如图 1、天津地铁7号线位于天津,中国。地铁线路总长度26.5公里,这是构造成twin-bored单轨和21个车站隧道。根据设计文档,区间隧道从丽江路站到肿瘤医院站必须通过公司的相邻桩组桥。双隧道外径的6.0米的衬砌厚度0.3米被发掘利用两个土压力平衡(EPB)盾构隧道钻孔机。上方的上覆岩层隧道从17.3至19.1米不等。公司桥是一个码头列,甲板结构混凝土连续箱梁宽度为7米。每个桩帽下,有四个钻孔灌注桩直径1米,长度为40米,2.6米的间距。

空间桩组和盾构隧道的位置关系可以在图中找到 2。研究区域之间的直线设计里程YDK21 + 134.382和左线设计里程ZDK21 + 201.596。隧道非常接近桩组和最低水平距离从左行桩是0.8米。正确的线和相邻桩之间的距离是1.18米,1.20米,1.64米,分别。

施工现场位于marine-alluvial海岸平原。如图 3,从地面层60米的深度分为7层的土壤特征,即。,miscellaneous fill layer, brown to brown grey silty clay layer (CL-1), brown grey silt layer (ML), gray silty clay layer (CL-2), black grey to gray silty clay layer (CL-3), grayish yellow silty clay layer (CL-4), and yellowish brown silty clay layer (CL-5). The shield machine mainly crosses through the gray silty clay layer (CL-2) when arriving at the Shiyou Bridge. The groundwater in this area is Quaternary pore water which can be divided into phreatic water and confined water. The depth of phreatic water is 2.5 m–3.8 m, and the confined water mainly exists in the silt layer and silty sand layer which is below the tunnel. Therefore, the influence of underground water is not considered during shield construction.

根据不同土壤层次、原状土与七深度点钻在工程现场进行室内三轴压缩试验。至少6测试土壤样本准备每一层土壤获得的网站。和consolidated-undrained剪切测试样本进行了不同围压下100 kPa和350 kPa之间50 kPa的压力增加。图 4显示了第五层土的应力-应变曲线在不同围压下。从测试曲线,可以看出,随着剪应变的增加,剪切应力逐渐增加,剪切应力增加速度在初始阶段。当剪切应变的增加在一定程度上,剪切应力的增加趋势减缓,逐步达到峰值。样品的强度参数如表所示 1。

在测试期间土壤样本反复加载。图 5显示了第四层土壤重复载荷作用下的应力-应变曲线,可以得出这样的结论:土壤显示小围压下的软化特性,但随着围压的增加,土壤表现出硬化特征。土壤样品的峰值的优势增加随着围压的增加。盾构隧道的深度约20米,在桩基和盾构隧道的影响区域主要集中在第四层的土壤。因此,土壤应该考虑的硬化特性的本构模型。

根据天津地铁7号线项目的概述,有许多桩沿构造线。采用有限元软件Midas GTS数值模拟。考虑边界的影响对计算结果精度的影响,该地区最危险的建筑被选中来构建一个三维有限元模型分析隧道施工的影响相邻桩12日组。一个透视图的数值模型如图 6。网格应用于该模型包括37254个节点和73193个元素。身体维度的土壤被选为120米(长度)×120米(宽)×65(深度)。土壤质量、承台帽和隧道衬里模拟使用四面体元素。盾和桥面模拟板元素。和梁元素被用于桩。在这个模型中,土体和桩被视为连续固体。盾构机被简化为连续壳。隧道衬里被模拟为连续固体不考虑关节。模拟边界条件、位移的四个垂直边界设置为零的水平方向,垂直免费解决。 Furthermore, the bottom boundary was fixed, and the top boundary was free.

