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文檔簡(jiǎn)介
1、<p> 洞樁法施工對(duì)地表沉降影響的有限元分析</p><p><b> 【摘要】 </b></p><p> 洞樁法作為一種新的地下空間淺埋暗挖施工方法,已經(jīng)在北京多條地鐵線路中得到大量應(yīng)用,其合理性和優(yōu)越性已經(jīng)得到初步證實(shí)。與此同時(shí),洞樁法還不夠完善,其施工過(guò)程仍然存在風(fēng)險(xiǎn)和難題,對(duì)洞樁法進(jìn)行研究,對(duì)其施工方法提出改進(jìn),有著重要的意義。本文研究?jī)?nèi)容
2、以北京某地鐵車(chē)站工程為依托,使用MIDAS/GTS有限元分析軟件,對(duì)其洞樁法的車(chē)站整體施工過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,分析各施工階段地表沉降的變化規(guī)律。希望為工程施工的改進(jìn)提供一定的參考意見(jiàn)。 </p><p><b> 【關(guān)鍵詞】 </b></p><p> 洞樁法;模擬計(jì)算;地層變形 </p><p> 中圖分類(lèi)號(hào):TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文
3、章編號(hào): </p><p> 近年來(lái),北京的城市規(guī)模迅速擴(kuò)大,持續(xù)增長(zhǎng)的人口對(duì)交通、住房、娛樂(lè)及公共設(shè)施等提出了越來(lái)越高的要求,作為城市立體交通的重要方面,城市軌道交通事業(yè)正蓬勃發(fā)展。受到地面建筑物、城市交通、道路、環(huán)境保護(hù)、水文地質(zhì)、施工機(jī)具、資金條件等因素的影響,暗挖法在北京地區(qū)被大量使用,目前采用的方法有: 全斷面法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法、側(cè)洞法、中洞法等。洞樁法作為一種新的地下空間施工方法,其
4、合理性和優(yōu)越性在北京地鐵的施工中已經(jīng)得到了初步證實(shí)。 </p><p><b> 洞樁法的物理意義 </b></p><p> 洞樁法的英文縮寫(xiě)是PBA,其含義是:P-樁(pile)、B-梁(beam)、A-拱(arc),即由邊樁、中柱、縱梁、頂拱共同構(gòu)成初期受力體系,承受后續(xù)施工過(guò)程的荷載;其主要思想是將明挖法、蓋挖法及分步暗挖法的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái),在頂蓋的保護(hù)下逐
5、層開(kāi)挖內(nèi)部土體,然后施作二襯,最終形成由初支和二襯組合而成的永久承載體系[1]。 </p><p><b> 洞樁法的優(yōu)缺點(diǎn) </b></p><p> 2.1洞樁法的優(yōu)點(diǎn) </p><p> 1.對(duì)城市地面交通及周邊居民干擾小。樁、梁、拱先期形成,構(gòu)成主要承受和傳遞荷載的空間框架體系,后期土體的開(kāi)挖都是該受力體系的保護(hù)下進(jìn)行的,不但保證
6、了安全,而且大大降低了開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響; </p><p> 2.地面沉降小。每一跨的頂蓋都是一次形成的,避免了結(jié)構(gòu)反復(fù)拆除對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng);拱頂二襯結(jié)構(gòu)施工較早,上部初支的暴露時(shí)間較短,依靠較早形成的樁、梁、拱整體支撐結(jié)構(gòu)體系的可靠支撐,可以有效減小地面沉降值; </p><p> 3.施工方式靈活。可采用單跨結(jié)構(gòu),也可采用多層多跨結(jié)構(gòu),內(nèi)部空間布置靈活,邊樁及中柱既可在地面施做
7、,也可在上導(dǎo)洞中施做,底部承載結(jié)構(gòu)可根據(jù)地層條件做成底縱梁或樁基,在大斷面、特大斷面工程施工時(shí)具有顯著的優(yōu)越性。 </p><p> 2.2洞樁法的缺點(diǎn) </p><p> 1.圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力和時(shí)空效應(yīng)復(fù)雜。由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),洞樁法在扣拱時(shí)跨度較大,扣拱施工存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn),圍護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要承受土體的側(cè)向壓力,還要承受上部覆土的荷載和地面超載,在樁頂還要承受較大的拱腳水平推力,車(chē)站一般不是
8、一個(gè)孤立的洞室,其下部基坑的開(kāi)挖還需要考慮群洞效應(yīng)的影響; </p><p> 2.導(dǎo)洞內(nèi)空間小。洞樁法需要在小導(dǎo)洞內(nèi)施工圍護(hù)邊樁,而受到經(jīng)濟(jì)條件和安全條件的限制,小導(dǎo)洞的空間不能過(guò)大,導(dǎo)致機(jī)械作業(yè)的空間狹小,由小導(dǎo)洞的狹小空間引發(fā)的洞內(nèi)鉆孔灌注樁階段在控制質(zhì)量方面的難度有所增大[2-7]。 </p><p><b> 工程背景 </b></p>&
9、lt;p> 地鐵車(chē)站的結(jié)構(gòu)形式為島式,長(zhǎng)約200m,寬約24m,有效站臺(tái)長(zhǎng)度158m,寬度14m,覆土厚度14m左右,車(chē)站主體結(jié)構(gòu)為地下兩層直墻三連拱結(jié)構(gòu),洞樁法主體隧道內(nèi)有小導(dǎo)洞8個(gè),其中上層小導(dǎo)洞4個(gè),下層小導(dǎo)洞4個(gè),采用臺(tái)階法施工。小導(dǎo)洞施工施工順序是:先施工上層小導(dǎo)洞后施工下層小導(dǎo)洞,先施工邊部小導(dǎo)洞后施工中部小導(dǎo)洞。 </p><p> 車(chē)站范圍自上到下主要包括以下土層:1粉土、2粉細(xì)砂、3卵
