轨道交通盾构区间下穿高速铁路的研究.pdf

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———文章编号:10094539(2018)06006405・隧道/地下工程・轨道交通盾构区间下穿高速铁路的研究陈’卓12(I.中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600;2.中国铁道科学研究院北京100081)摘要:当隧道及地下工程穿越既有桥梁时,对桥梁结构的安全控制是非常必要的。隧道与上覆底层作为一个复杂系统处于动态作用之中,随着地层变形量的增大和松动范围的增加,地层的承载能力降低,从而导致临近桥梁结构变形增大,使其承受的附加荷载和附加变形增大。合理地确定桥梁结构的变形控制指标,并制定相应的工程措施,避免结构产生过大变形,是桥梁结构安全和稳定的保证。本文以某轨道交通下穿高速铁路为工程背景,对其进行检算并分析检算结果,提出相应的建议,为轨道交通下穿高速铁路段的设计提供理论支持。关键词:轨道交通盾构区间下穿高速铁路中图分类号:U455.43文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2018.06.017StudyonShieldTunnellingSectionofRailTransitUnderPassing—HighspeedRailwayChenZhu01・2(1.ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Beijing102600,China2.ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China)Abstract:Itisnecessarytocontrolthesafetyofthebridgestructurewhenthetunnelandundergroundprojecthavetocrosstheexistingbridge.Asacomplexsystem.thetunnelandtheoverlyingbottomareindynamicasthebearingcapacityofthestratadecreaseswiththeincreaseofdeformationandlooseningrange,whichleadstoincreasingthestructuredeformationoftheadjacentbridgeaswellastheadditionalloadanddeformation.Itistheguaranteeforsafetyandstabilityofbridgestructuretoreasonablydeterminethedeformationcontrolindexofbridgestructureandformulatecorrespondingengineeringmeasurestoavoidexcessivedeformationofbridgestructure.Inthispaper,basedontheengineeringofacertainrailtransitlineunderpassing—highspeedrailway,thecheckingandcalculatingresultsoftherailareanalyzed,andthecorrespondingsuggestionsareputforwardtoprovidetheoreticalsupportforthedesignofrailtransitsectionunderpassing—highspeedrailway.Keywords:railtransit;shieldtunnellingsection;underpassinghigh・speedrailway..。。