暗挖车站洞桩法下穿桥梁关键措施研究.pdf

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暗挖车站洞桩法下穿桥梁关键措施研究1 暗挖车站洞桩法下穿桥梁关键措施研究2 暗挖车站洞桩法下穿桥梁关键措施研究3 暗挖车站洞桩法下穿桥梁关键措施研究4 暗挖车站洞桩法下穿桥梁关键措施研究5 暗挖车站洞桩法下穿桥梁关键措施研究6
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——文章编号:10094539(2018)叭一007705・隧道/地下工程・暗挖车站洞桩法下穿桥梁关键措施研究张志勇(中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600)摘要:目前城市地铁建设发展迅速,以不同工法下穿桥梁等重大风险源工程项目越来越多,但是以暗挖车站洞桩法下穿桥梁的工程案例却很少见。以北京地铁16号线红莲南里站为依托,通过车站洞桩法导洞开挖、扣拱等车站各关键阶段施工对南马连道莲花河跨河桥安全性影响进行数值模拟分析,预测对桥梁的影响程度及可能带来的危害,研究出车站设计关键措施以及桥梁盖梁加固措施,制定出合理的施工工序,实现了下穿跨河桥期间安全可控,并与实际监测数据进行了对比,进而验证了研究成果的适用性、合理性和科学性。关键词:暗挖车站洞桩法下穿盖梁加固数值模拟中图分类号:U231.4文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009.4539.2018.01.020KeyMeasuresStudyonExcavatingMetroStationUnder-crossingtheBridgewithPBAMethodZhangZhiyong(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Beijing102600,China)Abstract:Withtherapiddevelopmentofurbansubwayconstruction,moreandmoreprojectswithsignificantriskshavebeenputintouse,suchastheunder-passingbridgeprojeetswithdifferentconstructionmethods.However,itisveryraretousetheundergroundexcavatedstationPBAmethodtocrossunderthebridge.Inthispaper,takingtheHongliannanliStationofBeijingMetroLine16asabasis,thenumericalsimulationanalysisonthesafetyinfluenceofSouthMaliandaolotusRiverBridgewascarriedoutbythekeystagesofstationconstruction,suchaspilottunnelexcavationwithPBAmethodandbucklingarch.Basedontheabove,theimpactsandthepotentialhazardsonthebridgewerepredicted,thekeymeasuresforstationdesignandthereinforcementmeasuresforbridgebentcapwerestudied,andthereasonableconstructionprocedureswereformulated.Itcouldrealizethesecuritycontrolduring—underpassingthebridge.Bycomparingwiththeactualmonitoringdata,theapplicability,rationalityandscientificityoftheresearchresultswereverified.Keywords:undergroundexcavatedstation;PBA(pile-beam・arch)method;under-passing;reinforcementofbentcap;nnmerlealsimulation1前言随着城市轨道交通建设的高速发展,地铁区间‘或车站下穿建/构筑物(如桥梁)施工1。