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    地鐵隧道施工對鄰近樁基建筑物的影響研究

    時間:2021年02月05日 所屬分類:推薦論文 點擊次數:

    摘要:以南昌地鐵二號線側穿某高層樁基建筑物為背景,利用ABAQUS有限元三維建模,研究了盾構隧道側穿建筑物樁基過程對樁基的影響。結果表明,建筑物樁基水平位移增長與其距掌子面距離有關,通常距離掌子面越近樁基變形增長越大,當距離超過一定值,隧道開挖對

      摘要:以南昌地鐵二號線側穿某高層樁基建筑物為背景,利用ABAQUS有限元三維建模,研究了盾構隧道側穿建筑物樁基過程對樁基的影響。結果表明,建筑物樁基水平位移增長與其距掌子面距離有關,通常距離掌子面越近樁基變形增長越大,當距離超過一定值,隧道開挖對樁基變形幾乎無影響,隧道開挖完成后靠近隧道側樁基變形基本一致;隧道側穿建筑物樁基過程中對樁身彎矩值影響較大,對其延樁深變化規律影響較小,且距離掌子面越近彎矩值變化越大,隧道開挖完成后靠近隧道側樁身彎矩基本保持一致。

      關鍵詞:側穿;樁基變形;樁身彎矩;傾斜;沉降

    隧道施工

      0引言

      近年來我國地下軌道交通工程發展迅速,其中盾構法施工在地鐵修建中扮演著重要角色。盾構機掘進過程中常有側穿、下穿一些既有高層建筑物,其中不乏穿越樁基建筑物,盾構隧道施工時會對周圍土體產生擾動,而引起建筑物樁基產生一定附加應力和位移。因此研究盾構隧道施工對臨近既有樁基建筑物的影響具有重要的意義。目前,國內外許多學者在盾構隧道施工方面做了較多研究,如Katebi等[1]利用ABAQUS有限元軟件詳細分析了隧道埋深、土體參數、隧道與建筑物間距、建筑物剛度等因素對襯砌應力及變形的影響。

      Lambrughi等[2]利用數值計算方法結合現場實測數據,詳細分析了土體采用修正劍橋模型和摩爾庫倫模型時地面沉降情況,并將計算結果與現場實測值比較,得出采用修正劍橋模型計算出的結果與現場實測值更加接近。Wang等[3]、賀美德等[4]以北京地鐵隧道近距離側穿高層建筑物為背景,利用有限元軟件,并結合現場實測數據,研究了盾構隧道達到建筑物之前、側穿過程及離開后3階段,建筑物的沉降及傾斜變化規律。

      張澤民等[5]以天津地鐵3號線下穿2座歷史風貌建筑物為背景,采用現場實測的方法,研究分析了不同施工階段對建筑物變形影響的規律特點。本文以南昌地鐵2號線側穿某高層樁基建筑物為背景,利用ABAQUS有限元軟件建立了三維計算模型,分析了盾構隧道到達建筑物樁基之前、側穿建筑物樁基過程及離開之后3個階段對樁基及建筑物沉降和傾斜的影響。

      1工程概況

      該工程為南昌地鐵2號線陽明路段盾構隧道側穿鄰近既有高層樁基建筑物。鄰近建筑物為12層鋼筋混凝框架結構,總高度為37.5m,建筑物基礎為鉆孔灌注樁基礎,樁徑為1.0m,樁長19.6m,樁基凈距為2m,矩形筏板承臺長43m,寬16m,高2.5m。盾構隧道直徑為6m,埋深11m,與建筑物水平凈距為3.2m。

      2數值分析

      2.1數值模型及邊界條件

      為消除有限元計算時邊界條件對模型應力應變的影響,選取模型尺寸長100m,寬60m,高40m。土體本構模型采用修正劍橋模型。利用ABAQUS中小應變分析及“Soils”分析步考慮土體中的流固耦合作用。土體模型包含49786個計算單元,單元計算類型為C3D8P,相對于C3D8R,C3D8P增加了孔壓自由度,以對應本文考慮的流固耦合分析。土體四周約束其法向位移,底面約束其豎向位移,地表面設置為不排水邊界條件。

      2.2建筑物模擬

      建筑物為高37.5m的混凝土框架結構,矩形筏板承臺,加上鉆孔灌注樁基礎,三者均采用三維實體單元建模。建筑物共包含26938個計算單元,單元類型為C3D8R,并利用“Enhanced”命定控制計算過程中可能產生的沙漏。矩形筏板承臺與土體及樁頂面采用tie約束;樁側面與土體之間采用面-面接觸,切線方向為摩擦接觸,摩擦系數為0.35,法向為硬接觸。建筑物本構模型選用彈性模型,彈性模量30GPa,泊松比0.2,密度為2600kg/m3。

