浅埋暗挖隧道下穿建筑物桩基-筏板托换施工技术研究.pdf

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浅埋暗挖隧道下穿建筑物桩基-筏板托换施工技术研究1 浅埋暗挖隧道下穿建筑物桩基-筏板托换施工技术研究2 浅埋暗挖隧道下穿建筑物桩基-筏板托换施工技术研究3 浅埋暗挖隧道下穿建筑物桩基-筏板托换施工技术研究4 浅埋暗挖隧道下穿建筑物桩基-筏板托换施工技术研究5 浅埋暗挖隧道下穿建筑物桩基-筏板托换施工技术研究6
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・隧道/地下工程・浅埋暗挖隧道一筏板托换下穿建筑物桩基施工技术研究宋军(中铁十四局集团有限公司济南250014)摘要城市地下工程的快速发展必然会出现越来越多的隧道下穿建筑物施工的工程案例。受围岩条件及周边建筑环境的影响,隧道下穿建筑物施工过程中可能会遇到地表隆陷、地面建(构)筑物倾倒损坏、地下管线变形破Ⅱ坏、隧道坍塌等多种风险。结合长株潭城际铁路标树木岭隧道暗挖区间下穿高升酒店工程,采用方案比选、理论分析、数值计算和现场实践等方法,确定了隧道下穿施工建筑物的桩基一筏板托换保护方案,并通过现场监测结果论证了所采用技术方案的可靠性。关键词暗挖隧道桩基一筏板托换沉降控制中图分类号U455.49文献标识码A———文章编号10094539(2015)04006406StudyonConstructionTechnologyofPilesFoundation-raftUnderpinningofShallow-buriedExcavationTunnelUnderpassingBuildingSongJun(ChinaRailway14山BureauGroupCo.Ltd.,Jinan250014,China)AbstractThefastdevelopmentofcityundergroundconstructionprojectinevitablyleadstomoreconstructionprojeetsoftunnelsunderpassingtheexistingbuildings.Undertheinfluenceofsurroundingrockconditionsandsurroundingenviron-mentofarchitecture,theprocessofunderpassing’tunnelsconstructionmayhavesomerisks,suchasgroundsubsidenceanduplift,surfacebuildingdamagefordumping,deformationofundergroundpipelinesandfailure,tunnelcollapseandSOon.Inthepaper,basedontheprogramusedinShumulingTunnelin—Changsha-ZhuzhouXiangtanRailwayBid2underpas-singpilefoundationofGaoshenghotel,theschemecomparison,theoreticalanalysis,numericalcomputationandfield—practieewereadoptedandtheprotectionprogramofpilefoundation-raftunderpinningWasdetermined.Finally,fieldmonitoringprovedthereliabilityofthetechnologyscheme.Keywordsexcavationtunnel;pile—foundationraftunderpinning;settlementcontrol1工程概况长株潭城际铁路树木岭隧道汽车南站至出口段区间采用矿山法施工,隧道设计为双洞单线,大致沿东西走向。隧道DKl3+503.33~DKl3+543.48处左右轴线正上方存在酒店综合楼一栋,隧道以50的角度穿越酒楼,酒店楼体与隧道线路横剖—面关系见图1。