应措施,是保证桥梁结构安全、正常运行以及新建。…“工程施工可行、成本可控的关键¨qJ。桥梁结构的现状及其剩余承载能力是合理制地铁、管廊工程施工开挖引起地层变形,导致订地铁、管廊及路基穿越桥梁工程施工设计方案的临近的桥梁基础发生沉降,使结构产生附加内力,前提条件。桥梁结构形式不同,地铁、管廊及路基桥梁结构的安全性及耐久性受到影响。同时,地层等新建工程的位置关系不同,施工方法不同等多种过大变形引起桩周土体应力状态的改变,桩基承载因素,对新建工程临近或下穿桥梁结构时的变形、力受损,威胁桥梁结构的安全和稳定。新建工程与受力状态以及新建工程和桥梁之间相互影响是不既有桥梁结构的影响是相互的,既有桥梁结构的存同的。如何合理制定桥梁结构变形控制指标及对在同样影响新建工程的施工和安全。在新建工程——(地铁、管廊及路基)穿越既有桥梁结构施工过程整苎旦贸:翟坚,-03-01,。。。,。.。,.;。。。。,埘1.。。。.。中,新建工程临近或下穿既有桥梁结构的影响程作者简介:陈卓(1979一),女,高级工程师,主要从事桥梁工程结构检””……“…“…’”“…’““。一一一。一测、评估与研究。度、桥梁结构沉降控制标准、设计保护方案、施工关“铁道建篱技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018fD6J万方数据・隧道/地下工程・键技术、监测技术及科学化施工管理体系等,是确保既有桥梁结构的安全使用和新建工程安全施工的关键。本文以某轨道交通盾构区间下穿高速铁路为工程背景,对新建道路、管廊以及盾构隧道穿越既有桥梁进行检算,并依据检算结果提出建议,以期能够指导轨道交通下穿高速铁路的设计与施工。2新建工程对高速铁路桥梁影响的安全性检算2.1计算内容新建工程的施工不可避免地干扰附近地层原有的平衡状态,引起附近地层应力重分布和变形,增加对某高速铁路大桥及其保养线铁路大桥桥基的附加应力,使其发生附加变形。新建工程施工引起的地层应力和变形是造成某高速铁路大桥及其保养线铁路大桥结构附加荷载、产生附加变形的根由于本工程临近及下穿高速铁路大桥及其保养线铁路大桥,其施工可能会对既有桥基产生上述的影响,需要建立三维地层一结构有限差分元分析模型,校核地层和结构的实际位移及受力情况。依据分析成果,考虑采取相应的保护措施,合理组织新建工程施工方案,以确保对既有桥梁的影响在安全运行的允许范围之内。2.2桥梁模拟思路以桥墩顶面为分界面,将模型分为上、下两个部分,上部结构包括箱梁、支座及行车荷载;下部结构包括桥墩、承台、桩基和周围土体。模型中桥梁上下部结构均由实体单元模拟,行车荷载以荷载的形式作为外力带入模型。涉及隧道施工部分按照实际设计情况进行开挖模拟H。6j。本工程涉及高速铁路,考虑高速铁路荷载为ZK活载,根据《铁路列车荷载图式》(TB/T—34662016),车本原因。辆荷载布置如图1所示。‘64N‘‘一1-200N2I200Ⅲk2Noo64kN.m.1200l洲200kNZK{¨lfillJ,|IIllIJ“IlJI}200蝌200l斟内燃机车_1lII电力机车动车组无限长LJ.6ml!.6m4.6m1.I.无限长d.6I垭.6Ind.6n"t6.81m6.81m图1客运专线ZK活载示意本工程涉及城市公路,考虑汽车荷载为公路I级荷载,根据《公路工程技术标准》,计算取q。=22.5kN/m作为车辆荷载,车辆荷载布置如图2所示。I3:Q^!:42:Q^l:句a.立面I!兰兰面兰二竺』b.平面近桥梁结构影响范围预估确定计算域。本计算模型前后方向长度为200m、左右方向长度为260m,上下深度为110m。对计算区域内涉土体、高速铁路大桥及其保养线铁路大桥的上部结构和桩基、道路路基搅拌桩及路面结构、管廊基坑防护桩及管廊结构、隔离桩、盾构隧道等进行了三维精细建模,土体、防护结构均采用实体单元,如图3所示。