盾构隧道穿越既有混凝土桥梁结构的风险控制指标.pdf
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1、第 3 5 卷 , 第 3 期 2 0 1 4年 5月 中 国 铁 道 科 学 CHI NA RAI LW AY S CI ENCE Vo I 3 5 No 3 M a y, 20 1 4 文章编号 :l O O 1 4 6 3 2( 2 o 1 4 )0 3 0 0 4 7 0 9 盾构隧道穿越既有混凝土桥梁结构的 风 险控 制指标 张海彦 ,何 平 ,胡友刚1 , 2 ,秦 东平L ,闫国新。 ( 1 北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京1 0 0 0 4 4 ; 2 北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 1 0 0 0 3 7 ;3 中国新兴保信建设总公司,北京 1 0
2、0 0 3 7 ) 摘要:基于 公路桥梁承载能力检测评定规程 ,确定桥梁承载能力计算参数;采用有限元法计算盾构隧 道穿越既有混凝土桥梁结构时桥梁结构的剩余承载力和结构 内力 ;选取桥梁结构的内力不大于剩余承载能力时 的桥梁结构差异变形值,作为工程的最终风险控制指标 ;根据每个阶段控制步各监测控制点的变形规律,将最 终风险控制指标分配给每个阶段控制步,得到工程的阶段风险控制指标。以地铁公主坟站一西钓鱼台站区间双 洞盾构隧道穿越普惠桥工程为例进行仿真分析。结果表明:该工程的最终风险控制指标为中幅桥台竖向差异沉 降不大于 1 0 0 m m;边幅桥台竖向差异沉降不大于 5 0 m m;桥台水平位移均
3、不大于 5 1 m m; 边幅桥台的差异 变形越大,使得其各工况的内力相差较大;中幅及边幅桥台的变形随着隧道开挖面的接近及穿越南桥台逐渐增 加 ,随着隧道开挖面离开北桥台逐渐减小 ;中幅桥台的竖向阶段风险控制指标明显高于边幅桥台的竖向风险控 制指标 ,而二者水平向的阶段风险控制指标较为接近。 关键词:盾构隧道;桥梁结构 ; 风险控制;剩余承载力;结构内力;差异变形 中图分类号:U4 5 5 4 3 :U4 4 1 7 文献标识码:A d o i :1 0 3 9 6 9 j i s s r 1 0 0 1 4 6 3 2 2 0 1 4 0 3 0 8 随着城市轨道交通的快速发展 1 ,地铁盾
4、构隧 道不可避免地会穿越既有公路桥梁结构等。在盾构 隧道施工过程中,若土体变形较大,将可能导致既 有桥梁结构产生附加内力和变形,使得桥梁结构开 裂、倾斜 ,为桥梁的安全和正常使用埋下隐患 2 。 因此 ,如何确定地铁盾构隧道穿越既有桥梁结构时 的风险控制指标,成为盾构隧道施工过程中需要解 决 的技术 问题之一。 既有的公路混凝土桥梁在正常使用过程中,由 于汽车荷载、风吹日晒等因素的影响,其结构构件 不可避免地会出现裂缝、碳化、钢筋锈蚀等损伤, 使得桥梁的承载能力随着使用年限的增加而逐渐削 弱 。因此 ,本文基于桥梁承载能力参数的评定 ,采 用有限元法计算地铁盾构隧道穿越既有公路混凝土 桥梁结构
5、时桥梁结构的剩余承载力和结构内力,在 此基础上,确定盾构隧道施工工程的最终风险控制 指标和阶段风险控制指标,从而提高盾构隧道施工 的安全性和可控性。 1 桥梁承载能力计算参数的评定 目前对既有公路桥梁承载能力的评定采用 公 路桥梁承载能力检测评定规程 6 。该规程通过对 构件材质强度、混凝土碳化深度、钢筋保护层厚度 等的检测,给出各检测参数的评定标度。并考虑评 定期内桥梁结构进一步的衰退和恶化,给出如下桥 梁承载能力极限状态的评定公式。 r o S R( f d , &a d c , 袁a d s ) Z l ( 1 一&) ( 1 ) 式中:r o为结 构的重要性 系数;S为荷载效 应 函
