文摘
随挖随填法技术广泛应用于隧道工程领域由于其施工工艺简单、工作效率高,成本低。然而,基坑的安全性和开挖过程对环境的影响是十分关注的,特别是对于隧道,穿过湖泊或河流。在这篇文章中,一个新颖的隧道开挖和施工方法提出了太湖,是中国最长的lake-crossing隧道。在这种方法中,一个双排钢板桩围堰的设计(DSSPs)为了把整个开挖分为几个封闭区。在施工期间,四区被视为一个单位,和不同施工步骤进行了同时在每个区域。因此,建立了隧道开挖装配线加快施工速度。最具特色的挖掘这种方法的优点是不切断正常流动的湖水和航线,较低的环境影响。探讨隧道在开挖变形,采用有限元分析结合现场监测数据,表明隧道变形的大小明显小于其他挖掘项目报告。此外,地下水的影响桩和基坑的安全使用数值模拟揭示了。这项研究提供了一个新的想法隧道工程的设计和施工,尤其是特长水下隧道软存款。
1。介绍
水下隧道不可避免地建立在高速公路项目,使用drill-and-blast跨越河流或湖泊,shield-bored隧道和沉管方法(1- - - - - -4]。与上述方法相比,随挖随填法技术可能更适合在软土隧道施工5- - - - - -8)由于其施工工艺简单、工作效率高,成本低。然而,开挖引起的变形行为和环境影响都很大的关心工程安全性和生态保护。
保留建筑,比如隔膜墙、水泥混合桩,喷射灌浆列,和钻孔灌注桩,可以有效地控制变形行为。许多研究把重点放在了隔膜墙在开挖期间的性能。然而,很少有研究人员记录了钻孔灌注桩的挠度横向土壤运动引起的。Ong et al。9]研究了钻孔灌注桩的大变形量的直接结果由于边坡破坏土壤侧向运动。崔et al。10]研究了大型基坑的行为由钻孔灌注桩和倾斜支持钢铁struts。庄和昂11]讨论了连续的螺旋桩墙的野外观察系统受到意外地下水下降的影响。他们表明,地下水渗漏导致意外小墙挠度。周et al。12)提出了一个野外研究的抗压承载力prebored灌浆种植(PGP)桩和灌注桩嵌在深软粘土。然而,对于各种支持的基坑桩(即。,bored piles, cement mixed piles, and cut-off walls), the relationship between the deflection of bored piles and the excavation depth has seldom been investigated.
控制隧道变形的另一个关键因素是开挖和施工方法,特别是在土壤参数是在设计阶段决定的。划和施工方法,包括平行隔离开挖方法(13),垂直分区开挖方法(14),分裂交替开挖方法(15),通常用于随挖随填法隧道。在这些方法中,除以一个巨大的坑成几个小的区域,可以显著缩短开挖,刚性楼板可以尽可能早。然而,对于一个超长的水下隧道大开挖深度和卸载率高,隧道变形不得控制与常规施工方案。更重要的是,地表水的正常流动和航线受到这些施工方法,与潜在的严重的环境影响。因此,应该进一步探讨小说开挖和施工方法。
现场监测数据可以提供一个不准确但更容易适用预测隧道变形引起的深度挖掘,而这些数据是很有用的一个初步估计的挖掘性能。与实证结果相比较,数值模拟是最有效的工具来评估三维时空效应和隧道刚度特征(6,8,16- - - - - -18]。此外,数值解可以预测软土中应力-应变的实际开发复杂施工条件下(6,15]。因此,使用各种方法(即。,field monitoring and numerical analysis) to investigate deformation behaviours is vital for the construction of practical projects.