根据计算模型大小,综合考虑计算时间和计算精确度,共计剖分单元846“839个。建立的土体一”桥梁一隧道计算模型如图4所示。2.4材料本构模型和计算参数(1)土层本构关系及参数图2车辆荷载布置(单位:m)根据本工程的地质勘察报告中取值并参照地勘报告及该地区相关工程的地层参数取值,各层土2.3数值计算模型的c、9取直剪固快试验指标计算,地质土层的主要根据新建工程及既有桥梁几何尺寸大小,结合临物理力学参数见表1。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(06J65万方数据・隧道/地下工程・附2一道路路面结七棚闶a.隧道和桥粱的相对位置关系b.俯视图C.侧视图图3桥梁及隧道相对位置关系表1土层计算参数序土层容重y/黏聚内摩弹性层力c/擦角模量泊松厚/号名称(kN・m。)“比kPa∥(o)正1/MPaml素填土层18.O3309300.4552粉土+黏土18.0880201000.40303粉砂19.530352000.35204桩基25lOoo50250000.255注浆加固区255lOoo45200000.25(2)钢筋混凝土本构关系及参数钢筋混凝土本构关系采用整体式理想弹性模型,表达式:or=Ee。有关钢和混凝土物理参数按规范取值,见表2。表2混凝土和钢筋计算参数材料弹性模量E/MPa泊松比口∥’容重(kN・Ill3)C25混凝土25.00.2225C30混凝土30.OO.2225C35混凝土3500.2225钢筋2000.3078注:钢筋混凝土的含筋量按照实际配筋情况计算后确定,作为材料的特性参数输入。2.5计算模型及模拟工序(1)初始地应力平衡首先建立初始自重应力场,在实际工程中,由于天然土层在土体自重和周围建筑物荷载作用下,已经固结沉降完毕,在此基础上进行施工,需要将已经固结沉降完成的原状土作为后续施工步的初始状态。因此,在利用有限差分元模拟施工过程时,若要达到天然土层的初始状态,必须平衡初始地应力,使得在土体模型中只存在初始应力场而不出现初始位移。模型中第一阶段为初始应力计算阶段,计算出土体及结构在自重作用下的位移场和应力场,通过软件的位移清零功能消除已经完成的沉降位移,并构造初始应力场。图4计算模型(2)既有桥梁结构及桥基的模拟在初始地应力平衡的基础上,参照桥梁施工过程,先后施作某高速铁路大桥桩基及上部结构、其保养线大桥的桥基及上部结构,计算完成后通过软件的位移清零功能消除已经完成的沉降位移,以保证桥梁位移为后续新建工程施工时的附“加位移HJ。(3)新建公路及管廊施工过程模拟由于新建公路的加固措施需要进行优化设计以及后期协调施工,故设计中暂未确定新建公路及管廊的施工过程。新建工程施工工序主要包括隔离桩施工、管廊基坑防护桩施工、基坑开挖、管廊结构施作、盾构区域注浆、路基搅拌桩施工、路基结构施工、盾构隧道施工。本次评估在基本施工步序的基础上考虑新建公路及管廊施工的协调问题,共分为两个工况进行计算。工况一施工工序见表3,工况二施工工序见表4。表3工况一施工步序施工步序施工内容1初始地应力平衡2既有桥梁桩基及上部结构施作3盾构区域及管廊下方区域注浆加固4管廊施工5隔离桩施工6道路路基及路面施工并运营7盾构隧道施工(盾构)表4工况二施工步序施工步序施工内容1初始地应力平衡2既有桥梁桩基及上部结构施作3隔离桩施工4盾构区域及管廊下方区域注浆加固5管廊施工6道路路基及路面施工并运营7盾构隧道施工(盾构)66铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(06J蓦磊型鍪厩万方数据3工程实例验证3.1上程间,f.研究区域是此城市内重要的南北向通道,全挣伯1dkm硼特为。