隧道埋深1011m¨o。酒楼东侧为待拆楼房,西侧为公路匝道路基,——收稿日期:20141222南侧为空地,北侧为中意一路。酒店综合楼设计6层,楼高23.5m,为框架结构,建筑结构安全等级为二级,抗震设防类别为丙级,使用年限50年,建筑地基基础设计等级为丙级,建筑桩基安全为二级。基础为人工挖孔灌注桩基础,桩长7~9.1m,桩径分别为1200mm(主楼6层结构),直径800mm(附属3层结构),单桩竖向承载力特征值分别为3680kN和1623kN。由于桩基底部距离隧道顶最短约30am,为确保隧道施工及楼房安全,隧道施工前需对楼房进行加固处理。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015141万方数据・隧道/地下工程・R1Rn’7750r●7390啦一Z虹O、c一鲢120混曩土j!蛆旺』Pq泌声鳢毒叫+怛衄桩帽铃,aL地面{…—。or秽静而・磅雳棼谤甥56。I口1移努帮垮谚劳劳劳棼渗乃砺_—~153.7rL5.805.025Ll6.3…L15.0258.075U5.6|.一吐4掣9649.65一仝.化泥1d!z型24砂岩壁1j盟堂幽幽珊眦翟砂漓两.图1酒店楼体与隧道线路关系横剖面图暗挖隧道开挖净高9.59ITI,净宽9.66m,轨面至拱顶开挖面高度为7.39m。隧道采用机械开挖。2工程地质与水文地质高升酒店由地表而下主要地层如下【2J:(1)人工填土(1)0:杂色,松散一稍密。以粉质黏土为主,夹建筑垃圾及生活垃圾,属中等透水层。—(2)粉质黏土(3)12:褐黄色,硬塑。N=16.81Ⅱ击,级,氏=180kPa。该地层富水性较贫乏。属弱透水层,可视为相对隔水层。(3)泥质粉砂岩(7)l一1:褐红色,全风化,岩芯Ⅲ风化呈砂土状。N=21击,级,盯。=250kPa。—(4)泥质粉砂岩(7)12:褐红色,强风化,泥质粉砂质结构,层状构造,泥质胶结,岩质软,手可刻划,敲击易断,岩心多呈块状,少呈柱状,N63.5=31.24Ⅳ击,级,O"o=350kPa。属弱透水层,K=0.050m/d。—(5)泥质粉砂岩(7)13:褐红色,弱风化,粉砂质结构,层状构造,泥质胶结,岩质较软,手可刻划,Ⅳ敲击易断,声闷,岩芯较完整,多呈柱状。级,盯。=450kPa,属微~弱透水性地层,在局部裂缝发育且连通性较好地段其渗透系数较大,综合场地水文地质条件K=0.035m/d。3隧道下穿建筑物保护方案比选我国常用的基础托换方法大致可分为以下5种:浅基础加宽法、拱形结构托换法、桩基托换法、铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY筏板基础托换法、桩基一筏板基础托换法。通过各种保护方案的经济适用性比较,确定采用桩基一筏板基础托换方案。根据隧道与酒店综合楼的关系,对酒店综合楼基底与隧道拱顶之间的填土地层进行注浆加固,以改善地基土。地基加固完成后,在桩帽顶以下0.6~1.6m范围内空间施作1m厚的钢筋混凝土筏板,同时在钢筋混凝土筏板与桩帽和桩身相交lm范围内植筋,使桩身、桩帽以及钢筋混凝土筏板连为一体,以前通过桩基承担的酒店综合楼荷载就转换为钢筋混凝土筏板和桩基共同承担,并在暗挖隧道施工过程中对筏板底进行填充注浆,防止因筏板底脱空导致筏板失去承载作用,确保酒店综合楼不会产生较大沉降,实现保护酒店综合楼的目的。4暗挖隧道下穿酒店桩基一筏板托换安全性分析4.1数值模型的建立4.1.1计算模型计算模型如图2所示。计算采用abaqus软件进行,模型下部土体尺寸为长×宽X高=100mx100mX60m,上部框架结构尺寸为长×宽×高=40m×24mx24m,结构底部30个桩基长8m,筏板范围为长×宽×高=52mX36mX1m,隧道埋深10m,开挖轮廓为半径4.83m的圆,初支厚度为o.28m,二衬厚0.50m,模拟隧道与框架结构在空间上正交。模型前后左右边界水平约束,底部边界竖直向约束,土体、桩基础、筏板、初期支护、二次衬砌、注浆区域均采用实体单元模拟,岩土材料屈服条件采用MohrCoulomb准则。夕厂1一L一图2计算模型4.1.2计算参数地层材料参数取值见表1。