61将会逐渐成为常态。特别是在既有桥梁附近修建地铁工程项目时,如果不能正确评估地铁车站施工带来的潜收稿日期:2017一11一16基金项目:北京市科技计划课题(Z151100002115042)作者简介:张志勇(1977一),男,高级工程师,主要从事地铁及地下工程领域设计、咨询工作。在危险,发生事故后的经济损失及社会影响将难以估计,有时甚至带来不可挽回的、灾难性的后果。因此,正确评估地铁车站施工对周边工程,尤其是重要建/构筑物的安全性影响工作意义重大。在地铁车站施工过程中,由于开挖扰动、地层损失和固结沉降等因素会引起地层产生移动和变形,导致附存于地层中的建/构筑物(如桥梁)基础随之发生移动和变形。由于桥梁自身刚度的限制,其对变形控制要求严格,因此,对既有结构变形的有效控制是选择其周边后建工程地下围护结构及铁道建藐技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018’fDJ77万方数据・隧道/地下工程・施工工序的关键。如何采取有效措施控制桥梁及其附属结构的变形,保护地下及地上结构的安全,确保地铁顺利施工,是值得摸索和研究的课题。2工程概况北京地铁16号线工程红莲南里站位于莲花河东路和红莲南路交叉口,主体结构跨路口段下穿南马连道莲花河跨河桥桥桩。红莲南里站与上部桥梁及桥桩相对位置关系如图1所示。图1车站与桥梁桥桩关系及注浆加固(单位:cm)南马连道莲花河跨河桥建于1998年,为三跨简支预应力钢筋混凝土预制空心板结构,支座形式为板式橡胶支座。上部结构:3X13m简支预应力预制空心板;下部结构:墩台由柱接盖梁组成,圆形墩柱直径1m。盖梁截面为1.2mx1.2m,基础均采用钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩径1.2m。根据检测评估单位提供的报告,桥梁技术状况等级为B级。莲花河最东侧3根桥桩位于车站顶部,距离仅0.6m左右,紧邻的3根桥桩距车站6.98m,车站施工对桥梁影响很大,工程环境风险等级为一级。本风险工程由业主部门专门委托检测单位对桥梁现状进行了检测,由评估单位进行了计算分析,盖梁加固后控制指标如下:盖梁桩间不均匀沉≤降值5≤mm;东侧桥台盖梁均匀沉降值10mm;桩≤基均匀沉降控制值10mm。3下穿重难点及数值分析目的3.1下穿设计重难点本工程设计关键是能否把对上部跨河桥梁影78响降到最低,确保其安全,主要重点难点在于:(1)上部跨河桥是红莲南路跨莲花河东西向交通的关键点,为了保证桥梁安全及正常交通秩序,允许结构变形值和差异沉降值小。(2)红莲南里站开挖面积及深度较大,施工工序复杂,桥桩与车站顶部净距小,当车站开挖后造成周边土体卸载,应力重新分布,使得上部桥桩和桥梁变形,进而影响桥梁结构稳定性及安全性。(3)如何从桥梁结构体系及车站自身施工工况分析,找出控制桥梁及车站自身变形的关键因素,提出相应的加强措施。3.2数值分析目的及意义本次数值分析的主要对象为红莲南里车站上部跨河桥盖梁的总体沉降及差异沉降,主要目的是通过车站开挖对跨河桥的安全性影响进行数值模‘拟分析一9J,预测车站开挖对桥梁的影响程度及可能带来的危害,从而提出洞桩法下穿桥梁设计关键措施,并制定出合理的施工工序,对危险部位事先采取防范措施,回避风险,最后确保暗挖车站安全和桥梁安全。本研究采用摩尔库仑(M.c)本构模型,数值软件采用迈达斯midasGTS。4三维有限元数值模拟分析4.1计算模型车站施工三维有限元模型如图2所示,模型长116.43m、宽60m、高50m,地面超载20kPa。土体—和加固后土体本构模型采用MohrCoulomb模型;上桥桩采用梁单元来模拟,下桥桩、边桩,中柱及中桩均采用植入式梁单元来模拟;车站大小及支护参数设置均按照图纸实际情况进行模拟,其中河底面层(厚度0.1m,C15混凝土)、导洞初支(厚度0.35m)、扣拱边跨(厚度0.35m)及中跨(厚度0.35m)均采用midas吣中析取的单元生成(2D平面应变模拟)。