6、数 ; R( )为抗力效应函数 ;厂 d 为材料的设计强度 ; &为构件截面折减系数;a d c 为构件的几何参数; 为钢筋截面折减系数; 为钢筋的几何参数;Z 为承载能力检算系数; &为承载能力恶化系数。 采用式 ( 1 )对桥梁承 载能力极 限状态进行评 收稿 日 期:2 0 1 3 0 7 2 0 ; 修订 日 期 :2 0 1 4 0 1 1 0 基金项目:国家自然科学基金资助项 目 ( 5 0 7 7 8 0 1 2 ) ;北京市轨道交通建设管理有限公司科研试验项 目 ( 地铁十 ( 二)线科技字第 2 0 1 3 A1 7 3号 ) 作者简介:张海彦 ( 1 9 8 2 一) ,男
7、,陕西榆林人,博士研究生。 4 8 中国铁道科学 第 3 5卷 定时,首先需要根 据桥梁结构的检测结果对参数 ,Z1 和 &进行评定 。 1 1 构件截面折减系数 的评定 对混凝土桥 梁,由于材料风化 、混凝土碳化 、 物理及化学损伤而引起构件的有效截面损失,导致 构件截面抗力的降低。因此,首先选取构件的材料 风化 、混凝土碳化和物理及化学损伤等 3 个指标进 行检测并评定其标度,然后由式 ( 2 )计算出构件 截面综合评定标度R,再按照表 1 确定构件截面折 减系数 。 R一R ( 2 ) 式中:R 为影响 。 的第 i 项检测指标的评定标度, 按照文献 6 中表 7 7 5 1 、表 7
8、7 5 2 、表 5 7 3 的规定确定;为第 i 项检测指标的权重, 3个指标的权重分别取 0 1 0 ,0 3 5 ,0 5 5 。 表 1 构件截面折减系数 & 构件截面综合评定标度 R &的取值 1 R2 2 R 3 3 R 4 4 R5 ( 0 9 8 1 o o ( O 9 3 。0 9 8 ( O 8 5 ,0 9 3 0 8 5 1 2 钢筋截面折减 系数 的评定 在混凝土桥梁 中,由于钢筋锈蚀而造成钢筋有 效面积损失,使得构件抗力效应降低。因此,首先 检测钢筋锈蚀的程度 ,然后评定其标度 ,再 由表 2 确定钢筋截面折减系数 。混凝土构件配筋率的折 减系数也采用该系数。 表
9、2 钢筋截面折减系数 性状描述 评定标度 的取值 1 3 承载能力检算系数 Z 1 及承载能力恶化系数 & 的评定 承载能力检算系数用于描述混凝土桥梁现有的 承载能力 。首先选取构件缺损状况、混凝土材质强 度和结构 自振频率这 3个指标进行检测,并评定其 标度,然后由式 ( 3 )计算出承载能力综合评定标 度 D,再按照表 3 确定构件不同受力状态时的承载 能力检算系数 Z 。 3 D一D J 口 ( 3 ) j =l 式中:D , 为影响z 的第 项检测指标的评定标 度 ,按 照 文 献 6 中 4 2 2条、表 5 3 5 、表 5 9 2的规定确定 ;a 为第 项检测指标 的权 重 ,
10、3 个指标的权重分别取 0 4 0 ,0 3 0 ,0 3 0 。 表 3 承载能力检算系数 承载能力恶化系数反映桥梁现状对结构抗力效 应造成的影响。首先选取构件缺损状况、钢筋锈蚀 电位、混凝土电阻率、混凝土碳化状况、钢筋保护 层厚度 、构件氯离子含量 、混凝土强度等 7 个指标 进行检测,并评定其标度,然后由式 ( 4 )计算出 构件的承载能力恶化综合评定标度 E;再按照表 4 确定不同环境条件时承载能力恶化系数 。 E 一 Ea ( 4 ) 式中 :E 为影响 的第 卵项检测指标 的评定标度 , 按照文献 6 中4 5 章的规定确定;a 为第 项 检测指标的权重,7个指标的权重分别取 0
11、3 2 , 0 11 , 0 05, 0 2 0, 0 1 2, 0 1 5, 0 0 5。 表 4 承载 能力恶化 系数 器 2 风险控制指标确定方法 选取盾构隧道施工导致的既有桥梁结构差异变 形值,作为盾构隧道施工过程中的风险控制指标, 第 3 期 盾构隧道穿越既有混凝土桥梁结构的风险控制指标 4 9 并将其分为最终风险控制指标和阶段风险控制指 标。最终风险控制指标用于确保盾构隧道穿越后桥 梁结构的安全使用 ,阶段风险控制指标用于确保盾 构隧道穿越过程中盾构的顺利掘进 。 确定最终风险控制指标的步骤:第 1 步,依据 桥梁的原设计方案 ,建立桥梁结构有限元模型以及 土层、桥梁和隧道的整体有
