地鐵盾構(gòu)下穿高架對橋樁影響的數(shù)值分析

高東

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥,230022)

地鐵盾構(gòu)下穿高架對橋樁影響的數(shù)值分析

高東

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥,230022)

基于合肥地鐵盾構(gòu)隧道穿越高架橋工程,用有限元軟件MIDAS GTS/NX對開挖過程進(jìn)行仿真模擬,分析了開挖過程對高架樁基的影響。結(jié)果表明:高架橋樁的位移總體上表現(xiàn)為距盾構(gòu)區(qū)相同距離下的橋樁的位移值基本相同;距盾構(gòu)區(qū)不同距離下的橋樁的位移變化表現(xiàn)形式基本相似,盾構(gòu)隧道對高架橋的影響在安全限度范圍內(nèi)。

隧道盾構(gòu);高架橋樁;位移;數(shù)值分析

隨著城市建設(shè)的發(fā)展,公路交通已經(jīng)不能滿足人們出行的需求,軌道交通的出現(xiàn)極大地改善了交通擁擠的現(xiàn)狀[1]。但隧道開挖會導(dǎo)致地層沉降,對周邊的構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。隧道在開挖過程中會對土體的應(yīng)力及應(yīng)變產(chǎn)生影響,導(dǎo)致應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中等問題[2]。這將破壞該地區(qū)土體原有的受力平衡,造成地面沉降、建筑物開裂、管道破損及樁基失穩(wěn)等一系列的狀況[3]。因此,對此種情況下的隧道開挖進(jìn)行模似,預(yù)測土體、構(gòu)筑物的變形及位移可在一定程度上預(yù)防不良事故的發(fā)生。本文通過對合肥軌道交通3號線某區(qū)間段內(nèi)隧道開挖過程進(jìn)行三維模擬,分析隧道開挖對臨近高架樁基變形的影響,以確保臨近高架樁基的安全。

1 工程概況

合肥軌道交通3號線某區(qū)間段,采用盾構(gòu)法施工,區(qū)間內(nèi)存在盾構(gòu)隧道下穿高架橋樁的情況。區(qū)間隧道為2條單洞單線圓形隧道,直徑為6 m。2條隧道穿越臨近高架的2個樁基,前期僅盾構(gòu)右側(cè)隧道。整個區(qū)間隧道的覆土厚度為13.80～24.37 m,開挖隧道臨近的土體從上至下分別為雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。穿越土層主要為黏土層和粉質(zhì)黏土層,局部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂層。隧道穿越范圍主要賦存承壓水,含水層以粉土、粉細(xì)砂為主。地下水對盾構(gòu)法施工隧道影響不大[4]。盾構(gòu)隧道臨近高架樁基長度30 m,隧道埋深16 m,高架橋樁的跨度為30 m;盾構(gòu)隧道距離左側(cè)的橋樁最近處為15.5 m,距離右側(cè)的橋樁最近處為11.0 m。盾構(gòu)隧道和臨近高架樁基的分布形態(tài)如圖1所示。

圖1 隧道和高架樁基的位置分布

2 模型及工況

用有限元分析軟件MIDAS GTS進(jìn)行建模和計(jì)算。選取的模型尺寸為80 m×50 m×30 m,選取的模型尺寸滿足隧道開挖的影響范圍為隧道直徑3～5倍的條件,達(dá)到消除邊界效應(yīng)影響的要求[3,5]。高架橋面荷載折算后加載到橋墩上,折算荷載為150 kN/m2。土體采用摩爾-庫倫模型[6],土層參數(shù)如表1所示,管片采用彈性模型[7]。板厚取30 cm,板寬為標(biāo)準(zhǔn)尺寸1.5 m,管片與圍巖間注漿層厚度為15 cm。有限元模型如圖2所示。通過分析高架橋樁位移的變化,判斷隧道盾構(gòu)對橋樁的影響程度,進(jìn)而對橋樁的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 三維有限元盾構(gòu)模型

本文所建立的是一個盾構(gòu)區(qū)間小開挖段模型,長度為20個標(biāo)準(zhǔn)管片的寬度。因盾構(gòu)時高架已經(jīng)建成,所以模擬盾構(gòu)前,將高架橋放在初始應(yīng)力里分析,位移清零,不進(jìn)行施工段的設(shè)置。模擬分析工況為:第1步,開挖1個隧道管片寬度的距離;第2步,將管片安裝到剛開挖的位置,注漿后進(jìn)行下一段的開挖;第3步,重復(fù)第2步的操作,直到最后一段管片安裝完成,整個開挖的流程結(jié)束。