2015f4,万方数据・隧道/地下工程・表1地层材料参数黏聚力内摩擦角弹性模泊松∥容重厚度/围岩c,kPa∥(。)量/MPa比口(kN・m一3)m(5)I一2粉20352000.2920.48质黏土(7)I一2泥25402300.26218.5质粉砂岩—(7)13泥3045250O.252243.5质粉砂岩注浆加5035315O.16248固区4.1.3筏板、桩、衬砌模拟由于筏板、桩基础和衬砌均是由混凝土和钢筋组成,为简化计算,将钢筋和混凝土等效为相应厚度的混凝土,等效后实体单元的计算参数见表2。表2材料参数密度/弹性模量/抗拉强度/名称”泊松比(kg・m一3)GPaMPa初期支护235025.5O.1678二次衬砌245034.50.167桩基础2400300.2筏板2500300.2框架结构240031.5O.1674.2暗挖隧道下穿高升酒店桩基一筏板位移场分析图3中选取了筏板底土体隧道开挖正上方两条路径,图3a和图3b分析了两条线路上的土体沉降,其中最大位移为右线的4.46innl。a:,Wb小图中:一左线开挖到结构下方一左线成功穿越结构一右践开挖到鳍构下方一右线成功穿越结构图3左右线上方土体竖向位移图4显示的是未采用筏板时开挖完成时的位移沉降图,这种情况下土体及框架结构下沉的最大位移达到了9.17mm,可以看出筏板加固措施的采用能够有效地控制建筑物及地表沉降。U.U3霹潺i麟冀’∥km-弘。■图4未采用筏板双线开挖完成时竖向位移4.3暗挖隧道下穿高升酒店桩基一筏板应力场分析图5为隧道施工完成后隧道周边围岩的应力分布情况,图6为框架结构及筏板最大主应力分布情况。S.MaxPrincipa【Avg:75%1酲+4.156e*墓E溪E+4.6黼39e+图5双线隧道完成时围岩最大及最小主应力分布图6框架结构及筏板最大及最小主应力分布—由图56可知,围岩的最大拉应力为4.156MPa,最大压应力为12.48MPa;框架结构的最大拉应力为1.495MPa,最大压应力为4.83MPa。通过对暗挖隧道下穿高升酒店桩基筏板位移场和应力场分析可知,采用桩基一筏板托换技术能铁道建篱技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015f4J荦睾撬事季裟灌韶邶kkk如k恬他耻兜船惦如枷∞匏盯¨”悖""¨拍呻MM置卜21屯i67&吼L卜卜}_..一._-一..-.1●02345∞∞∞∞∞吣00OOOO一一一一一暑\警草㈨o删呲瞄瞄{坌。加加加加c亍目\警晕万方数据・隧道/地下工程・有效地控制隧道施工过程中对隧道顶部地表建筑物造成的沉降影响,能够很好地避免框架结构在开挖过程中发生开裂、不均匀沉降等问题。5暗挖隧道下穿高升酒店施工方案5.1筏板底地层注浆施工筏板结构施工前,首先对筏板底至隧道拱顶之间的地层进行单液水泥注浆,从而改善隧道上方地基土条件,提高地基承载力,有效降低酒店结构沉降值,实现隧道开挖前酒店前期保护的目的。筏板底注浆采用袖阀管注浆施工工艺。5.1.1施工工艺放样定位及钻孑L一置换套壳料_+洗孔_封孔一注浆。成孔后立即通过钻杆将孔内泥浆置换成为套壳料,套壳料的配比为水泥:膨润土:水=1:1.5:2,套壳料比重通过注浆效果可作适当调整。单孔注浆合格标准:注浆压力逐步升高至设计终压0.5~1.0MPa,并持续注浆10min以上,进浆量小于5L/min。5.1.2注浆主要施工设备及材料袖阀管注浆主要施工设备及材料见表3。表3袖阀管注浆主要施工设备及材料序号材料设备名称型号单位数量备注工程地100型或根据现场l钻孔设备套2质钻机300型条件定制ZBSB一70配套高压2注浆设备注浆泵一ll/套2注浆管路系统和制—57.5型浆设备3注浆管袖阀管,I,42,单向ml854早强普通硅酸(水灰比为4注浆材料P・042.5Rm31700盐水泥1:1至1:1.5)5.2酒店基础破除为保证筏板基础施工过程有足够操作空间,需对酒店综合楼底板进行机械破除,破除施工前,现场技术人员用白灰划清破除范围,避免无序破除导致酒店基础承重部位受损。5.3土方开挖土方按分层、分段开挖,当机械开挖至设计标高以上O.3m时,采用小型挖机、人工辅助清底,严禁超挖破坏注浆填土层。