地鐵隧道穿越既有橋梁樁基的設(shè)計與數(shù)值計算研究

1、<p>　　地鐵隧道穿越既有橋梁樁基的設(shè)計與數(shù)值計算研究</p><p>　　[摘 要]當(dāng)今在設(shè)計地鐵隧道使其穿越集郵橋梁樁基時往往會面臨很多問題，首先要該工程的結(jié)構(gòu)強度足夠保證橋梁的牢固可靠，其次又要確定地鐵隧道本身具有足夠的強度來確保地鐵列車的安全。該工程主要包括兩方面，既要選擇合適的地理條件作為地鐵隧道，又要考慮到實際的橋梁結(jié)構(gòu)、承受上部載荷的能力和施工過程中的各項突發(fā)原因等。本文對這種穿越橋梁樁

2、基的地鐵隧道進(jìn)行了設(shè)計，我們將采用設(shè)計并在軟件系統(tǒng)中模擬運行的方法，去研究地鐵隧道在穿越過橋梁樁基之后所受載荷的情況和變形是否在承受范圍之內(nèi)。并進(jìn)而針對該項工程提出新的研究方向。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]隧道；橋梁；承載；模擬；控制分析 </p><p>　　中圖分類號：F426.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）44-0313-01 </p>

3、;<p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　隨著城市化近程的發(fā)展，城市交通行業(yè)的發(fā)展，尤其是道路工程目前的形式可以說是蒸蒸日上。城市中也出現(xiàn)越來越多的地鐵隧道，其中不乏有一些穿越橋梁樁基的地鐵隧道。然而，已經(jīng)有的橋梁樁基與新建的地鐵隧道并不是沒有交集，相反，二者之間存在著錯綜復(fù)雜的關(guān)系，目前國內(nèi)鉆地鐵隧道的方法往往為盾構(gòu)法，本文將以西北地區(qū)以陜西省為核心的典型

4、帶及其周邊地區(qū)為例研究當(dāng)?shù)氐罔F隧道與既有橋梁樁基的關(guān)系，并設(shè)計一些方案來保護(hù)橋梁樁基，為該工程提供一些有價值的建議。 </p><p><b>　　1 工程概況 </b></p><p>　　陜西省位于中國的西北地區(qū)，居住人口居多。陜西根據(jù)其地質(zhì)情況可以分為四個大部分。即黃土高原、沙漠高原、段陷盆地和秦巴盆地。其巖石組成主要為濕陷性土層，砂土層，亞粘土和沙礫層。除了獨

5、特的地質(zhì)條件以外，陜北地區(qū)處于特殊的黃土層中，黃土的主要成分是粉土，粉土的含量超過了百分之五十。同時，黃土中包含了多達(dá)六十多種礦物成分，包括中礦物、輕礦物和膠體礦物，在施工時這些都將予以考慮。 </p><p><b>　　2 設(shè)計方案 </b></p><p>　　由于地鐵隧道和橋梁樁基以及地質(zhì)的特殊情況，應(yīng)該保證地鐵的兩側(cè)外部輪廓，也就是兩側(cè)邊緣的線應(yīng)該不小于8米

6、。因此，具體設(shè)計如下：兩側(cè)外部輪廓之間的線設(shè)計為9到15米，兩側(cè)外輪廓與各個樁基之間的差距定于3.0到5.0米。地鐵隧道的方法不作改變，依舊選擇傳統(tǒng)的盾構(gòu)法對地鐵隧道進(jìn)行施工，左邊在前，右側(cè)在后。 </p><p>　　換樁方式設(shè)計的方面，在傳統(tǒng)上，我們常用圍繞橋樁去打新的橋樁的方式去保證原有橋樁的強度與結(jié)構(gòu)，這種古老的方式具有著清晰的目的，即讓新打的橋樁去代替舊的橋樁去承受上部的載荷，保證橋的安全。但是此方案并

7、不適合這個工程，原因是這個工程在施工時橋下存在較厚的回填土層，該土層承受載荷的能力較差，同時地處交通繁忙區(qū)域，要求的圍擋工期很緊張。如果用單一橋樁分別施工，難度大，工期長。另外，橋距離地面的高度普遍不高，大部分情況下橋下凈空不超過五米，在技術(shù)上要求高，打樁難度太大，因此，需要用創(chuàng)新的方式去解決保證橋梁強度的問題。在這里我們決定用連環(huán)計的方式，把單個樁基替換為一個整體，用整體一個基礎(chǔ)去承托橋梁，保證安全性。這種方法有利有弊，好處是所有的樁