本研究的目的是提出一种新颖的开挖和施工方法,用于太湖隧道,在中国lake-crossing最长的隧道。为此,介绍了网站描述。然后这部小说开挖和施工方法的详细描述。新施工方法的影响隧道变形进行评估使用有限元分析结合现场监测数据。结果显示,该方法可以有效地控制隧道变形和提高整体稳定性。这项工作提供了一个创新的想法隧道工程的设计和施工,尤其是特长水下隧道在软土。
2。网站描述
2.1。项目概述
太湖隧道穿越太湖,是中国的第三大淡水湖19),是中国最长的lake-crossing隧道,隧道全长10.79公里,宽度43.6米。隧道是一个Su-Xi-Chang南高速公路的重要组成部分,连接城市苏州、无锡、常州(即。在中国,Su-Xi-Chang面积)。图1显示了太湖隧道的位置。采用随挖随填法技术在隧道的建设,结合double-raw钢板桩围堰的(DSSPs)。三个部分,包括西岸部分(WSS) (K23 + 900 - K24 + 410)湖部分(LS) (K24 + 410 - K41 + 561)和东部海岸部分(ESS) (K41 + 561 - k43 + 560),由隧道开挖。此外,深度从水面到隧道屋顶在4 - 8米,湖床下和土壤覆盖层的厚度范围从2米到6米。最大开挖深度为20.3米。
2.2。地质和水文地质条件
图2显示了土壤剖面沿隧道对齐,和图3总结了物理和机械性能的主要土壤层次的项目区域。土壤参数与典型岩土测试(即获得。,direct shear test, triaxial test, pumping tests, standard penetration tests, and oedometer tests), following the Chinese standard [20.]。隧道的地层单位网站主要由第四纪全新世杂项填补和淤泥质粘土层,上层更新世粘土、粉质粘土和淤泥层,以及泥盆纪ESS强风化砂岩。现场调查确定了三个主要沿隧道软土地层对齐,即①2②,4,③2。提出了桩基穿越通过这些薄弱层。此外,没有明显的大断层和褶皱的项目区域。
研究区域的地下水可分为孔隙水在第四纪全新世地层,在淤泥层承压水,强风化砂岩裂隙水。淤泥层是主要的研究区含水层,渗透系数的1 - 2个数量级高于上部和更低的层。此外,水化学类型项目区域地表水的Cl•4na,地下水是HCO3•所以4娜•Ca。
3所示。开挖和施工方法
传统的施工方法不适合太湖隧道,由于不利的土壤条件,太湖的严格的环境要求,设计要求的复杂项目。因此,一个创新的开挖和施工方法,提出了太湖隧道的建设。图4示意图显示了建议的施工方法。建设步骤详细描述如下:步骤1:DSSPs被用来形成多个封闭区域,即WSS和区# 1(图4(a))。排水后湖的水和疏浚工作,钻孔灌注桩,截止的墙壁,和水泥混合桩准备关闭的开挖区。步骤2:堤坝和横向DSSPs维护施工车辆的顺利流动,空间被发掘到所需的级别以及基金会脱水,和围护结构构造,以确保基坑的稳定性在WSS和区# 1(图4(b))。与此同时,带# 2是由指步骤1。步骤3:隧道辅助结构WSS和区域# 1中实现安装,步骤1和2区3 #和区# 2,分别(图4(c))。同样,区域之间的横向DSSPs位于# 1和# 2被移除。步骤4:隧道屋顶和地面之间的差距都是WSS和区# 1,第一个地球围堰WSS和# 1区之间构造沿横向的位置DSSPs在步骤2中,堤坝和截断回填(图4(d))。同时,步骤1、2和3进行了带# 4,# 3,# 2区,分别。应该注意的是,地球围堰是构建两个区域的频率。第五步:WSS的纵向DSSPs被允许湖水流正常,带# 2中的土壤回填,隧道辅助结构区建立了# 3,和# 4区的土壤挖掘(图4(e))。此外,第二个地球围堰区之间建成# 2和# 3。
