高东

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥,230022)

地铁盾构下穿高架对桥桩影响的数值分析

高东

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥,230022)

基于合肥地铁盾构隧道穿越高架桥工程,用有限元软件MIDAS GTS/NX对开挖过程进行仿真模拟,分析了开挖过程对高架桩基的影响。结果表明:高架桥桩的位移总体上表现为距盾构区相同距离下的桥桩的位移值基本相同;距盾构区不同距离下的桥桩的位移变化表现形式基本相似,盾构隧道对高架桥的影响在安全限度范围内。

隧道盾构;高架桥桩;位移;数值分析

随着城市建设的发展,公路交通已经不能满足人们出行的需求,轨道交通的出现极大地改善了交通拥挤的现状[1]。但隧道开挖会导致地层沉降,对周边的构筑物产生影响。隧道在开挖过程中会对土体的应力及应变产生影响,导致应力重分布和应力集中等问题[2]。这将破坏该地区土体原有的受力平衡,造成地面沉降、建筑物开裂、管道破损及桩基失稳等一系列的状况[3]。因此,对此种情况下的隧道开挖进行模似,预测土体、构筑物的变形及位移可在一定程度上预防不良事故的发生。本文通过对合肥轨道交通3号线某区间段内隧道开挖过程进行三维模拟,分析隧道开挖对临近高架桩基变形的影响,以确保临近高架桩基的安全。

1 工程概况

合肥轨道交通3号线某区间段,采用盾构法施工,区间内存在盾构隧道下穿高架桥桩的情况。区间隧道为2条单洞单线圆形隧道,直径为6 m。2条隧道穿越临近高架的2个桩基,前期仅盾构右侧隧道。整个区间隧道的覆土厚度为13.80～24.37 m,开挖隧道临近的土体从上至下分别为杂填土、黏土、粉质黏土、强风化泥质砂岩和中风化泥质砂岩。穿越土层主要为黏土层和粉质黏土层,局部为强风化泥质砂层。隧道穿越范围主要赋存承压水,含水层以粉土、粉细砂为主。地下水对盾构法施工隧道影响不大[4]。盾构隧道临近高架桩基长度30 m,隧道埋深16 m,高架桥桩的跨度为30 m;盾构隧道距离左侧的桥桩最近处为15.5 m,距离右侧的桥桩最近处为11.0 m。盾构隧道和临近高架桩基的分布形态如图1所示。

图1 隧道和高架桩基的位置分布

2 模型及工况

用有限元分析软件MIDAS GTS进行建模和计算。选取的模型尺寸为80 m×50 m×30 m,选取的模型尺寸满足隧道开挖的影响范围为隧道直径3～5倍的条件,达到消除边界效应影响的要求[3,5]。高架桥面荷载折算后加载到桥墩上,折算荷载为150 kN/m2。土体采用摩尔-库伦模型[6],土层参数如表1所示,管片采用弹性模型[7]。板厚取30 cm,板宽为标准尺寸1.5 m,管片与围岩间注浆层厚度为15 cm。有限元模型如图2所示。通过分析高架桥桩位移的变化,判断隧道盾构对桥桩的影响程度,进而对桥桩的稳定性进行定量分析。

表1 岩土层物理力学参数

图2 三维有限元盾构模型

本文所建立的是一个盾构区间小开挖段模型,长度为20个标准管片的宽度。因盾构时高架已经建成,所以模拟盾构前,将高架桥放在初始应力里分析,位移清零,不进行施工段的设置。模拟分析工况为:第1步,开挖1个隧道管片宽度的距离;第2步,将管片安装到刚开挖的位置,注浆后进行下一段的开挖;第3步,重复第2步的操作,直到最后一段管片安装完成,整个开挖的流程结束。

3 结果与分析

添加分析工况后进行模型求解,得到隧道盾构对高架桥的影响如图3～4所示。图3～4中的数据为高架总位移值,单位为mm。隧道盾构造成临近桥桩出现变形,使得上部承台和桥墩出现倾斜。最大变形出现在右侧桥墩的顶部,最大位移为12.8 mm。盾构区离右侧桥桩较近,桥桩的最大变形出现在右侧桥桩中部,离盾构区较近的同一地层处,最大位移为6.6 mm。左侧高架承台向右侧倾斜,最大倾斜率为1.16×10-4,右侧高架承台向左侧倾斜,最大倾斜率为1.39×10-4。高架桥的变形预警值为20 mm[8–9],因此,变形都在允许的限度范围内,隧道盾构对高架桥的稳定性没有造成破坏。

提取模拟结果数据,分析得到高架桥左、右侧桥桩位移变化如图5～7所示。左侧高架桥桩的最大位移为5.4 mm,右侧高架桥桩的最大位移为6.6 mm,变形在安全限度范围内。隧道盾构对桥桩的变形影响主要发生在x方向,对桥桩在y方向上的影响较小,最大位移仅0.6 mm,可以忽略不计,在盾构区同一地层处对桥桩的变形影响达到最大值,原因是桩身中部距盾构区最近,隧道盾构产生的地应力对桩身处作用最大。1号桩与2号桩、3号桩与4号桩、5号桩与6号桩、7号桩与8号桩(桥桩编号见图3)的桥桩变形几乎重合,说明隧道盾构产生的地应力对相同距离下的桥桩作用相同。桥桩上部位移变化有较大转折,此处的转折不是桩身发生弯折,而是因为远离盾构区的桥桩比临近盾构区桥桩的位移小,使得桩身产生差异变形。承台对桥桩的变形有协调作用,使得高架承台向盾构区方向倾斜,造成桥桩顶端向着盾构区的方向偏移,与桩身中部的变形方向相反。

图3 高架桥总位移图

图4 高架桩基位移图

图8为距盾构区不同距离下的桥桩位移对比。1号桩、4号桩、5号桩、8号桩的位移变化趋势基本一致,说明隧道盾构对不同距离下桥桩的变形影响作用机理相同。因4号桩和8号桩距盾构区的距离基本相同,所以图8中4号桩和8号桩的变形几乎重合,从而印证了前面做出的距盾构区相同距离下的桥桩变形基本相同的结论。

图5 盾构区左侧桩身位移

图6 盾构区右侧桩身位移

图7 盾构区右侧桥桩y方向位移

图8 桥桩位移对比

4 结论

本文以合肥轨道交通3号线某区间段内隧道开挖工程为例,用有限元分析软件MIDAS GTS/NX对隧道盾构进行模拟,研究了隧道开挖对高架桩基的影响,通过分析模拟结果得到以下结论。

(1) 隧道开挖对临近高架桩基的影响在安全的限度范围内,对高架桥的稳定性影响较小,不影响高架桥的正常使用。

(2) 对高架桩基的位移影响总体上表现出在盾构区同一地层下的桥桩变形影响最大,桥桩上部与桩身中部的变形方向相反。因距盾构区不同距离下的桥桩存在差异沉降,造成高架承台向盾构区方向的倾斜。

(3) 通过对两侧桥桩位移变化的对比,两侧桥桩的变形都表现出相同的位移变化趋势,在距盾构区相同距离下的桥桩变形相同。

[1] 何川,封坤,方勇. 盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J]. 西南交通大学学报,2015,50(1):97–109.

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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

高东,778905919@qq.com。

2017–01–10

安徽省教育厅教学研究重点项目(2015jyxm252)。

(责任编校:江河)