8、基變成一部分之后，大家共同受到上部載荷。但是缺點也同樣明顯，這種整體吃大鍋飯的形式并不如分別托樁受力分工清晰。但由于這個劣勢帶來的只是部分的影響，而這些部分只要具有動態(tài)化，即把這個整體設(shè)置為可動的裝置，即可以降低盾構(gòu)對橋梁的影響。 </p><p>　　3 演算工程所需的參數(shù) </p><p>　　在模擬過程中，設(shè)定盾構(gòu)機以八米每秒的速度進(jìn)行工作，土層的壓力假定為0.40兆帕，隧道部分的厚

9、度為0.20米，注漿壓力為0.35兆帕。因為該工程整體比較大，橋的縱向長度超過了一百米，所以盾構(gòu)機使用的管片長度應(yīng)保持在兩米以內(nèi)，以方便工程上的進(jìn)尺。同時，該工程如果按實際來操作的話，存在著計算量過大，容易出現(xiàn)多種誤差的可能性。因此，根據(jù)盾構(gòu)機的工作速度，我們只要保證誤差控制在要求范圍內(nèi)即可。 </p><p>　　橋梁的樁基方面，應(yīng)采用PILE單元，側(cè)端面應(yīng)保證KT0.03GPA，Kn1.2MPA，端界面要保證

10、KT與KN均為1.0GPA，承臺方面應(yīng)選SHELL單元，考慮橋梁與橋樁關(guān)系的方面時，應(yīng)用BEAM單元進(jìn)行同時的狀態(tài)參考，用實體來模擬隧道管片等實體裝置。根據(jù)沙涌橋的實際結(jié)構(gòu)，承載的頂部載荷應(yīng)該用5100KN。為方便計算，采用以下公式：橋樁的彈性模量與橋樁面積的乘積等于混凝土彈性模量與混凝土面積的乘積，還等于鋼筋彈性模量與面積的乘積。根據(jù)實際情況采用有限元法進(jìn)行計算，根據(jù)自建的模型，我們把這個工程的模型劃分為42576個單元，其中單元與單

11、元之間共有78245個節(jié)點。下表為使用材料的參數(shù)。 </p><p><b>　　4 計算結(jié)果分析 </b></p><p>　　盾構(gòu)機方面，盾構(gòu)機的挖掘會引起地下土層的損失，在模擬方案中，如果我們選擇不注漿，此種情況下最大的損失與沉降發(fā)生于兩側(cè)輪廓線的中間位置，整體呈正態(tài)分布，極值為24.1毫米，沉降區(qū)域的寬度為45米左右，如果選擇部分注漿或者不注漿，沉降極值類似，

12、均在18毫米左右，降低了接近百分之五十。但寬度同樣變窄。同時盾構(gòu)開挖還有其他的影響，會影響到地層，會形成部分收斂。 </p><p>　　使隧道發(fā)生斜度的傾斜，同時強度與撓度也受到了影響，該情況同樣需要分為澆注與不澆注分開討論。當(dāng)討論到澆注情況時，水平方面的平移長度為11.2毫米，而半澆注情況時，平移的極值為8.9毫米，降低了大約百分之十，全澆注時，樁身移動的極值為4.9毫米，降低了大約百分之四十五。經(jīng)過進(jìn)一步的

13、討論我們可以得出，澆注的優(yōu)勢在于增加了橋梁的剛度和撓度，降低了樁部的撓度變形，而豎直方向兩端的平移數(shù)值幾乎為零。頂端和地步都會受到地表土層和上部橋梁的影響。 </p><p><b>　　5 結(jié)論 </b></p><p>　　通過應(yīng)用有限元法對橋梁進(jìn)行計算與分析，以及對地鐵隧道和橋梁的數(shù)值模擬，如下結(jié)論。首先局部注漿確實能夠大大地提高強度及剛度，但是工程耗費較大，工

14、期長，造價比較高，不是特別實用。局部注漿在能夠保證誤差范圍的前提下，可以保證安全情況，具備經(jīng)濟(jì)與省時的特點。同時整體打新樁法具有獨特創(chuàng)新的作用，可以在今后的工程中推廣使用。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 鐘濤.淺埋暗挖法地鐵施工對地表及鄰近建筑物影響研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012. </p><

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