在拟议的方法中,四个区域视为一个单位,和不同施工步骤进行了同时在每个区域。因此,建立了隧道开挖装配线加快施工速度。挖掘并没有切断的正常流动的湖水和航线,因为DSSPs的安装和拆除。因此,该方法的优点是低环境影响,使用回收材料,快速施工。
4所示。现场监测
监控隧道的变形行为,长期全面的现场仪表程序沿着隧道进行对齐。以# 1区为例,观察变形行为包括DSSPs的垂直和水平运动,垂直运动的顶部钻孔灌注桩、钻孔灌注桩的变位,地面定居点,和地球的定居点围堰。
4.1。固定的结构
图5提出了一种典型截面的北侧区域# 1。显然,DSSPs钢筋连接的15米长,和嵌入长度10米。上面的空间的地面6米宽度充满了粘性土的压实是至少90%。顶部的截水墙是边坡长度16.3米,宽度为0.85米。两级边坡的高度是7.2米的坡比1:1.5,而支持的深度钻孔灌注桩是8.9米。正截面的配筋率的钻孔灌注桩为0.45%,和550 kNm弯矩能力。限制钻孔灌注桩的横向变形量,建立了两个级别的struts。第一级C30混凝土支柱是直径0.8米和1.2米的间距,而Φ609 @ 16钢管用于第二个层次。此外,水泥混合桩安排加强地下基坑底部的下方,桩间距为8.0米,直径0.8米,长20.0米。
地球围堰,作为第二横向围堰,是用来防止湖水进入DSSPs开挖后删除。高度,宽度,底宽,坡度比地球的围堰位于WSS和区之间# 1是5.0米,3.0米,33.0米,1:3,分别如图6。
4.2。施工阶段
表1总结了主要施工阶段的区域# 1。网站的建设工作始于DSSPs,其次是湖水的排水和疏浚工作区域。钻孔灌注桩的施工后,截止的墙壁,和水泥混合桩开挖活动开始于9月10日,2018年,终于2019年4月13日。减少隧道变形、二级struts后马上安装相应的土层被发掘。隧道辅助结构构造与楼板的铸造和struts,和土壤回填从隧道顶部到地面。最后,地球围堰完成5月13日,2020年,后被监控的纵向DSSPs WSS的去除。
4.3。仪表
图7显示的仪表布局区域# 1。的运动DSSPs观察74监视点,编号为S1 S74大约15米的间隔。钻孔灌注桩的变位是由40个测斜仪监测管(指定为B1 3和间距为大约20米),固定在钢筋笼为每个测试混凝土的前面板。每个测斜仪的分辨率为0.1毫米/ 500毫米计量长度。此外,垂直运动上衣的钻孔灌注桩是用水准测量仪器。调查地面定居点,44监视点,指定为G1 G44和,每隔20米左右设置顶部的斜坡区# 1。十二个监视点的定居点地球围堰如图7。地球的数据阅读围堰后被删除的纵向DSSPs WSS,和频率的数据阅读每隔三天。
不幸的是,一些测斜仪管在施工和结算点受损。因此,剩余的可用数据提供了电子辅助文件,也可以在网上找到https://www.researchgate.net/publication。
5。观察到的变形行为
5.1。垂直运动的DSSPs
DSSPs充当围堰被用来防止湖水进入挖掘,这是直接关系到整个项目的稳定性和安全性。因此,有必要监控的垂直和水平运动DSSPs在开挖。图8显示了纵向的垂直运动的发展在开挖期间DSSPs。很显然,双方的纵向DSSPs区# 1在施工期间经历了显著的定居点。铸造后地板板和安装辅助结构,定居点往往随时间稳定,这意味着楼板和辅助结构可以帮助稳定DSSPs的垂直运动。测量最大运动是沿着S12大约28.05毫米的北侧区域# 1,仍然被控制在允许的值(即。,30毫米)。
(一)
(b)
