盾构掘进速度对既有桩体切削变形规律的研究.pdf
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1、第39卷 第3期2023年 6月Vol.39 No.3Jun.2023交通科学与工程JOURNAL OF TRANSPORT SCIENCE AND ENGINEERINGDOI:10.16544/43-1494/u.20230425001文章编号:1674-599X(2023)03-0074-10引用格式:周建光,朱新胜,张鹏,等.盾构掘进速度对既有桩体切削变形规律研究 J.交通科学与工程,2023,39(3):74-83.Citation:ZHOU Jianguang,ZHU Xinsheng,ZHANG Peng,et al.Research on the influence of sh
2、ield tunneling speed on the deformation of shield cutting pile foundation J.J.Transp.Sci.Eng.,2023,39(3):74-83.盾构掘进速度对既有桩体切削变形规律的研究周建光1,朱新胜2,张鹏2,方忠强3(1.苏州交投规划设计建设管理有限公司,江苏 苏州 215000;2.南京智慧岩土工程技术研究院,江苏 南京 211816;3.华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210014)摘要:盾构隧道施工在其推进过程中不可避免地要穿越地下桩,这是当前盾构隧道施工中的难点问题之一。为保证在隧道工程中盾构机切削
3、地下桩基的施工安全和掘进效率,探究不同掘进参数下桩体的变形规律,采用PFC3D颗粒流软件,模拟在不同掘进速度下盾构切削桩基的施工过程,分析和研究在不同掘进参数下桩体沿盾构掘进方向、垂直盾构掘进方向的桩体变形和桩顶竖向沉降的变化规律。并依托江苏省苏州市桐泾路北延隧道工程进行实证分析。研究结果表明:桩体的变形主要发生在桩体与盾构机上部相交的交点至该点往上的11倍桩径范围内。当盾构机推进速度不超过15 mm/min,刀盘转速不超过2.0 r/min 时,桩体沿垂直盾构掘进方向的变形大于沿盾构掘进方向的变形;反之,当盾构机推进速度超过15 mm/min,刀盘转速超过2.0 r/min 时,桩体沿垂直盾
4、构掘进方向的变形小于沿盾构掘进方向的变形。因此,当盾构机分别切削桩长为20、40 m的桩底,或者切削桩长为40 m的桩身时,其推进速度不应超过10 mm/min,刀盘转速应不应超过1.0 r/min;当盾构机切削桩长为20 m桩身时,应控制其推进速度为15 mm/min,刀盘转速为0.51.0 r/min。关键词:PFC颗粒流;盾构施工;切削桩基;掘进参数;桩体变形中图分类号:U45文献标志码:AResearch on the influence of shield tunneling speed on the deformation of shield cutting pile founda
5、tionZHOU Jianguang1,ZHU Xinsheng2,ZHANG Peng2,FANG Zhongqiang3(1.Suzhou Transport Investment Planning Design and Management Co.,Ltd.,Suzhou 215000,China;2.Institution of Nanjing Intelligent Geotechnical Engineering,Nanjing 211816,China;3.China Design Group Co.,Ltd.,Nanjing 210014,China)Abstract:Duri
6、ng the construction of shield tunnels,it is inevitable to cross underground piles,which is one of the difficulties in current shield tunnel construction.In order to ensure the safety and excavation efficiency of shield tunnel construction when cutting through underground piles,this study explores th
7、e deformation characteristics of shield cutting piles under different excavation parameters.PFC3D software is used to simulate the construction process of shield cutting piles at different excavation speeds,and the deformation characteristics of the piles along the shield excavation direction,the ve
8、rtical shield excavation direction,and the vertical settlement of the pile top are analyzed and studied under different excavation parameters.Taking the Tongjing Road North Extension Tunnel Project in Suzhou City,Jiangsu Province as an example,an analysis and study are conducted.The research results