土方开挖过程中,所有机械施工过程需谨慎操作,避免因操作原因对酒店基础结构产生破坏。5.4筏板结构施工待土方开挖至设计标高后,人工清理仓内杂物,并进行基底验槽,而后进行筏板实体施工。筏板钢筋绑扎过程中,需对酒店基础桩身、桩帽钻孔植筋,与筏板结构钢筋连成一体,浇筑砼至设计标高,筏板实体共分五幅施工。5.5筏板底脱空注浆隧道开挖至酒店下方时,前期经单液注浆的筏板底与隧道拱顶之间的改善土体可能受隧道开挖的影响,产生不均匀沉降现象,对此,需对筏板底进行必要的脱空注浆。5.6暗挖隧道开挖及支护施工采用三台阶临时仰拱法进行开挖,施工工序见图7。支护的安全步距严格按红线管理控制。司徭X2¨④2/m锁脚钢斟磷么‘!鼋蜘文嗍.壁厚3.mm\聪《及/篁口髟磁§删yI=阄垄荔纱酣2042nlm锻街蜒膏z丝里:竺壁i:i婴图7三台阶临时仰拱法施工工序图隧道在DKl3+490~DKl3+555段埋深较浅,隧道正穿酒店采用机械开挖。机械开挖采用液压为动力,破碎锤为主的开挖,以减小对围岩的扰动。通过以上分析可知:(1)筏板施工前,对酒店基础与隧道拱顶之间的填土地层进行预注浆加固能够有效加固地层,故建筑物托换施工前对建筑物基底与隧道拱顶之间填土地层注浆加固是一个行之有效的手段。(2)暗挖隧道下穿建筑物过程中,应选择合适的超前支护方法、合适的隧道开挖及支护方法;同时,在V级软弱围岩施工中遵循红线管理,采取支护尽快封闭成环、二衬紧跟的措施对于保证隧道施铁道罄筘技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015f4J67万方数据・隧道/地下工程・‰工及薏芝兰烹曩黧差裹善二日^商筮甘辛6桩基筏板托换现场监测技术(3)暗挖隧道下穿建筑物过程中,建筑物基底“…“”””““”’一一~一一可能会出现不同程度的脱空现象,适时对建筑物基6.1监测内容与测试方法础与隧道拱顶之间的地层进行注浆对于保证建筑结合本工程的实际情况,对如下项目进行施工物自身的安全是托换工程施工控制的又一重点。监测,具体内容见表4。表4施工监测内容与方法序号监测项目监测时段方法及工具监测位置量测频率精密水准仪、铟钢1柱、梁沉降、裂缝筏板施工时30m内每10m布一组地表监测点随时水准尺、目测上部结构沉降、精密水准仪、铟钢2筏板施工时30m内每10m布一组地表监测点随时裂缝水准尺、目测沉降、倾斜、裂缝精密水准仪、铟钢监测断面前50m。监测断面前50一30m,监测断埋好监测点,读初读数,监测;土体应力、面前30~20m,监测断面前20m到初支封闭后1次/d、2O:/d、3O:/d、23隧道开挖时水准尺、土压力3d,初支封闭后3d到二衬完成,监测断面后20O:/d、lO:/d、l~2次/钢筋应力监测、管计、钢筋应力计线监测~50m,监测断面后50m,通过1月后周、1~20:/月6.2监测数据处理及信息反馈6.2.1地表沉降监测数据分析(1)筏板施工期地表沉降监测由图8可知,筏板施工前地表沉降趋于零,随着施工的进行,地表沉降逐渐增大,在监测30d时沉降值达到最大。地表曲线呈现不规则增大趋势,这是因为受到施工扰动的影响。监测日期蝼—03-20201203-262012一\氐翊黟《阁阄——+一LS20———・一LS0一l・一LS02—-一LSO.3—一LS叫——・一LSO.5—∈+一LS0,—一LZll一LZl.2—}・一LZl.3—一LZl.4——tLS3加(2)隧道下穿期地表沉降监测由图9可知,地表沉降随时间呈现规则性增大的趋势。隧道下穿前,地表沉降出现先行位移,但增大趋势缓慢;从5月15日隧道下穿开始,地表沉降明显增大,5月28日后各监测点沉降值逐渐减小并稳定。各监测点地表沉降值满足安全要求。./卟.√。#耋●..・l上—≠d9二=k一.,二—)5O面13一影—事r灏鼙监测日期一LS2——01PL!——.0.1一——5SO.2-——LS0-4・一LSO.!——一LS0—[上1.2・——一LZI.3卜LZl6.2.2土体应力监测数据分析(1)筏板施工期土体应力监测由图10可知,受筏板施工的影响,3月3El土体应力出现急剧变化。受注浆的影响,监测点土体压力呈现明显增大或急剧下降的现象。各监测点土体压力在筏板施工结束后保持稳定。