数值模拟结果的精度主要受到两个因素的影响:本构模型和计算参数。通过三轴试验、天津软土的应力-应变曲线的主要特征是,研究表明随着围压的增加硬化行为。各种本构模型的适用性geomaterials已经研究了典型的天津软土。莫尔-库仑和Drucker-Prague本构模型数值模拟中常用并不反映硬化特征。因为它是假定软土的抗剪强度不会改变随着时间的推移,不是采用的修正剑桥模型。最后,软土的本构行为建模,针对摩尔-库仑模型,不仅可以弥补修正莫尔-库仑模型的不足,还模拟软土的硬化行为。针对摩尔-库仑本构模型考虑修改后的土壤刚度和应力状态之间的关系和采用双硬化模式方向剪切和压缩方向。它的屈服准则包括非线性弹性部分和塑料部分。此外,相比之下,莫尔-库仑模型,针对摩尔-库仑模型修改后的计算效率。

土壤参数采用数值模拟主要是确定从当地相关调查数据和实验室检测(表 2)。桩、隧道衬里,保护身体,和灌浆被视为线性各向同性弹性材料。网(50 MPa立方体强度)混凝土在隧道衬砌,和这件(25 MPa立方体强度)混凝土用于桩。表 3介绍了桥梁结构的参数和材料。

在数值计算中,土体的力学模型是高度非线性和soil-pile接口是不连续的。这两个因素导致nonconvergence问题在计算过程中。本文研究了桩属于摩擦桩,其承载力主要取决于桩侧摩擦。大型挤压的力量的作用下盾构施工,桩土界面会产生位错滑移。因此,界面元素被用来模拟桩-桩侧和基础的相互作用。由剪切刚度的接口 K_t,正常的刚度 K_n,最后的剪切力。最后一个剪切力的极限剪切强度桩周围的土壤,从实验室测试。朱( 51)采用现场试验研究桩在粉质粘土接触关系。结果表明,剪切刚度随桩身的正常压力的增加,和的值 K_t在35.7 MPa /米和102 MPa / m。盾( 52)研究通过现场试验桩的参数界面。结果表明, K_t值是1/10和1/100的之间 K_n值,当 K_t值超过0.1 MPa / m的顺序时,桩土界面的参数影响较小,接近由软件计算的结果。基于先前的研究和不断尝试在软件,桩土界面的参数用于分析如表所示 4。

一个典型的“循序渐进”的方法是采用模拟盾构施工过程( 13, 53, 54]。数值模型包括三个主要步骤,即。,shield tunneling, lining assembly, and shield tail grouting. As shown in Figure 7造型,下面的序列是: (1)

本文只考虑盾构隧道在群桩的影响。因此,第一步是模型wished-in-place桩和桩的轴向荷载确定加载测试应用于桩头。然后,位移被重置为零。

在每个施工步骤的顺序开挖,一片土壤元素的释放在模型和相应的元素被激活或不激活。施工模拟,有120步(在每个开挖步骤一片)总;左边是推进第一行,然后正确的线被发掘。

如图 8(一个)深孔注浆方案的实现过程注入cement-sodium硅酸盐水泥浆均匀的一半或全剖面的盾构隧道。注入泥浆挤压,渗透到周围土壤现有的隧道,从而改变土壤的物理力学参数和地下水的渗流路径。随着土壤的整体实力增加,盾构隧道产生的挤压力量更消耗在增强土壤,从而减少盾构在群桩基础的影响。灌浆方案具有成本低、噪音低、振动小。先前的研究表明,深孔注浆加固方案能有效减少地面沉降。

类似于深孔注浆方案,强化了现有的群桩基础灌浆桩(图 8 (b))。灌浆改善桩周围的土壤力学性能,形成桩侧土和桩群地基与高强度作为一个整体。此外,桩土界面的力学性能改善灌浆。皮肤摩擦桩充分发挥,桩基础的承载能力也提高。然而,由于桩基研究是只要40米,桩基周围的灌浆加固方案很难构造。所以不建议采用这个方案。