9、 show that the deformation of the piles mainly occurs within 11 times the diameter of the shield cutting pile.When the advancement speed does not exceed 15 mm/min and the cutterhead rotation 收稿日期:2023-04-25作者简介:周建光(1971),男,苏州交投规划设计建设管理有限公司高级工程师。周建光,等:盾构掘进速度对既有桩体切削变形规律的研究第3期speed does not exceed 2.0
10、r/min,the deformation along the vertical excavation direction is greater than the deformation along the excavation direction.Conversely,the deformation along the vertical excavation direction is smaller than the deformation along the excavation direction.Therefore,when the shield cutting pile has a
11、length of 20 or 40 meters at the pile bottom,or a cutting pile length of 40 meters at the pile body,the advancement speed should not exceed 10 mm/min,and the cutterhead rotation speed should not exceed 1.0 r/min.When the shield cutting pile has a length of 20 meters at the pile body,the advancement
12、speed should be controlled within the range of 1-5 mm/min,and the cutterhead rotation speed should be controlled within the range of 0.5-1.0 r/min.Key words:PFC particle flow;shield;cutting the pile foundation;tunnelling parameters;pile deformation 盾构隧道施工在其推进过程中会频繁地遇到穿越地下桩基础的情况。这种情况不仅会严重影响掘进速度和施工安全,
13、还可能会对上部结构或者建筑物造成破坏。这是当前盾构隧道施工中的难点问题1-3之一。如何既保证盾构切割桩基施工安全,又提高掘进效率是目前相关研究的热点之一。在盾构隧道施工过程中,调整掘进参数不仅是控制桩体变形的主要手段,工程的施工进度也会直接受其影响。唐仁等4以广州市某盾构下穿住宅楼工程为背景,结合理论计算、有限元分析、实测数据,研究了盾构隧道施工直接切桩,通过住宅楼后剩余基桩的沉降及承载力计算问题。张厚美等5-7通过理论分析和现场试验,系统地研究了在盾构切削混凝土桩基过程中,掘进参数的变化和影响。张磊8研究了桩基在水平荷载下的受力情况及计算方法。JENCK等 9-11 学者针对盾构施工的不同工
14、况,分析了盾构掘进参数对地表和周边建筑物变形的影响。此外,许多学者从数值计算的角度探究了盾构切削桩基对周边环境的影响。王禹椋等12-14运用PFC3D颗粒流软件,对盾构切割玻璃纤维增强塑料(glass-fiber reinforced plastic,GFRP)围护桩的施工掘进过程进行了研究。韩旭等15联合采用FLAC3D颗粒流软件和PFC3D有限差分软件,分析了盾构切削GFRP筋混凝土围护桩的施工全过程及不同切桩参数对施工的影响。傅金阳等16基于离散元-有限差分多尺度耦合分析方法,模拟了盾构掘进的动态过程,提出了一种土压平衡的盾构开挖面稳定性评价方法。赵宏华等17-18采用三维有限元数值计算
15、模型,研究了盾构施工对不同直径的单桩、侧边群桩变形的影响。张恒19运用PFC3D有限差分软件模拟了盾构隧道开挖的全过程,对施工产生的地表沉降及桥梁桩基的侧向变形进行了分析和预测。在针对盾构直接切桩过程中,对桩体变形、受力分析的研究较为鲜见。针对在不同掘进参数下,当盾构切削桩基时,桩体的三维变形规律也有待进一步研究。本研究依托苏州市桐泾路北延隧道工程,采用PFC3D颗粒流软件,建立盾构切割混凝土方桩的三维数值模型,模拟和研究在不同掘进参数(刀盘转速、推进速度)下,当盾构机切削桩基时,桩体沿盾构掘进方向、垂直盾构掘进方向的变形和桩顶竖向沉降的变化规律。1工程概况苏州市桐泾路北延隧道是苏州市构建的中
16、心城区“七纵五横”路网框架中的主干路之一。该项目起于西塘河南岸,向南依次下穿清塘路、山塘河、沪宁城际铁路高架等,止于西园路与桐泾北路的交叉口。该主干路全长为 2.1 km,隧道长为 1.6 km。按照城市主干路标准对其进行设计,其设计速度为60 km/h。在该项目的隧道施工中,盾构穿越的地层主要为:粉砂、粉质黏土、黏土。该隧道上部主要为粉砂和粉土地层,透水性较大。地下水的主要类型为第四系孔隙潜水、微承压水、承压水,地下水位较高。在桐泾路穿越北环快速路至盾构接收井之间的路面建筑为一废旧停车场,该停车场在20世纪90年代曾是苏州净化设备厂用地。历史资料显示:该厂的9#、11#、13#、14#、18
17、#、49#、60#共7栋建筑与该盾75第39卷交通科学与工程构隧道平面交叉,如图1所示。这些楼栋的主要建筑结构为砖木、砖混结构,均采用钢筋混凝土方桩作为地基。这些方桩横断面大小为 35 cm35 cm,桩长为925 m,埋深为2.53.5 m,混凝土强度等级为 C30。据不完全统计,至少有 180根方桩侵入了盾构隧道。接收井北环快速路设备厂边界线9#11#13#60#18#14#49#图1建筑桩基分布平面图Fig.1Construction pile foundation distribution plan苏州市桐泾路北延隧道工程采用气压复合式泥水平衡盾构机进行施工。该盾构机长为87 m,总功