      2.3隧道襯砌及盾尾注漿模擬

      實際情況中襯砌管片施工完成后,應及時進行盾尾注漿,以將襯砌與土體之間的間隙填充密實。本文襯砌和注漿體均采用三維實體建模,計算單元個數均為2706,單元類型C3D8R,利用“Enhanced”命定控制計算過程中可能產生的沙漏現象。

      注漿體內表面與襯砌外表面,及注漿體外表面與土體之間均采用tie約束。隧道襯砌計算本夠選擇彈性模型,密度為2600kg/m3,泊松比為0.2,彈性模量按如下方式選取。襯砌管片之間的接頭,引起襯砌剛度之間的不連續,而在接頭部位襯砌剛度相對較低,此問題國內外已有學者做過相關研究,其中應用最多是日本學者Koyama提出的將襯砌剛度折減20%~40%。

      本文取折減系數ξ=0.3,因此折減后隧道襯砌剛度為:E=(1-ξ)Et=(1-0.3)×35000=24500(MPa)其中:E為襯砌的有效彈性模量,Et為鋼筋混凝土實際彈性模量。注漿體剛開始時較軟,彈性模量較低,隨著時間的增加而逐漸硬化,本文利用ABAQUS中溫度場變量實現此過程,剛開始彈性模量設置為0.1MPa,隨著時間增加彈性模量逐漸增大,最后完全硬化后彈性達到15MPa。注漿體密度為1950kg/m3,泊松比由0.42減小至0.22。

      2.4開挖過程模擬

      隧道開挖過程及襯砌和注漿體的施工,利用ABAQUS中生死單元功能實現,建筑物范圍以外開挖步長取7m,建筑物區域內開挖步長取3m,如圖2所示。實際工程中采用土壓平衡盾構,盾構機刀盤表面與掌子面的土壓力保持平衡,為此每開挖完成一步,需在掌子面上施加一個梯形分布的面荷載。荷載大小為:P=207.96+20.1×(29-Z),其中207.96kPa為隧道頂部的荷載,20.1kg/m3為隧道區域內土體加權平均容重,29m為隧道頂部的Z坐標(Z=29~23m),由此可計算出梯形面荷載分布為207.96~328.56kPa。

      2.5計算模型物理力學參數

      土體采用修正劍橋模型,此模型中包括對數硬化模量λ、對數彈性模量κ,其值可分別取為Cc/2.303、Cs/2.303,Cc、Cs為土體的壓縮指數和膨脹指數;初始孔隙比e0,滲透系數k(m/s),密度ρ(kg/m3),泊松比ν;臨界狀態線斜率M,其值可取為M=6sin/(3-sin),為土體內摩擦角;β為控制屈服面形狀參數,取β=1;K為三軸拉伸流動應力與三軸壓縮流動應力的比值(0.778≤K≤1),本文取K=1。

      3計算結果分析

      盾構隧道施工側穿樁基建筑物時,由于樁基周圍土體應力狀態發生變化,而導致樁基產生附加應力及變形,同時建筑物也會發生不均勻沉降及傾斜。為研究盾構隧道達到建筑物樁基之前、穿越樁基過程及離開樁基后3個階段建筑物樁基的應力及位移的變化情況,本文選取圖3中①號、②號、③號樁作為分析對象;并選取3根樁9m處的A、B、C3個點作為觀測點(由計算可知大約在9m出位移最大)。

      4結語

      依托南昌地鐵2號線側穿某臨近樁基建筑物,利用ABAQUS三維建模對盾構隧道開挖過程所導致建筑物樁基水平位移、彎矩和建筑物傾斜及沉降的變化進行了詳細分析,得出如下結論。

      1)建筑物樁基水平位移增長與其距盾構隧道掌子面的距離有關,距離掌子面越近的樁基位移變化越大,且當隧道掌子面與樁基距離超過一定距離時,隧道開挖對建筑物樁基的變形幾乎無影響;隧道開挖完成后靠近隧道側建筑物樁基變形基本一致。

      建筑施工評職知識:隧道施工論文文獻如何查找

      2)隧道穿越樁基過程中對樁基彎矩大小影響較大,對樁基彎矩變化規律影響較小,且樁基距離掌子面越近,彎矩值變化越大;當隧道掌子面與樁基距離超過一定值后,隧道掘進對樁基彎矩幾乎無影響;隧道開挖完成后,靠近隧道側建筑物樁基彎矩基本一致。

      參考文獻:

      [1]KatebiH,RezaeiAH,Hajialilue-BonabM,etal.Assessmenttheinfluenceofgroundstratification,tunnelandsurfacebuildingsspecificationsonshieldtunnelliningloads(byFEM)[J].Tunnelling&UndergroundSpaceTechnology,2015(49):67-78.

      [2]LambrughiA,RodríguezLM,CastellanzaR.Developmentandvalidationofa3DnumericalmodelforTBM-EPBmechanisedexcavations[J].Computers&Geotechnics,2012,40(1):97-113.

      作者:魏正明

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