隧道下穿桥梁洞内桩基托换及变形控制研究.pdf
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1、文章编号-0009-06NO.7(Ser.298)JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYJul2023报程道学铁2023年7 月第7 期(总2 9 8)隧道下穿桥梁洞内桩基托换及变形控制研究米米黄生根刘佳旺田卫东(中国地质大学(武汉),武武汉 4 3 0 0 7 4)摘要:研究目的:隧道洞内桩基托换技术比常规桩基托换受力情况更复杂,施工控制难度更大,而目前施工过程中桩基的受力及位移响应规律缺乏研究。本文结合武汉地铁5号线下穿桥梁洞内桩基托换工程监测数据,通过建立三维数值仿真模型,对整个洞内桩基托换过程中桩基的沉降变化情况及其规律、摩阻力的分布及变化规律进行分析。研
2、究结论:(1)洞内桩基托换过程中桩基的沉降及桩侧摩阻力的变化与地层扰动的程度及二衬结构的施工密切相关,隧道开挖至桩基正下方时桩的沉降发展最快,并在桩身下部出现负摩阻力;随着二衬结构的施工,桩的沉降趋于稳定,侧摩阻力沿桩身分布与初始状态相似;(2)卸荷开挖影响范围为开挖面前后3 倍洞径,先行隧道施工后地表沉降曲线呈现为“V”形,随着后行隧道的施工沉降槽曲线形状呈现为不规则“U”形;(3 加厚注浆加固圈能有效改善对桩周土的扰动,控制桩基沉降;减小开挖步距也能减少对桩周土体的扰动,改善托换过程中桩基受力状态;限制桥面交通来减少桩顶荷载的措施,在本工程中发挥作用有限;桩底预留泥岩柱在有超前支护工况下发
3、挥作用很小,只有在无超前支护工况下,由于开挖方案对桩周土扰动较大,岩柱才会发挥较大作用,但在施工过程中考虑一些不可预见因素的影响,桩底预留岩柱还是很有必要的;(4)本研究成果可为研究洞内桩基托换过程中隧道、桩和地层的相互作用规律提供借鉴,并为实际工程应用提供参考。关键词:洞内桩基托换;数值模拟;桩顶沉降;变形控制中图分类号:TU91文献标识码:AResearch on the Underpinning and Deformation Control of Pile Foundation inTunnel under BridgeHUANG Shenggen,LIU Jiawang,TIAN W
4、eidong(China University of Geosciences,Wuhan,Hubei 430074,China)Abstract:Research purposes:Pile underpinning in tunnel is more complicated than conventional pile underpinning,and construction control is more difficult.However,there is a lack of research on the stress and displacement responselaw of
5、pile foundation during construction.In this paper,based on the monitoring data of pile foundation underpinning inthe tunnel of Wuhan Metro Line 5,a three-dimensional numerical model is established to analyze the variation law ofpile settlement and the distribution law of friction resistance.Research
6、 conclusions:(1)The settlement and lateral friction of pile foundation are closely related to the degree ofstratum disturbance and the construction of secondary lining.When the tunnel is excavated to the bottom of the pilefoundation,the settlement of the pile foundation develops fastest,and negative
7、 friction resistance appears at the bottomof the pile foundation.With the construction of the second lining,the settlement of the pile tends to be stable,and thedistribution of lateral friction resistance of the pile foundation is similar to the initial state.(2)The impact area of收稿日期:2 0 2 2-0 5-1
8、8米米价作者简介:黄生根,1 9 6 7 年出生,男,教授2023年7 月报程学道铁10unloading excavation is 3 times the diameter of the hole before and after excavation.After the construction of the firsttunnel,the surface setlement curve is V shaped,and with the construction of the second tunnel,the shape of thesettlement trough is irreg