3 結(jié)果與分析

添加分析工況后進(jìn)行模型求解,得到隧道盾構(gòu)對高架橋的影響如圖3～4所示。圖3～4中的數(shù)據(jù)為高架總位移值,單位為mm。隧道盾構(gòu)造成臨近橋樁出現(xiàn)變形,使得上部承臺和橋墩出現(xiàn)傾斜。最大變形出現(xiàn)在右側(cè)橋墩的頂部,最大位移為12.8 mm。盾構(gòu)區(qū)離右側(cè)橋樁較近,橋樁的最大變形出現(xiàn)在右側(cè)橋樁中部,離盾構(gòu)區(qū)較近的同一地層處,最大位移為6.6 mm。左側(cè)高架承臺向右側(cè)傾斜,最大傾斜率為1.16×10-4,右側(cè)高架承臺向左側(cè)傾斜,最大傾斜率為1.39×10-4。高架橋的變形預(yù)警值為20 mm[8–9],因此,變形都在允許的限度范圍內(nèi),隧道盾構(gòu)對高架橋的穩(wěn)定性沒有造成破壞。

提取模擬結(jié)果數(shù)據(jù),分析得到高架橋左、右側(cè)橋樁位移變化如圖5～7所示。左側(cè)高架橋樁的最大位移為5.4 mm,右側(cè)高架橋樁的最大位移為6.6 mm,變形在安全限度范圍內(nèi)。隧道盾構(gòu)對橋樁的變形影響主要發(fā)生在x方向,對橋樁在y方向上的影響較小,最大位移僅0.6 mm,可以忽略不計(jì),在盾構(gòu)區(qū)同一地層處對橋樁的變形影響達(dá)到最大值,原因是樁身中部距盾構(gòu)區(qū)最近,隧道盾構(gòu)產(chǎn)生的地應(yīng)力對樁身處作用最大。1號樁與2號樁、3號樁與4號樁、5號樁與6號樁、7號樁與8號樁(橋樁編號見圖3)的橋樁變形幾乎重合,說明隧道盾構(gòu)產(chǎn)生的地應(yīng)力對相同距離下的橋樁作用相同。橋樁上部位移變化有較大轉(zhuǎn)折,此處的轉(zhuǎn)折不是樁身發(fā)生彎折,而是因?yàn)檫h(yuǎn)離盾構(gòu)區(qū)的橋樁比臨近盾構(gòu)區(qū)橋樁的位移小,使得樁身產(chǎn)生差異變形。承臺對橋樁的變形有協(xié)調(diào)作用,使得高架承臺向盾構(gòu)區(qū)方向傾斜,造成橋樁頂端向著盾構(gòu)區(qū)的方向偏移,與樁身中部的變形方向相反。

圖3 高架橋總位移圖

圖4 高架樁基位移圖

圖8為距盾構(gòu)區(qū)不同距離下的橋樁位移對比。1號樁、4號樁、5號樁、8號樁的位移變化趨勢基本一致,說明隧道盾構(gòu)對不同距離下橋樁的變形影響作用機(jī)理相同。因4號樁和8號樁距盾構(gòu)區(qū)的距離基本相同,所以圖8中4號樁和8號樁的變形幾乎重合,從而印證了前面做出的距盾構(gòu)區(qū)相同距離下的橋樁變形基本相同的結(jié)論。

圖5 盾構(gòu)區(qū)左側(cè)樁身位移

圖6 盾構(gòu)區(qū)右側(cè)樁身位移

圖7 盾構(gòu)區(qū)右側(cè)橋樁y方向位移

圖8 橋樁位移對比

4 結(jié)論

本文以合肥軌道交通3號線某區(qū)間段內(nèi)隧道開挖工程為例,用有限元分析軟件MIDAS GTS/NX對隧道盾構(gòu)進(jìn)行模擬,研究了隧道開挖對高架樁基的影響,通過分析模擬結(jié)果得到以下結(jié)論。

(1) 隧道開挖對臨近高架樁基的影響在安全的限度范圍內(nèi),對高架橋的穩(wěn)定性影響較小,不影響高架橋的正常使用。

(2) 對高架樁基的位移影響總體上表現(xiàn)出在盾構(gòu)區(qū)同一地層下的橋樁變形影響最大,橋樁上部與樁身中部的變形方向相反。因距盾構(gòu)區(qū)不同距離下的橋樁存在差異沉降,造成高架承臺向盾構(gòu)區(qū)方向的傾斜。

(3) 通過對兩側(cè)橋樁位移變化的對比,兩側(cè)橋樁的變形都表現(xiàn)出相同的位移變化趨勢,在距盾構(gòu)區(qū)相同距離下的橋樁變形相同。

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Numerical analysis of the effect to pile with shield tunnel crossing the viaduct

Gao Dong
(Civil Engineering School,Anhui Jianzhu University,Hefei 230022,China)

Based on the project of Hefei metro shield tunnel crossing the viaduct,the excavation process is simulated with the finite element software MIDAS GTS,and the effects of excavation process on elevated pile foundation are analyzed. The overall displacement of Viaduct Pile shows that the displacement under the same distance from the shield area of piles is basically the same;the displacement form from the shield area under different distances is basically the similar,and the influence of shield tunnel on the pile foundation is within the limit of safety.

tunnel shield;viaduct pile;displacement;numerical analysis

TU 91

A

1672–6146(2017)04–0068–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.04.017

高東,778905919@qq.com。

2017–01–10

安徽省教育廳教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2015jyxm252)。

(責(zé)任編校:江河)