比无桩情况下相同位置计算结果要高,而对应轴力则相差不多,这意味着在有桩作用条件下,结构安全度呈现出降低的趋势;
(2) 从发生位置看,在有桩作用条件下,最大正负弯矩值,均出现在与桩基近接一侧的隧道管片边墙位置;
(3) 提高刚度折减系数,结构的内力,呈现出一致性增大的趋势;不过相对来看,弯矩的增加更明显一些,而轴力可近视为“不变”。
图3 模拟盾构隧道施工的整个计算过程村民房桩基净距仅为31 cm , 因此对近接桩基一侧隧
(3) 考虑可能采取错缝拼装方式,选取管片刚度道受力状况造成了不利的影响,从加强结构的重点看, 应当更关注近接桩基一侧的隧道边墙。
表2 近接民房桩基(η= 0. 75 或0. 85) ,无桩和有桩两种条件下,隧道最大横向内力比较
表3 近接民房桩基(η= 0. 75 或0. 85) ,无桩和有桩两种条件下,隧道最大纵向内力比较
2. 3. 3 近接施工引起群桩的水平变形
如表4 所示,近接隧道施工引起的福华新村群桩
水平变形情况,从中可得到以下认识:得到桩基沿水平方向的最大“拉伸”变形为4. 04 cm 。
(1) 隧道近接桩基施工时,产生了明显的较大侧加固的群桩范围达4 m ; 若以3 cm 受拉变形为控制指向“拉伸”变形;其中当隧道与桩基近距为0. 30 m 时；
(2) 考察不同近距情况下桩基侧向变形,可以得到以下范围,若以2 cm 受拉变形为控制指标,则需要则需要加固的群桩范围约1. 8 m 。
(3) 考虑到施工时产生的较大扰动,争取对福华新村近距1. 8 m 范围内的加固措施。
表4 近接隧道施工引起的群桩( 以η= 0. 75 为代表)
2. 3. 4 近接群桩施工引起的地表沉降
图4 为刚度折减系数0. 75 时,地表沉降大于3 cm 结点矢量图,考察其覆盖范围,获得沉降槽最大宽度为25. 32 m , 其中桩基一侧为15. 2 m ; 而另一侧占10. 12 m 。以招标文件规定地表沉降允许值3 cm 为控制基准,则需要采取措施控制地表沉降的宽度范围为25. 32 m 。
图4 隧道近接桩基施工时,地表沉降超过3 cm 范围及幅值
3 结论
(1) 与无桩情况相比较,近接桩基施工将引起新建隧道自身结构,特别是与既有桩基近接一侧边墙不利的受力状况。具体表现为,有桩作用条件下,所获得最大弯矩均比无桩情况相同位置的计算结果要高, 而相应轴力则与无桩情况的相同位置计算结果相差不大,这意味着,在有桩作用条件下,结构的安全度,呈现出一致性降低的趋势。
(2) 从整体上看,由于桩基的作用,使得新建隧道沿水平方向左右边墙的变形结果不具备对称性;比较有桩和无桩条件的计算结果可知,近接既有桩基的隧道施工完成后,邻接桩基一侧隧道边墙的水平变形均表现出高于无桩条件下的变形特征。
(3) 从隧道对桩基影响角度看,近接施工将引起既有桩基产生偏向隧道水平方向的“ 拉伸”变形情况。在近接距离仅为0. 31 m 的桩基处,产生了达到4. 04 cm 的最大“拉伸”变形。
(4) 需要采取加固措施,以确保隧道自身结构以及近接地下“建筑物”的安全。
(5) 考察不同刚度折减系数时,发现桩基水平侧向变形几乎没有变化,这表明改变盾构管片的拼装方式,在整体上,对近接地下“建筑物”几乎无影响。
(6) 以地表沉降允许值3 cm 为控制基准,则新建隧道近接福华新村桩基施工时,需采取控制措施的宽度范围为25. 32 m 。
参考文献:
[1] 张志强,何川,等. 深圳地铁一期工程7C 标段天虹—岗厦区间隧道施工力学研究报告[ R ]. 成都:西南交通大学, 2001.
[2] 锏道缏合技术研究所. 既设近接施工策[M]. 日本:锏道缏合技术研究所,1996. 9.