12、限元模型, 施加荷载取 桥梁结构承载力极限状态下的组合荷载,将由此计 算出的桥梁结构内力再乘以Z ( 1 一&) 进行折减, 得到桥梁结构的剩余承载能力;第 2 步,在桥梁原 设计方案的基础上考虑构件和钢筋截面折减 系数 , 再建立桥梁结构有限元模型以及土层 、桥梁和隧道 的整体有限元模型,施加荷载取桥梁结构正常使用 极限状态下的组合荷载,并选取不同的桥梁结构差 异变形值作为不同的工况 ,计算不同工况时的桥梁 结构内力 。第 3步 ,将不同工况时的桥梁结构内力 与桥梁结构剩余承载能力进行比较,选取桥梁结构 内力不大于桥梁结构剩余承载能力时的桥梁结构差 异变形值,将其作为最终风险控制指标。 确定
13、阶段风险控制指标的步骤 :第 1步 ,确定 盾构隧道施工对桥梁基础周围土体的扰动范围,将 这一范围内的隧道开挖施工步作为阶段控制步;第 2 步,选择桥梁基础、墩台或桥台等作为监测控制 点,进行三维有限元数值计算和分析,得出每个阶 段控制步施工后各监测控制点的水平和竖 向变形变 化规律,按照该规律将最终风险控制指标分配给每 阶段控制步,根据具体施工情况将 1 个或者几个阶 段控制步合并为 1 个阶段,由此得到阶段风险控制 指标 。 3 工程案例分析 以地铁 1 O号线 2期工程公主坟站一西钓鱼 台 站区间双洞盾构隧道穿越既有普惠公路桥工程为例 进行分析。 3 1 工程概况 3 1 1 桥 梁概
14、况 普惠桥建于 1 9 9 4 年,位于北京西三环道路与 玉渊潭南路交汇处,桥梁纵轴线与玉渊潭南路中心 线的夹角为 6 8 5 。 ,为单跨简支预应力桥,桥宽 6 8 m。上部结构:1 7 m简支预应力空心板,空心板 高 8 0 0 IT I1T I ,上施做 8 0 m m钢筋混凝土铺装层,其 上设防水层及沥青混凝土桥面。下部结构:南 、北 向重力 式桥 台,桥 台分为 3幅,各 幅桥 台间设有 1 5 r f l r fl宽的沉降缝 。中幅桥 台长 3 5 m,基础为扩 大基础 ;边幅桥 台共有 4个 ,长 1 6 2 5 m,其中西 北角下为扩大基础,其余为桩基础。设计荷载为汽 超2 O
15、 级 ,挂一1 2 O级。 3 1 2 普 惠桥与地铁 1 O号线的位置关系 地铁 1 0号线 2期工程公主坟站一西钓鱼 台站 区间双洞 盾构 隧道 在左线 K4 9 +9 O K4 9 +1 1 0 、 右线 K 4 9 +8 5 一K 4 9 +l O 5 里程段从普惠桥梁中幅 桥正下方通过 ,隧道 中线与桥梁 中线平行 ,隧道顶 至普惠桥基础底 的间距为 8 8 m,左线隧道与桥桩 最近距离为 8 8 m,右线隧道与桥桩最近距离为 9 4 m。隧道与桥梁结构位置关 系如 图 1所示 。 图 1 隧道与桥梁位置关系示意图 ( 单位:mm) 3 1 3工程 地 质及 水文地 质 由 北京地铁
16、 1 0号线 2期工程公主坟站一西 钓鱼 台站区间岩土工程勘察报告 可知,普惠桥位 置处 的岩土分层及地基土的物理力学参数见表 5 。 根据勘察资料,隧道线路下面虽然有 1 层潜水, 但 该层地下水位于隧道结构底板以下, 所以计算时不 考虑地下水对施工的影响。 3 2 桥梁剩余承载力计算参数的确定 依据 北京地铁 1 O号线 2期工程工前普惠桥 现状检测与评估报告 ,采用上文给出的桥梁承载 能力计算参数评定方法,确定的构件截面折减系数 &、钢筋截面折减系数 、承载能力检算系数 Z 1 和 表 5 各土层的物理力学参数 5 O 中国铁道科学 第 3 5卷 表 7 钢筋截面折减系数 表 8 承载能
17、力检算系数 表 9 承载能力恶化系数 3 3 数值模拟参数的确定 3 3 1 桥梁结构的物理力学参数及荷载参数 普惠桥上部结构的简支空心板的混凝土标号为 C 4 0 ,下部结构的重力式桥台、灌注桩混凝土标号 为 C 2 0 ,重力式桥台的身后为填土 ,支座采用板式 橡胶支座。桥梁各结构的物理力学参数见表 1 0 。 普惠桥为公路 级,在承载能力极限状态、正常使 用极限状态时的桥梁 自重分项系数分别取 1 2和 1 0 。桥面活荷载按照 公路桥涵设计规范 _ 7 选 取,其取值见表 l 1 。 表 1 O 桥梁结构的物理力学参数 表 1 1 桥面活荷载 荷载组合方式 3 3 2桥 台土压 力 桥