4.2计算参数数值计算中需要采用弹性模量计算,而勘察报告只提供压缩模量E;,图2迈达斯GTS模型网格划分铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(Ol1万方数据・隧道/地下工程・根据以往分析经验,弹性模量E一般可以取3~5倍E。,本文土体弹性模量为其压缩模量的5倍。小导洞超前注浆效果可视为在开挖面周围围岩中形成了约2.5m厚环状加固圈,这种注浆加固围岩采用改变围岩参数,即重新赋予材料属性的等效方法进行考虑。初期支护中的格栅钢架及网喷混凝土根据抗压刚度相等的原则都折算给了喷混凝土衬砌,采用线弹性壳单元进行模拟。数值模拟采用的土体具体计算参数见表1。计算过程主要划分为33个施工步(略)。表1土体物理力学参数天然重度/黏聚力/内摩擦压缩模层号岩土名称层厚(kN・rrl一3)kPa角/(o)量/MPa1.1杂填土O.716888l粉质黏土填土319.2291714.42粉土1.520.15182213.824中粗砂0.920828252.5圆砾卵石220.5530255卵石921540707卵石lO.221.5542809卵石1521.55459013砾岩7.720.7253561生卸荷效应,车站施工结束后底部土体有隆起现象,最大隆起量约为5.65mm。(2)跨河桥变形导洞间土体开挖及扣拱施工步下跨河桥竖向位移云图见图4。图4导洞间土体开挖及扣拱施工步后盖梁及桥桩的竖向位移云图………一。向水平位移值为5.65mm,出现在4号导洞上方的该施工步完成后,土体竖向沉降最大值约为地面位置)大于纵向水平位移,横向和纵向水平位20.435mm(车站上方),土体横向水平位移(最大横移均小于竖向沉降。由于车站开挖产生的卸荷效向水平位移值为6.03mm,出现在4号导洞上方地应,车站施工结束后底部土体有隆起现象出现,最面位置)大于纵向水平位移,且横向和纵向水平位大隆起量约为7.403mm。移均小于竖向沉降。由于导洞、导洞间土体开挖产(2)跨河桥变形铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(01)19万方数据・隧道/地下工程・车站施工引起的上部跨河桥竖向位移云图见图6。“”;:一图6车站施工结束后盖梁及桥桩的竖向位移云图车站施工后,上部桥梁及附属桩基最大沉降约为7.710mm(比导洞间土体开挖及扣拱初支施工步有所减小),横向水平位移大于纵向水平位移,且横向和纵向水平位移均小于竖向沉降。从图6可发现,每个盖梁上差异沉降不大,右侧盖梁和桥面部分因为下方导洞开挖发生沉降位移,左侧桥面位移则表现为上浮特征(上浮值较小)。4.3.3右侧盖梁变形及差异沉降不同施工步下最大沉降和最小沉降的位置及大小会不断发生变化,差异沉降也会随着施工步不断变化。右侧盖梁最大沉降、差异沉降随施工步变化情况如图7所示。l歪斌一’,,,■j,,,、,I,h—、/y、_●__一一最大沉降一差异沉降5施工步图7车站施工完后右侧盖梁差异沉降随施工步变化情况要影响了横向水平位移和竖向沉降,对纵向水平位移的影响很小。5风险工程关键措施通过以上数值模拟分析不难得出,采取车站导洞内超前地层加固以及桥梁盖梁基础加固等措施,选用合理的导洞施工顺序等关键施工工序,可确保车站安全通过桥梁,保证桥梁安全运营。5.1桥梁盖梁加固措施(1)车站施工前,预先对车站拱顶上方的一排桥桩基础盖梁采取顶升加固措施。如前面图l所示。(2)由地面打设袖阀管进行注浆,加固盖梁和桩基础周边土体,注浆浆液采用单液水泥浆,注浆压力控制在0.1~0.3MPa,注浆后土体强度需达到0.8MPa。5.2车站内超前地层加固措施(1)小导洞下穿桥桩施工前,对邻近桥桩一侧的边导洞和中导洞采用超前深孑L注浆加固地层,如前面图1所示。注浆浆液采用水泥一水玻璃双液浆,注浆压力0.5一1.0MPa,加固后土体渗透系数≤1×10一cm/s,加固体无侧限抗压强度不小于0.8MPa。(2)桥桩下方车站拱部初期支护(扣拱)施工前,也采用超前深孔注浆加固桥桩周边地层。