图10筏板施工期土体应力变化曲线(2)隧道下穿期土体应力监测由图11可知,隧道下穿导致各监测点应力变化曲线呈现急剧下降的趋势,在隧道下穿结束后,土体应力重分布,各监测点土体应力再次逐渐稳定。山0.16主妄n12。日O.08.3,盖。0402013-05.04—2013.0510——20130516—2013-0522—2013一0528—————+1十23---a--456+7监测日期————PLS3一O-一IZ2.1图9隧道下穿期地表沉降变化曲线图11隧道下穿期土体应力变化曲线铁道建镝技术RA,正-蝴yCo^『S丁尺UC丁『0~丁EcHN0lOGy2015r4J万方数据・隧道/地下工程・6.2.3钢筋应力监测数据分析(1)筏板施工期钢筋应力监测由图12可知,钢筋应力在筏板施工时出现变大的现象,监测点3钢筋出现明显受拉应力,监测点2钢筋出现明显受压应力,2个监测点钢筋受力在筏板施工结束后恢复稳定,钢筋未出现明显屈服。√。八么\一Z麟嚣K冬J眩】E墨ji,曩瞄<N/一\/\厂,\/2012.03.022——012030620l:.03一l02012.03一14—201二一0318监测日期———————・一l--,,--2・一3-一4-一5-e--6・一78--9・一10图12筏板施工期钢筋应力变化曲线(2)隧道下穿期钢筋应力监测由图13可知,隧道下穿监测断面时各监测点钢筋Ⅷ应力出现急剧增大,最大值为16)a,下穿结束钢筋应力重新趋于稳定,各监测点钢筋应力未出现屈服现象。—2叭305一I)420l—305-(】72ol3.05一102013一05一13监测日期———-一l・一2m34—5・一6图13隧道下穿期钢筋应力变化曲线6.2.4管线沉降监测数据分析(1)筏板施工期管线沉降监测由图14可知,筏板施工前各管线监测点未出现沉降,随着筏板施工,管线沉降逐步增大,且距离高升酒店越近的管线监测点沉降值越大;筏板施工结束,各管线监测点沉降值明显减小,最后趋于稳定,各监测值满足要求。≤,=._三绂夕7盛:_%o漱篁&””“’‘’2产i瓷滋勇监测日期\—N■蟹图14筏板施工期管线沉降变化曲线(2)隧道下穿期管线沉降监测由图15可知,隧道下穿施工扰动对各管线监测点沉降变化影响明显,但管线沉降值基本稳定在(一1.5mm,1.5mm)区间,说明筏板的施工对控制管线沉降起到了明显的作用。l’l妻耋“奏+LX.27一LX.28一LX.29一LX一30"-'*-LX+3l———-一LX.32十LX.13卜IX.34+LX.35+LX一36图15隧道下穿期管线沉降变化曲线以上对地表沉降、土体应力、钢筋应力和管线沉降等各监测项目进行了筏板施工期和隧道下穿期数据变化分析,可得出以下结论:。(1)随着筏板施工的进行,地表沉降、土体应力、钢筋应力和管线沉降监测值均出现了不同程度的增大,筏板施工结束,各项目监测值逐步趋于稳定;(2)托换施工完成后,隧道下穿施工扰动作用对地表沉降影响明显,对土体应力和钢筋应力影响不大,管线沉降值未因隧道施工扰动出现明显增大;(3)各监测项目监测值满足要求,说明树木岭隧道暗挖下穿高升酒店采用的桩基一筏板托换方案是安全可靠的。7结束语桩基托换是个系统工程,本文以长株潭城际铁路树木岭隧道暗挖下穿高升酒店为背景,采用理论分析、数值计算、现场实践等方法对桩基一筏板托换施工技术迸行了研究,并结合现场监测和信息反馈,保证了隧道及地表建、构筑物的安全,对类似工程具有较强的指导意义和借鉴作用。参考文献中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建长株潭城际铁路树木岭隧道下穿长沙市洞井镇高升酒店建筑物保护设计[R].2011.中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建长株潭城际铁路树木岭隧道汽车南站一出口区间矿山段设计图『Z].2011.铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015{4l691J1Jl2口心6,6万方数据
周大爷
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