图 9介绍了隔离桩的方案和隔墙。盾构隧道施工将产生很大的挤压力量。的挤压力量传递到桩基础周围的土壤作为一个媒介,对桩基础有很大的影响。为了减少这个力的传输,隔离桩或隔墙安装桩基础与隧道。隔离结构的刚度是用来阻止施工过程中的挤压力量,控制周围的土的变形和保护附近的群桩基础。先前的研究表明,该方案可以缓解现有桩从差动位移,从而提高桩的力学性能。然而,隔离方案的实施极大地影响到建筑工地,桩基础之间的距离和盾构隧道也是有限的。当隧道太靠近桩,隔离结构的施工会引起土壤和沉降也会有一定的对桩基的影响。沿着建设有许多桩组线,和堆到隧道的最小距离是0.8米。因此,采用隔离计划是不切实际的。

盾构隧道有更大影响桩基础的承载力,从而影响桥梁结构的安全。图 10 ()显示了活跃的桩基础技术。通过建立新的桩基础,在现有桩基荷载作用可以转移到通过支撑梁支撑桩。盾构施工期间,大部分的外部负载将被加载到新桩基础,导致解决新桩基础。被动桩基础技术扩大承台的结构,形成新的桩组轴承系统与现有新桩和桩,呈现在图 10 (b)。新桩基础份额上负载的一部分,以提高现有桩基的承载力。被动桩基础方案可以应用到项目研究。

图 12垂直位移的计算结果进行了比较,整个模型在盾构隧道的三个方案。结果表明,桥隧道施工引起的沉降明显减少后采用防护方案。其中,最大沉降没有保护大约是8.0毫米。桩基方案的支撑和深孔灌浆,最大沉降约2.9毫米和4.4毫米,分别下降约63.2%和45.4%。这样减少推断深孔注浆对降低整体解决方案具有更好的效果。从计算结果可以看出,帽和相应的上层建筑经历了几乎相同的解决由于混凝土弹性材料的使用。此外,它可以从图中找到 12 (c)隧道开挖后,桥梁结构(包括桥楼甲板、码头和帽)有一个很大的和解协议,特别是上层建筑的群桩基础的沉降(F2)是最大的(约7.8毫米),这表明,盾构隧道确实对桥梁结构的稳定性有很大的影响。在与图 12(一个),很明显,解决整个桥是显著降低深孔注浆后的沉降分布相似不加固的方案。这是由于灌浆改善周围的土壤的强度,从而减少隧道开挖对整个桥的影响。而桩基基础方案图 12 (b),很明显,整体解决桥以及相邻桥墩的沉降差是最小的三个方案。群桩基础加固后的F1, F2,季,F12,解决相应的上层建筑显著减少,而最大沉降发生在F5、F6的上层建筑。使用基础桩基加固桥梁结构,挖掘隧道时,负载转移到支撑桩来取代邻桩承担负载,使结构更稳定的力和更加统一结算。结果表明,桥是安全的隧道开挖。深孔注浆方案降低了整个桥梁结构的沉降,沉降分布的桥是类似于不加固的方案。桩基基础方案具有更好的解决影响桥梁结构的控制。桥梁结构的沉降分布发生了变化,上层建筑的解决钢筋桩基础已大大减少。

隧道开挖引起地表沉陷,形成沉降槽,桩基础在表面的存在会改变槽的形状。图 13获得从地面隧道纵向沉降数据吗 Y= 42 (F2桩基的影响) Y= 55 m(不影响桩基础)。从图 (13日),地面的沉降最大值正是帽所在地,和解决地面的帽子比这大得多,这表明隧道施工有对桥梁结构的影响大于土壤。深孔注浆方案大大减少了地面沉降,但在F2和解仍相对较大。桩基基础方案不仅减少了桩基础对土壤沉降的影响也减少了地面沉降由于F2的强化。从图可以看出 13 (b)这三个沉降曲线根据中心线的对称的两个隧道。直接挖掘隧道时,v型沉降曲线,最大的地面沉降达到约3.1毫米。在桩基基础方案和深孔注浆方案,它可以发现明显的沉降槽形成隧道施工后的地面。此外,两个防护方案下的最大地面沉降约1.8毫米,和他们的地面沉降曲线基本重合,表明控制两种方案对地面沉降的影响是相似的,和效果显著(减少41.9%)。地面变形的实测数据得到了盾构开挖一段天津地铁( 59]。地表沉陷的测量结果如图所示 14,最终表面沉降小于4毫米。的测量结果可以看出,在同一地区类似项目基本上是与计算结果一致,从而验证有限元方法的计算结果是可靠的。