5.3格栅钢架加密及增设临时仰拱措施车站主体下穿桥桩前后5m范围内,导洞及扣拱初支结构格栅钢架间距加密至450mm;邻近桥桩一侧边导洞和中导洞施工时,增设临时仰拱(116型钢,每榀钢架设置)。5.4关键施工工序(1)为了减少穿越段对桥基影响,采用单向开挖.即从L2到L1的施工方向。如图8所示。1£1。/④一£,2号施,/施号风工’/③一工风遭竖’/竖道竖井竖井柑’/②一横井横i西/;i精通道。/①一道通道道弋莲花河跨河桥万方数据・隧道/地下工程・(4)待边桩、中桩、冠梁、钢管柱、壁柱、顶纵梁全部施工完成并形成完整的闭合体系后方可进行初支扣拱施工。5.5其他措施(1)邻近和下穿桥桩段施工时,加强初支背后注浆及二衬背后注浆,严格控制注浆压力,必要时进行多次补浆。(2)车站施工过程中加强对桥梁和结构自身的监控量测,及时反馈信息,并根据监测结果及时调整施工参数,确保桥梁安全。6实际监测数据跨河桥4号墩柱基础位于车站顶部,3号墩柱基础距离车站较近。桥台盖梁为两跨连续结构,不均匀沉降对桥台盖梁影响较大,施工过程中重点对——QCJ4.1~3、QCJ313桥梁墩柱沉降进行了监测。上部跨河桥墩柱沉降监测点QCJ随时间变化曲线如图9所示。:||之:堕刍嘲爵铲!曳z喘:{■磷查塞壶二戮!≥州!i蚕三?;j制;i蚕是i;=;i;霎型船毫=Q㈣一;曹詈j!g!垡i;ji餐墼曼曼二=堂量=g墓羹堑i图9跨河桥墩柱沉降变形时程曲线从图9可以看出:(1)墩柱盖梁最大沉降位于4号墩柱、沉降值9.8l'l,lln.发生在导洞贯通后的车站主体结构施作阶段,与数值模拟分析结果基本一致。(2)墩柱盖梁最大差异沉降发生在4号导洞施工期间,与数值模拟分析结果差别较大,主要原因是4号导洞临时桥桩施工期间受盖梁加固、超前深孔注浆、施工过程控制等多种因素综合影响;最大差异沉降值与数值模拟分析结果基本一致。综上,墩柱盖梁最大沉降及差异沉降实际施工监测与数值模拟分析结果基本一致,验证了数值模拟分析的合理性。7结论本文分析了车站洞桩法导洞开挖、扣拱等车站铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY各关键阶段施工[1卜123对南马连道跨河桥安全性影响,研究出车站设计关键措施以及桥梁盖梁加固措施,制定出合理的施工工序,进行了数值模拟分析并与实际监测数据进行了对比,得到以下结论:(1)因车站开挖面积较大,且车站顶部距离既有桥梁和其桩基距离较近,大面积开挖产生的卸荷效应显著,导致坑外土体产生趋向车站内部移动的趋势,在土体变形传递效应的影响下桥梁及附属桩基产生一定的沉降和水平位移。(2)为简化模型,在数值模拟过程中,导洞一次开挖长度较大,和实际施工中不同导洞开挖面差距10m的情况不同,这会导致计算出的位移结果要比按实际施工工序来计算的结果要稍大。(3)有限元计算结果分析表明,跨河桥在红莲南里站车站主体结构开挖过程中产生了一定的沉降和水平位移(最大土体变形、桥梁),但各项位移指标数值均处在变形控制标准10mm之内,符合安全控制要求,结构安全,工程可行。(4)红莲南里站主体结构通过合理组织、精心施工,严格控制车站施工质量,确保了车站结构安全;严格控制车站变形,尤其是上部跨河桥的变形,确保了桥梁安全和顺利下穿。(5)本文也以盖梁和墩柱桩基的最大沉降为分析对象,对站厅层、站台层开挖与支护是否合并为一个施工步进行了初步模拟计算,结论是:两种工况下不合并工况比合并工况计算结果大0.6mm,影响较小,因此,后续工程分析可直接简化为一个施工步进行建模。参考文献[1]张成平,张顶立,吴介普,等.暗挖地铁车站下穿既有地铁隧道施工控制[J].中国铁道科学,2009,30(1):—6973.[2]张卫业.地铁车站穿越市政管线PBA工法施工沉降控—制关键技术[J].铁道建筑技术,2016(2):4145,53.[3]张志勇.地铁车站PBA工法导洞近接施工影响与分析—[J].现代隧道技术,2010,47(4):94100.[4]韦京,王芳,孙明志.PBA工法地铁车站下穿桥梁方案—优化研究[J].现代隧道技术,2014,51(6):101107.