总宽42.8m的双向四车道公路,纛需霪轰凝震徽慧黑黑黧鞣篙凳萋交通需求,慢行交通的需求也急剧士冒长,商赞刈拭进行粪蠢釜铁桥梁段道路改造采用隔离桩+搅拌穿越高铁桥梁段道路改造采用嗡呙性十倪什‰桩+凳黧毳荔翁边进行注浆,再施工管先对盾构穿越范围及周边进仃狂泵,骨胞÷!廊围护,然后开挖施工管廊,回填管廊结构上空霉’’三,蔷施工隔离桩,隔离桩成桩后搅拌桩及挖除换填施工,最后统一施工路基路面工程(见图)J。设图5优化后道路改造平面布置填区Ⅱ随季鬈嚣嚣环80境m删/i!右为o根据地质勘察报告,拟建场地外观矢删川t蓑:萋譬鎏釜蓑亲笔竿譬罕慧享翥篙嵩襞蓑燃葚辈主篓喜妻銎军釜军豢翥秦嚣翼筋有微腐蚀性;在干湿交替环境卜地f、水刈粥朋仳凝土翥黧鲁篙蒜污染源,场地雨量较多;拟建道路沿线无明显污染源,场地闻重敬孑;3对钢3登篇嚣嚣变形躲分析.工况一中新建工程施工对桥梁叟彤辅禾刀例随施工步的高速铁路大桥墩台竖I司焚彤叫线亦秒加图6所示,横向变形变化如图7所示。据地质勘察揭露,按地层时代、成因及岩性特‘征等将桥址区岩土层划分为8个工程地质层苎暑为l。8)。各层根据其物理力学性质差异、强度差异等.又分为25个亚层。拟建场地浅部地下水主要为潜水及微承压娈。潜水主要赋存于浅部填土层中,富水性差。,警耋竺黧144鬻水68慧糍凳茹霖害轰鬈高..1.m,主要受大气降水补给,以六、悉羞为主要排泄方式,随季节不同有升降变化,年变④微承压水赋存于、粉土夹粉砂、(现粉砂夹粉妻黑篡霖娄景銮篆嚣羔搿磊麓’为地下径流补给,排泄方式以地f^^况及八j一制以爿主。勘察期间实测微承压水头标高在1・00~1・19m,铁道建笳技术RAILWAYCONSTRUCTION丁E.cHNOLOGy§器制定幽§套制嬗粲沁‘——-l冉I一彳区域注j/l一窀裤遥2麓.j,一’/一隔离桩j、・,一澄阳路j中间桥跨.盾构施.图6某高速铁路大桥墩台竖向变形曲线固唧广_02002;500015一区域扫\l——一∥二震i\多一二藩弱i中阃桥跨图7某高速铁路大桥墩台横向变形曲线随施工步其保养线铁路大桥墩台竖向变形曲线变化如图8所示,横向变形变化如图9所示。量蓑嬗鲥量龄墨蹩太一./嘏//一区域注鬈./。/一管廊施工.//一隔离桩捌一澄阳路剥q-间桥跨一盾构施j图8其保养线铁路大桥墩台横向变形曲线:s.—厂~一区域注~一管廊施一隔离扭中间桥跨一澄阳路+盾构蒜500015D2002:,dr.},..圈9其保养线铁路大桥墩台横向变形曲线2018(06J67万方数据・隧道/地下工程・统计整个开挖过程中既有桥梁桩基最大横向变形及竖向变形见表5。表5既有桥梁桩基最大横向变形及竖向变形某高速铁路大桥其保养线铁路大桥开挖步骤最大横向最大竖向最大横向最大竖向变形/mm变形/mm变形/mm变形/mm区域注浆加固一O.05—0.0590.075—0.058管廊施工完成一0.28一O.420.48—0.42隔离桩施工完成一0.29—0.430.49—0.43道路施工完成一0.47—0.600.65一O.6l盾构隧道施工完成一O.60一0.70O.55—0.73注:横向变形负值为反向道路施工方向,正值为正向道路施工方向;竖向变形负值为沉降,正值为上浮。统计整个开挖过程中既有桥梁墩台结构最大横向变形及竖向变形见表6。表6既有桥梁墩台结构最大横向变形及竖向变形某高速铁路大桥其保养线铁路大桥最大横最大竖最大差最大横最大竖最大差开挖步骤向变形/向变形/异沉降/向变形/向变形/异沉降/tonirainIm区域注浆加固0.04—0.003—0.002O.07—0.004一O.003管廊施工完成0.28—0.31—0.220.48—0.31—0.24隔离桩施工完成0.29—0.33一O.250.49—0.32一O.25道路施工完成0.47一O.52—0.41O.65一O.50—O.4l盾构隧道施工完成0.60一O.70—0.59O.55—0.63—0.53注:横向变形负值为反向道路施工方向,正值为正向道路施工方向;竖向变形负值为沉降,正值为上浮。