10、石圓礫、4粉質(zhì)粘土、5卵石、6粘土、7卵石。車(chē)站上層主體結(jié)構(gòu)位于第5層的卵石中,下層結(jié)構(gòu)主要位于第7層的卵石中。上層小導(dǎo)洞所處位置土層包括圓礫、卵石、粉細(xì)砂、圓礫石,下層小導(dǎo)洞所處位置土層包括卵石圓礫、粉質(zhì)砂土、卵礫石。 </p><p> 洞樁法施工過(guò)程模擬 </p><p> 車(chē)站整個(gè)洞樁法施工過(guò)程中,隨著開(kāi)挖步序進(jìn)行,分析不同施工階段對(duì)地層變形和地表沉降的影響。模擬計(jì)算中采用以下
11、幾條基本假定: </p><p> 1.土體采用摩爾―庫(kù)倫模型; </p><p> 2.假定地表和地層土質(zhì)均勻; </p><p> 3.襯砌和梁板柱采用線彈性模型,僅考慮彈性變形,荷載主要考慮土體和結(jié)構(gòu)自重、地面超載。 </p><p> 在建模時(shí)考慮到建模速度、網(wǎng)格數(shù)量、計(jì)算速度、內(nèi)存等方面因素,選取結(jié)構(gòu)斷面比較標(biāo)準(zhǔn)的地段作為計(jì)
12、算域,不同土層厚度做了適當(dāng)簡(jiǎn)化。上下范圍:車(chē)站結(jié)構(gòu)頂部到地表為覆土厚度,約為14m,下側(cè)邊界取導(dǎo)洞5倍洞徑;在圖中表示為隧道底以下18m,它從上往下總的高度為56m;左右范圍:受到有限元程序分析功能限制,三維模型取距車(chē)站中線左右各75米,總長(zhǎng)150m;縱向范圍:每榀1.8m,共20榀,即36m;計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15771,單元總數(shù)為21468。 </p><p> 圖4-1洞樁法車(chē)站計(jì)算模型網(wǎng)格劃分三維視圖
13、 </p><p> 根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制模型中間斷面各施工階段地表沉降曲線如下圖所示: </p><p> 圖4-2 中間斷面地表沉降與開(kāi)挖步序關(guān)系 </p><p> 根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出主要施工階段地表最大沉降與其占總沉降的比例如下表所示: </p><p> 表4-1 主要施工階段地表最大沉降與其占總沉降的比例 </p>
14、<p> 從上圖可以看出,計(jì)算模型中部斷面各個(gè)施工階段的地表沉降關(guān)于車(chē)站中線左右對(duì)稱,在距離車(chē)站中線40m以內(nèi)開(kāi)始有變化,在40m到20m之間的區(qū)域緩慢增長(zhǎng),在左右20m范圍內(nèi)沉降較大,在車(chē)站中線處達(dá)到最大值。在開(kāi)挖上層邊部小導(dǎo)洞的時(shí)候,可以看到,邊部小導(dǎo)洞被開(kāi)挖土體上方的地表沉降較車(chē)站中線處的地表沉降大,這與O Reilly,New等得到的兩個(gè)隧道距離較遠(yuǎn)時(shí)的地表沉降曲線的形狀一致。上層中部小導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后,車(chē)站正上方土
15、體沉降趨于一致,隨著下層邊部小導(dǎo)洞和下層中部小導(dǎo)洞的開(kāi)挖,整個(gè)計(jì)算模型的地表沉降曲線呈現(xiàn)出明顯的中間大兩邊逐漸變小的形狀,且這種形狀變化隨著后續(xù)開(kāi)挖的進(jìn)行而越發(fā)明顯。 </p><p><b> 小結(jié) </b></p><p> 車(chē)站施工過(guò)程的眾多階段中,最容易引起地表沉降的階段是小導(dǎo)洞開(kāi)挖階段和扣拱階段,這兩個(gè)階段引起的地表沉降占總沉降的比例高達(dá)70%,如何減少
16、小導(dǎo)洞開(kāi)挖階段和扣拱階段土體開(kāi)挖對(duì)周?chē)貙拥挠绊?,將是洞樁法控制地表沉降的主要研究方向?</p><p><b> 參考文獻(xiàn) </b></p><p> [1]惠麗萍,崔志杰. PBA工法―一種新的大型地下空間暗挖施工方法[論文集].施工技術(shù). </p><p> [2]郭永軍. 地鐵暗挖車(chē)站"PBA"洞樁法施工技術(shù)
17、[J]. 科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì), 2006,16(2). </p><p> [3]呂波. 洞樁法地下基坑時(shí)空效應(yīng)分析與施工技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2008,45(3). </p><p> [4]劉明忠,黃瑞金,范京玲.北京地鐵10號(hào)線團(tuán)結(jié)湖站洞樁法交叉部位扣拱施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(12). </p><p> [5]崔承武,王玉軍
18、.北京地鐵十號(hào)線光華路站中洞初支扣拱技術(shù)[J].西部探礦工程,2007,19(8). </p><p> [6]高憲民. 北京地鐵十號(hào)線國(guó)貿(mào)站的施工方法[J].鐵道建筑技術(shù), 2008(z1). </p><p> [7]王樹(shù)才,黃治平,安玉波. 北京地鐵十號(hào)線呼家樓車(chē)站主體施工方案比選[J].鐵道建筑, 2006(3). </p><p> 作者簡(jiǎn)介:孔原,
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