(下转第124页)2D,8徊TJ8l万方数据・其他・产品目标国家内存在的相关专利进行侵权比对,所依据的法律条款是目标国家的法律一J。如果一旦在目标区域排查发现了存在潜在侵权风险的专利,应先充分研究该专利的权利要求和技术方案,掌握其技术内容和保护范围,判断是否落人权利要求保护范围内,如果确定落人,可以采用规避设计方法合理避开,也可以向当地相关机构‘…主张该专利权无效1。“4做好走出去"的海外市场专利布局“”最好的防御是进攻,规避专利风险的重要途径之一是加大研究创新力度,对创新成果采用专利、商业秘密等有效方式加以保护,完善专利布局,…形成自主知识产权一。目前国内企业在列车运行控制系统领域PCT申请数量很少,在俄罗斯、东南亚区域申请的专利也有限,其出口规模和海外专利布局明显不匹配。鉴于上述情况,应在上述国家和地区,以无风险或低风险区域为切人点,结合当地技术布局特点,优先加快布局一批PCT专利申请¨2|。也可结合公司兼并收购政策实施,以收购优质专利资产、补强专利组合为目标,有计划地收购、控股具有一定影响力的当地企业,加快完成专利海外布局,增强国际竞争力。5结束语综合以上分析,专利已经成为了发达国家企业遏制中国企业发展的有效工具,为了防患于未然,应将专利预警工作前置化。专利创造是高速铁路(上接第81页)[5]李晓伟.地铁洞桩法施工对邻近桩基的影响及承载力—可靠度分析[D].北京:北京交通大学,2010:3369.[6]张志勇.暗挖通道包穿既有结构数值模拟及其应用—[J].现代隧道技术,2014,51(1):130137.[7]秦晓英.城市地铁车站PBA工法施工力学效应的数值—模拟研究[D].重庆:重庆大学,2008:3978.[8]李晓霖.地铁车站PBA工法的数值模拟研究[J].地下—空间与工程学报,2007(5):928932.124铁道建翁技术列车运行控制系统市场拓展与专利竞争策略的重点,如果没有了专利的创造与申请,高速铁路列车运行控制系统市场拓展与专利竞争策略就成了无源之水,无本之木。参考文献[1]池建军.从专利角度浅谈风力发电发展趋势以及专利—预警[J].装备制造技术,2012(10):8688.[2]赵平生,赵淑欣,王博.专利预警企业风险之防火墙—[J].中国发明与专利,2007(8):4445.[3]杨林生.专利权保护中的预警机制研究[J].改革与战—略,2007,23(12):1115.[4]王春芳.中国高速铁路知识产权现状、风险及对策研究[J].铁道建筑技术,2016(2):1.[5]林海剑.我国铁道建筑行业建立标准必要专利机制的必要性和可行性研究[J].铁道建筑技术,2016(9):124.[6]万勇兵,徐中伟,梅萌.CTCS一3级列控系统临时限速服务器建模与形式化验证[J].系统仿真学报,2013,—25(1):132138.[7]邹少文.客运专线列控系统模式探讨[J].铁道工程学报,2005(1):72.[8]张利华,罗志华.临时限速服务器安全评估研究[J].华东交通大学学报,2016(3):69.[9]谢小勇.构建企业专利预警应急机制[J].中国发明与—专利,2007(5):7980.[10]岳贤平,顾海英.企业专利预警机制研究:一个分析框—架[J].科技管理研究,2005(12):175178.[11]黄星.基于绩效棱柱模型的企业专利预警研究[D].武—汉:华中科技大学,2011:2022.[12]朱高明.国内外无砟轨道的研究与应用综述[J].铁道—工程学报,2008(7):2829.[9]杜建华,鲍薇,刘志娜,等.北京地铁十号线光华路站开挖群洞效应的数值模拟研究[J].北京科技大学学—报,2007(S2):3641.[10]徐磊.富水卵石地层洞内机械成孔塌孔处理技术[J].—铁道建筑技术,2015(5):7983.[11]罗富荣,汪玉华,郝志宏.地铁车站洞桩法设计与施工关——键技术[M].北京:中国铁道出版社,2015:3638,6993.[12]汪玉华.洞桩法地铁车站设计施工关键技术[J].施工—技术,2015,44(19):97100.RAILWAYCONSTRUCTloNTEcHNOLOGY2018101}万方数据
布丁老师
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