18、台两边为填土 ,坡度为 1: 2 。桥 台主动土 压力标准值 P按式 ( 5 )计算。 P 一 丢 H ( H + 2 ) ( 5 ) 式中:B为桥台宽度,m;y为填土的重力密度, k N m ; 为挡墙土压力计算系数;H 为土层 高度,m;h为汽车荷载的等代均布土层厚度与桥 台上覆土层厚度之和,m。 取 B一1 m ( 按单位宽度取值 ) ,y = = 1 7 2 k N m_ 。 , 一 1 O 5 , H 一 4 4 7 m , h一 2 5 3 m , 由式 ( 5 )可计算得桥台墙背的单位宽度上的土压 力标准值为 3 8 4 7 k N。将该值折算为桥台墙背的 均布荷载标准值为 7
19、5 k P a 。因此,在承载能力极 限状态组合下,桥台墙背的均布荷载设计值为均布 荷载标准值乘以 1 2的分项系数,即为 9 0 k P a ; 在正常使用极限状态组合下 ,桥台墙背的均布荷载 设计值为均布荷载标准值乘以 1 0 的分项系数,即 为 7 5 k P a 。 3 3 3 隧道衬砌及 隧道施工参数 鉴于盾构施工的特点,将盾尾空隙的大小、注 浆填充程度、衬砌外侧土体受扰动的范围等一些与 施工密切但又不易量化的变量概化为均质、等厚、 弹塑性的等代层,且等代层厚度按下式选取。 = = = 7 ( 6 ) 5 2 中国铁道科学 第 3 5 卷 式 ( 7 )计算 。 L = = : L(
20、 T r 一 T m n ) ( 7 ) 式中: L 为板体温差造成的伸缩长度,m;T 衄 和 分别为北京地区全年的最高、最低温度 ( 。 ) ;L为板体的长度,m; 卢 为板体的伸缩系数。 取 T 蚰 一3 5 。 , n in 一5 。 ,L一1 7 m,口 一1 0 1 0 ,由式 ( 7 )计算可得桥梁板体 的伸缩量为 Lt 一 5 1 1 T U T I 。 由以上分析可知,取中幅桥台南北差异沉降为 1 0 r n r n ,边幅桥台南北差异沉降为 1 0 ,9 ,8 ,7 , 6 ,5 m lT l ,桥台南北水平位移为 5 1 1T lr n ,由此组 成桥梁结构差异变形值对应的
21、计算工况,见表 1 3 。 表 l 3 计算工况 3 5 2 计 算 结果分析 1 )桥台剩余承载力的计算 根据第 2 节确定最终风险控制指标方法的第 1 步, 计算桥台的剩余承载力,其中桥台台身底截面 z向的弯矩最大,桥台台身 Y向的压应力最大 ,桥 台台身 向、 向的拉应力最大,桥承台和桩接触 面的Y向的局部承压应力最大,选取各最大值作 为桥台的剩余承载力,见表 1 4 。 5 o 0 嘉 4,。00 墩 2 0 0 舯 l o o O 0 4 0 O 3 0 2 0 0 1 0 0 -0 1 O :、 、 、 、 、 、 卜 _中幅桥台弯矩差值 一 艏 2 3 4 工 况 ( a ) 弯
22、矩差值 一 2 d 5 - - 表 1 4 桥台剩余承载力计算值 注 :因为 中幅桥台下没有桩,所 以其没有局部承压应力。 2 )桥台内力的计算 根据第 2节确定最终风险控制指标方法 的第 2 步,计算桥台的结构内力,其中弯矩、拉和压应力 及局部承压应力的选取方法同上。各工况的桥台内 力值见表 1 5 。 3 )最终控制指标的确定 根据第 2节确定最终风险控制指标方法的第 3 步,将表 1 6中各工况的内力值分别与表 1 5 的剩余 承载力相减,其差值如图 5 所示。 表 1 5 不同工况下的桥台内力值 2 0 1 5 1 0 一 1 0 1 5 - 2 O 工况 ( b ) 压应力差值 边幅
23、? 局部承压 力差值 2 34 工 ( c ) 拉应力差值 ( d ) 局部承压压应力差值 图 5 桥台工况计算内力差值与剩余承载力差值图 5 O 5 0 5 0 5 0 5 O 5 如: 3 加 o 鲁制 通西 第 3期 盾构隧道穿越既有混凝土桥梁结构的风险控制指标 5 3 由图 5可得如下结论 。 ( 1 )对于中幅桥 台:在工况 1 、工况 2和工况 3时,弯矩和压应力均高于剩余 承载力 ,拉应力小 于剩余承载力 ;在工况 4和工况 6时 ,内力均小于 或接近剩余承载力。因此,对于中幅桥台,可选取 工况 4 ,工况 5和工况 6 时的差异变形值作为最终 风险控制指标 。 ( 2 )对于边
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