盾构隧道的挤压作用将导致某些邻桩基础水平位移。外部负载时仍然是应用于变形桩基础,桩基础将处于不利状态的偏心压缩,这是非常有害的桩基础。因此,有必要讨论和分析桩的侧向变形的重要参数。盾构工程项目竣工后,隧道开挖方向的水平位移小于,方向垂直于隧道开挖。出于这个原因,后者的数据被选中,如图 15。根据计算结果,桩基础的最大侧向变形是没有强化约8.4毫米。指建筑桩基础的技术代码(JGJ 94 - 2008) ( 60),桩基侧向变形的敏感建筑不应超过6毫米,和桩基侧向变形的一般建筑应小于10毫米。这意味着一些桩的侧向变形超出了规定的报警值的代码,而这些堆在一个危险的工作状态。因此,有必要采取一些缓解措施保护桩。桩基础的最大侧向变形减少到5.1毫米和3.1毫米桩基基础和深孔注浆后,分别,这大大小于桩的变形没有保护。图 15 (d)显示了桩基侧向变形的隧道只有0.8米的距离。可以观察到的最大侧向变形发生在深约20米,恰逢隧道的深度。桩基侧向变形的两个防护方案被采用后明显减少。和横向变形后的桩深孔注浆是最低的,它可以推断出深孔注浆方案会导致更好的机械性能的桩与土相互作用。

在模型中,桩基础的单元坐标系的方向不同于模型的坐标系统。的 Y桩基础的单元坐标系的方向 X模型坐标系的方向(垂直于隧道的方向),以及 Z单元坐标系的方向 Y模型的方向坐标系统(隧道的方向)。图 16显示了沿着桩弯矩的分布在三个方案。它可以观察到,如图 16,盾构隧道产生的挤压力量导致桩的弯矩显著增加,尤其是在隧道附近。最大弯矩出现在相应的隧道,深度和盾构隧道的影响范围在桩身的弯矩是约一个时间隧道的直径。结果表明,两种保护方案大大减少了桩的内力影响盾构隧道在这两个方案的最大桩弯矩减少39.9%和34.8%,分别。盾构隧道后,F1和F11群桩基础是最受到影响,但弯矩而言,他们能够承受相应的水平变形。通过比较数据 (16日)- - - - - - 16 (c),很明显,深孔注浆方案的保护效果优于桩基施工过程中支撑。针对这一点,建议采用深孔注浆方案保护桩组。

通过比较计算结果的应力和变形桩组在上述三个工作条件下,发现桥的桩组和上层建筑保护施工期间经历了巨大的变化。采用两种保护方案,桩的应力和变形组织,桥梁结构和土壤都大幅下降,这表明保护作用是显而易见的。然而,仍然有一些差异的两个方案。其中,深孔注浆方案具有更好的控制效果的横向变形和桩身的弯矩,而桩基基础方案具有更好的有效性降低桥梁结构和地面的沉降变形。桩基础方案的缺点是,桩的水平位移接近隧道仍相对较大的隧道后,这个技术将是有限的建筑工地。桩基础施工工期很长但也不仅影响桥上的交通。此外,软土的性质可能更糟的是在实际的隧道,和深孔注浆方案可以改善土壤的力学性能,确保在地铁隧道结构的稳定操作。因此,基于上述两个方案的比较分析,深孔注浆加固方案是一个更好的选择。

这个项目仍然在设计阶段演示中,之间没有比较分析监测数据和计算结果。但根据计算结果和以前的测量数据的分析,可以认为本文的计算结果是可靠和工程安全评价可以发挥指导作用。由于数值计算的局限性和有限元分析的假设,很难使定量和准确预测工程。因此,根据计算结果和工程的经验,应该安排更多的监视点敏感结构,更要注意监控。实时监测应在盾构施工桥梁的变形。当它发现监测数据超过报警值,应该及时提醒,确保隧道的顺利推进。