18、率为3 500 kW,额定扭矩为22 520 kNm,最大推力为191 313 kN,盾构机刀盘外径为13.67 m,管片外径为13.25 m,管片内径为12.05 m,分别采用C50、P12钢筋混凝土预制管片,其环宽为 2.00 m。刀具配置主要为:中心鱼尾刀1把,切刀92把,先行刀40把,超挖刀2把。盾构机的刀盘配置如图2所示。超挖刀添加剂注入口切刀先行刀鱼尾刀磨损检测图2盾构机刀盘配置Fig.2Cutter head configuration of shield machine2计算模型与参数2.1基本假定采用 PFC3D颗粒流软件,建立盾构施工切割混凝土方桩的三维模型。PFC3D颗粒
19、流软件适用于对岩体或胶结材料的非均质性、不连续、大变形的分析。为简化计算,对盾构施工切割混凝土方桩的三维颗粒流模型作出以下假设:桩基为均质的弹性体,暂不考虑桩基中钢筋的存在;桩基顶端受到固定约束,其余部分受到地层的弹性抗力约束;地层的土压力为静止土压力。在盾构掘进过程中,地层压力和土舱压力保持平衡;在盾构推进过程中,盾构机始终保持一定的推进速度,其刀盘与隧道内的桩基紧密接触。2.2参数选取通过单轴压缩试验,对苏州市桐泾路北延隧道实际工程中的混凝土方桩参数进行标定,结果分别见表1。表1宏观力学参数Table 1Macro mechanicl parameters密度/(kgm-3)2 450弹性
20、模量/GPa31.5抗压强度/MPa25.0抗拉强度/MPa2.5摩擦因数0.2采用 PFC3D颗粒流软件,建立单轴压缩颗粒流模型,对该盾构掘进过程进行拟合,探究细观参数对岩石材料宏观力学响应的影响规律,得到本次模拟试验的正向黏结强度、切向黏结强度等细观力学参数,见表2。表2细观力学参数Table 2Meso-mechanical parameters 正向黏结强度/(kNmm-1)1107切向黏结强度/(kNmm-1)1107正向与切向黏结强度之比1摩擦因数0.2方桩在地下的围压主要是由地层静止土压力造成的,其与天然地基土自重应力状态一致。静止土压力的计算公式为:=k0z (1)式中:为地层
21、某一深度的静止土压力;k0为静止土压力系数,取为0.5;为地层重度,取为19 kN/m3。2.3模型建立方桩模型与实际桩体的比例为1 1,方桩模型的横断面大小为35 cm35 cm。考虑计算的可行性与效率,将桩体颗粒半径设为2931 mm,颗粒密度设为2 450 kg/m3。因此,桩长为40 m桩体的颗粒总76周建光,等:盾构掘进速度对既有桩体切削变形规律的研究第3期数为35 490个。由于该项目所处的地层较软,盾构机的刀具以切刀为主,故只考虑切刀对桩基的影响。切刀模型与实际切刀比例为1 1。采用PFC3D颗粒流软件的wall create命令,创建6组切刀模型,共92把切刀,将切割混凝土方桩
22、的所有刀具布置成以同心圆方式排列的刀盘,该刀盘直径为13.67 m。因此,相同高度的切刀在切割混凝土方桩某个部位时的运动轨迹均为圆形。2.4桩体变形和受力监测通过PFC3D颗粒流软件的ball.disp命令,监测在隧道不同深度处桩体沿盾构掘进方向、垂直盾构掘进方向的变形和桩顶的竖向沉降。通过PFC3D颗粒流软件的 ball.force.contact 和 ball.moment.contact 命令,分别监测在隧道不同深度处桩体的受力情况和弯矩。桩体的变形和受力监测如图3所示。沿掘进方向垂直掘进方向v推进速度切刀运动轨迹刀盘转速监测点zyx图3桩体变形和受力监测示意图Fig.3Schemati
23、c diagram of pile foundation deformation and stress monitoring3模拟结果分析3.1计算方案设每个刀片绕y轴旋转的速度为,每个刀片沿y轴正方向的推进速度为v。由于盾构机推挤桩体可能使桩体产生横向位移,故将刀片贯入深度设为50 cm,该贯入深度略大于桩体宽度。根据贯入深度和掘进速度的比值确定模型的计算时间。目前,盾构掘进的最快速度约为 90 mm/min。为探讨不同掘进速度对既有桩体变形的影响,本研究分别设定 1、5、10、15、20、30、50、100 mm/min共8种推进速度。盾构机的刀盘转速与推进速度通常呈正比关系20-22。因
24、此,对应这8种推进速度设计了8种刀盘转速。数值试验的盾构推进速度和对应的刀盘转速见表3。表3盾构切割桩基的工况Table 3Working conditions of shield cutting pile foundation工况12345678推进速度/(mmmin-1)151015203050100刀盘转速/(rmin-1)0.51.01.52.02.53.03.54.0考虑到盾构机对方桩的不同切削方式,该试验在两种模式下进行:1)对桩基底端的切削(模型1)。盾构机分别切割桩长(桩身在土层和岩层里的总长度)为20、40 m的桩基的底端,该模型如图4(a)所示。在图4(a)中,桩基底端在盾
25、构机的底端范围内,L1是桩基与盾构机的上部交点,L3是桩基的底部端点。2)对桩身的切削(模型2)。盾构机分别切割桩长为20、40 m的桩身,该模型如图4(b)所示。在图4(b)中,桩基底端伸入盾构底端以下,L1是桩基与盾构机的上部交点,L2是桩基与盾构机的下部交点,L3是桩基的底部端点。L1桩基盾构机40 m20 mL3桩基盾构机L1L3(a)模型1:盾构机切割桩底77第39卷交通科学与工程盾构机L240 m20 m盾构机桩基桩基L1L3L1L2L3(b)模型2:盾构机切割桩身图4盾构机切削桩基的两种模式Fig.4Two modes of shield cutting pile foundat
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