整个开挖过程中既有桥梁桩基最大横向变形及竖向变形见表7。表7既有桥梁桩基最大横向变形及竖向变形统计某高速铁路大桥其保养线铁路大桥开挖步骤最大横向最大竖向最大横向最大竖向变形/mm变形/mm变形/mm变形/mm隔离桩施工完成一O.03—0.040.04一O.03区域注浆加固一O.05一O.060.07—0.05管廊施工完成一0.22一O.320.40—0.31道路施工完成一0.40—0.550.51一O.53盾构隧道施工完成一O.50—0.650.43一O.62注:横向变形负值为反向道路施工方向,正值为正向道路施工方向;竖向变形负值为沉降,正值为上浮。整个开挖过程中既有桥梁墩台结构最大横向变形及竖向变形见表8。68铁道建镝技术表8既有桥梁墩台结构最大横向变形及竖向变形统计某高速铁路大桥其保养线铁路大桥最大横最大竖最大差最大横最大竖最大差开挖步骤向变形/向变形/异沉降/向变形/向变形/异沉降/mmmm隔离桩施工完成一O.03O.Ol0.012O.030.0070.010区域注浆加固一O.03—0.023—0.OlO.03一O.021—0.Ol管廊施工完成一0.21一O.24一O.20O.32—0.25—0.19道路施工完成一O.38—0.41—0.360.4—0.4一O.33盾构隧道施工完成一O.38—0.59—0.48O.3l一0.53—0.45注:横向变形负值为反向道路施工方向,正值为正向道路施工方向;竖向变形负值为沉降,正值为上浮。3.4工况结果对比分析工况一及工况二各施工步所引起的变形见表9和表10。表9工况一中各施工步施工所引起墩台最大变形统计高速铁路大桥其保养线铁路大桥开挖步骤最大横向最大竖向最大横向最大竖向变形/mm变形/mm变形/mm变形/mm区域注浆加固0.04O.003O.070.004管廊施工完成0.24O.3l0.41O.31隔离桩施工完成0.0lO.020.01O.01道路施工完成O.180.19O.16O.18盾构隧道施工完成0.13O.230.110.18表10工况二中各施工步施工所引起墩台最大变形统计高速铁路大桥其保养线铁路大桥开挖步骤最大横向最大竖向最大横向最大竖向变形/mm变形/mm变形/mm变形/ram隔离桩施工完成O.030.01O.03O.007区域注浆加固0.000.0330.000.028管廊施工完成0.180.220.290.23道路施工完成0.180.17O.080.15盾构隧道施工完成O.130.23O.1l0.18由表9及表10对比分析可以看出:(1)工况一中隔离桩在管廊施工完成后再施工时,管廊施工引起的高铁桥最大竖向位移为0.31mln,最大横向位移为0.24mm;道路施工引起的高铁桥最大竖向位移为0.18mln,最大横向位移为0.19171111。(2)工况二中隔离桩在施工之前施作,管廊施工引起的高铁桥最大竖向位移为0.221Tim,最大横向位移为0.18mm;道路施工引起的高铁桥最大竖向位移为0.17mm,最大横向位移为0.17mm。(下转第124页)RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018f06J万方数据・其他・[4]喻仙君.对海外施工项目责任成本管理的探讨施工企业—责任成本管理[J].铁道建筑技术,2016(1):99103.[5]姚金涛.浅析建筑施工预算与项目成本管理控制[J].绿色环保建材,2018(3):217.[6]孟悦.关于工程项目全过程成本管理的研究[J].中国—住宅设施2016(6):2123.[7]韩幸.浅析工程项目成本管理问题[J].经贸实践,2017(5):174.[8]任晓炜.建设工程项目成本管理研究[J].