9、ularly U shaped.(3)Thickening the grouting ring can effectively reduce the disturbance tothe soil around the pile and control the settlement of the pile foundation;Reducing the excavation step distance canreduce the disturbance to the soil around the pile and improve the stress state of pile foundat
10、ion in the underpinningprocess;The measures to limit the traffic on the bridge deck to reduce the pile load play a limited role in this project;The reserved mudstone pillar at the bottom of pile plays a small role under the condition of advance support,but onlyunder the condition of no advance suppo
11、rt,the rock pillar will play a large role.However,considering the influence ofsome unforeseeable factors in the construction process,it is necessary to reserve rock pillar at the bottom of pile.(4)The research conclusion can provide reference for studying the interaction law of tunnel,pile and strat
12、um during theprocess of pile underpinning in tunnel.Key words:pile foundation underpinning in tunnel;numerical simulation;pile top settlement;deformation control1研究背景近年来工程建设步入地下空间时代,构筑物的桩基础与地铁隧道在空间上交叉愈发严重。由于先期城市布局等因素,更改地铁线路不切实际,只能采取桩基托换技术。常规桩基托换一般采用地面梁式托换体系 1-3 ,但地铁沿线很多地方不具备大面积开挖条件,因此进行隧道洞内桩基托换成为一种选
13、择。该技术在施工过程中仅截断隧洞界限内桩体,通过植筋方法将托换桩与承托结构连为整体,根据托换桩轴力大小选择隧道二衬结构或额外洞内拱式结构承托桩基。隧道洞内桩基托换虽具有不干扰城市运行等优点,但它比常规的桩基托换工程受力情况更复杂,施工控制难度更大,因此有必要对其加固机理、施工过程中桩基的受力、位移响应规律进行研究,从而提出针对性的变形控制措施目前有关洞内桩基托换技术的研究成果主要为对施工工法的介绍 4.5】,另外部分学者通过模型试验、数值仿真等方法对隧道土层桩基的相互作用进行了研究 6-8 ,但对于桩基托换中过程桩的受力及位移响应尚缺少研究,相应的变形控制措施的研究成果更罕见。本文依托武汉地铁
14、5号线下穿桥梁洞内桩基托换工程,采用数值模拟与现场实测数据相结合的方式,对施工过程引发的地层变形、桩基的受力和位移响应特性及变形控制措施进行研究2工程概况武汉地铁5号线彭刘杨路站一司门口站区间隧道下穿、侧穿大片构筑物,半山桥为武汉长江大桥的匝道引桥,隧道下穿半山桥区段采用CRD工法暗挖,正下穿半山桥7 号及9 号桥桩,最大侵人隧道内部距离达到5m。半山桥桩基为桩径1 m钻孔桩,桩长2 0 22.5m,桩底入中风化泥岩3.6 7.6 m。托换段区间隧道主要穿越强风化泥岩、中风化泥岩,如图1 所示。综合考虑工程技术、社会影响等因素,决定采用洞内桩基托换、截桩后盾构空推过桥的方案。Jz02II 1
15、5-1 4 335.41(1-2)素填土32.41(3.00)(1 3-1)残积黏性土26.11(9.30)(20c-1)强风化泥岩14.41(21.00)(2 0 c-2)中风化泥岩图1地质横剖面示意图(单位:m)3隧道下穿桥桩方案穿越桥桩段隧道断面直径为9 m,采用CRD工法开挖。施工步骤如下:步骤1:施作超前支护,台阶法开挖1 号洞室。掏除1/4 面积桩槽,架设初支钢格栅,并保留桩底泥岩。对桩底泥岩采用1 0 mm厚钢套环保护,并用水泥净浆填充钢套环与被托换桩之间的空隙。钢套环分段焊接,每段高度为1 m,由两个半环对接焊接而成。依次完成2、3、4 号洞室的开挖。步骤2:施作二衬,对桩进行
16、钻孔,二衬钢筋直接穿过桩基,二衬在岩柱区域预留孔洞,预留接驳器,在黄生根田卫东:隧道下穿桥梁洞内桩基托换及变形控制研究刘佳旺第7 期11岩柱四周架设临时型钢支撑。步骤3:待二衬达到设计强度后割除隧道范围内桩基,并完成二衬封闭成环,拆除临时钢支撑完成桩基拖换。4数值仿真模型的建立综合考虑边界效应与计算成本,模型长度取1 50 m,宽度取7 0 m,厚度取6 0 m。土层采用土体硬化弹塑性本构模型,超前支护采用实体单元土体参数的空间重置模拟,钢拱架加喷射混凝土初支结构采用板单元模拟,初支与土体添加接触面,隧道二衬采用实体单元模拟,桩底支撑预留泥岩柱采用梁单元模拟,桩基础采用桩单元模拟,桩基上部结构
17、采用点荷载施加,如图2所示。需截断桩预留泥岩图2数值模型建模图结合地勘资料和室内土工试验结果,确定土层参数如表1 所示,构筑物参数如表2 所示。表1模型土体物理力学性质参数土层/(kN:m-3)Eso/(kN m-2)Eed/(kN:m-2)Eu/(kN m-2)c/(kN:m2)/()填土20.27 0007 00021E3812黏性土20.220E320E360E33016强风化泥岩2460E360E3180E38028中风化泥岩2480E380E3240E39032注浆加固圈28100E3100E3300E316030表2模型构筑物物理力学性质参数材料名称E/GPa/(kN m-33桩2
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