山西建筑,・+-+一+一+一+一+一+一+一+一+一+一+-+--4--+-+一+-+一(上接第68页)对比以上两组数据,工况二中由于先施作隔离桩能够使管廊施工引起的竖向位移减少29.0%,横向位移减少20.8%;使道路施工引起的竖向位移减少22.7%,横向位移减少5.6%。故先施工隔离桩能够有效减少后续施工对既有桥梁的影响。4结论及建议4.1结论(1)按照工况一施工工序施工,最终既有桥梁最大竖向位移为0.70mm,最大横向位移为0.63mm,能够满足规定变形要求。(2)按照工况二施工工序施工,最终既有桥梁最大竖向位移为0.59mm,最大横向位移为0.53mm,能够满足规定变形要求。(3)工况二中由于先施作隔离桩能够使管廊施工引起的竖向位移减少29.0%,横向位移减少20.8%;使道路施工引起的竖向位移减少22.7%,横向位移减少5.6%。故先施工隔离桩能够有效减少后续施工对既有桥梁的影响。4.2建议为确保既有某高速铁路及保养线大桥结构及后续运营安全,新建工程施工及后续运营过程中,建议考虑以下措施【12。:(1)施工前应注意调查既有桥梁结构状态,施工前应有合理可行的施工方案,并报相关部门审批通过后方可施工。(2)施工期间对既有桥梁结构进行监测,并根据监测资料的分析,判断既有建构筑物变形,对结构使用及运营安全进行预警。一旦监测异常,应立即停止施工,启动事故应急预案处理。对观测变形124铁道建筑技术—2017,36(43):252253.[9]郭永忠.建筑工程施工阶段成本管理措施探析[J].财经界(学术版),2015(17):46.[10]周铭.实施全面成本管理以提高建筑施工企业的成本—管理[J].中国乡镇企业会计,2015(3):132133.[11]董元生.城市轨道交通建设全过程造价控制探析[J].—铁道建筑技术,2017(7):124127.[12]郑海滨.工程项目成本管理的问题以及成本控制研究[J].工程技术(文摘版),2016(2):168.————■一+一+一+-+*・+一-・}-・}一-+_一・・超标的部位,分析产生原因,研究对策,提出整改措施后再进行施工。参考文献[1]王闯,彭祖昭,苟超,等.盾构近接下穿群桩基础施工影响分区研究[J].土木工程学报,2017,50(S2):174—181.[2]仇文革,雷劲.上软下硬地层地铁隧道与近接桥梁桩基的相互影响分区研究[J].隧道建设,2017,37(8):—917925.[3]周磊,朱哲明,李元鑫.基于有限元强度折减法分析主应力方向对隧道稳定性的影响[J].现代隧道技术,2017,54(2):6l一67.[4]邓建林.基于强度折减法的软硬不均地层隧道开挖方法转换时机研究[J].隧道建设,2016,36(6):676—682.[5]张自光,仇文革.地铁区间隧道近接建筑施工工程影—响分区研究[J].现代隧道技术,2016,53(1):7582.[6]高长军,丁茂瑞,王琪,等.隧道近接施工对既有桥梁稳定性影响的二维模拟研究[J].中外公路,2010,30—(3):229233.[7]王明年,崔光耀,喻波.广州地铁西村站近接高架桥桩基影响分区及应用研究[J].岩石力学与工程学报,—2009,28(7):13961404.[8]徐俊娥.滨海软土地区近接运营高铁顶进铁路立交桥工程施工技术[J].铁道建筑技术,2014(6):14一17.[9]于清浩.新建隧道施工对既有隧道的影响分析[J].铁—道建筑技术,2011(10):4448.[10]丁祥.新建铁路隧道上跨既有铁路隧道安全评估[J].—铁道建筑技术,2016(1):4146.[11]国家铁路局.铁路列车荷载图式:TB—34662016[S].北京:中国铁道出版社,2016.[12]交通运输部公路局.公路工程设计标准:.ITGBOI一2014[s].北京:人民交通出版社,2014.RAILWAYCONSTRUCT/ONTECHNOLOGY∞2018J万方数据
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