图9显示垂直运动的发展,区域之间的横向DSSPs位于# 1和# 2区开挖。与纵向DSSPs的垂直运动相比,那些横DSSPs沿着S41 S45相对较小,大约−10到15毫米。这表明,基坑开挖的强烈影响纵向DSSPs横向DSSPs以上。
5.2。水平运动DSSPs
图10介绍了纵向的变化在水平运动DSSPs在开挖。总的来说,纵向DSSPs是积极的水平运动,表明纵向DSSPs搬到开挖边在水平方向上。水平运动迅速增长阶段1 (b)和(c)(表11),然后波动广泛在土开挖,这表明土壤挖掘影响水平运动比在纵向DSSPs的垂直运动。一些因素促成了这些水平运动:(1)湖的静水压力水,(2)造成的水动压力波行动,和(3)力量不平衡,因为开挖。然而,监控的数据点S59超过了控制(即价值。,30毫米)。因此,必须采取相应的措施来控制变形。
(一)
(b)
图11显示的发展水平的横向运动DSSPs在开挖。很明显,水平横向DSSPs动作的大小是小于纵向DSSPs。这可能发生,因为湖水的排水区# 2减少横向DSSPs上的不平衡力。一些快速下降发生在1月20日,2019年,表明横向DSSPs搬到湖的一面。背后的袋装土安排DSSPs可能导致了这一现象。
5.3。歪斜的钻孔灌注桩
钻孔灌注桩的侧向挠度可能与现场开挖和楼板的铸件。发展的钻孔灌注桩的侧向变位B36和最大变形量在几个监视点呈现在图12。钻孔灌注桩开始开发深层动作向开挖边随着开挖的进行低水平阶段2 (e)和2 (f)。横向偏转达到最大在随后的楼板的施工阶段3 (a)。钻孔灌注桩是8.95毫米的最大挠度在B36区南部的# 1。
(一)
(b)
图13显示测量最大挠度之间的关系在每个开挖水平,δ嗯挖掘深度,He。显然,测量δ嗯是分布在 和 。某些情况下历史呈现在图13为目的的比较。这些案例记录表明的上下边界δ嗯在这个网站明显小于克劳夫和O’rourke报道21硬粘土的发掘,通过哈沙什et al。22)的发掘medium-stiff波士顿粘土,谭和魏6)上海软粘土的发掘。因此,钻孔灌注桩的变形相对较小的比文献中报道。地下结构的广泛使用,如截止墙壁和水泥混合桩、楼板的快速铸造,钻孔灌注桩的快速建设可能导致这一现象。值得注意的是提到渗透力的影响钻孔灌注桩的侧向挠度并不认为因为防水的结构。
图14总结了标准化的最大挠度, ,和规范化的保留系统刚度、 ,在这个网站, 定义了克劳夫et al。23]。对基底起伏的安全系数计算基于Terzaghi[所使用的方法24]。王六病历报告的et al。25也包含在这图进行比较。可以看出,观察到 从开挖范围内下降提出克劳夫et al。23),它似乎是独立的 。
5.4。垂直运动的顶部钻孔灌注桩
图15说明了分布的垂直运动的顶部钻孔灌注桩在施工期间。出乎意料,钻孔灌注桩经历了明显的起伏而不是在开挖定居点。上层土壤的挖掘和释放压力导致的肿胀土壤在基坑底部,然后土壤发生的弹性和塑料反弹6]。除此之外,钻孔灌注桩周围的土壤运动可能也会导致这种现象。测量最大运动大约是21.51毫米B4的北侧开挖。
(一)
(b)
5.5。地面定居点
图16总结了地面定居点的发展δ虚拟机在G39 G3, G40, G41, G42, G43。地面定居点增长的挖掘坑直到楼板的铸造,然后趋于稳定。和解的北侧坑表现出类似的趋势,在南边。波动在结算的坑边坡开挖过程中观察到地下,这可能是由于两个因素:(1)降雨和(2)车辆频繁经过约13.3米。此外,测量范围的地面沉降是5 - 15毫米,11.25毫米的最大价值在G42。因此,基于新的施工方法,地面定居点的基坑中控制允许的值,即。,30毫米。
图17情节之间的关系测量最大的地面沉降,δ虚拟机,每个开挖深度,He从台北,3例历史21),波士顿22),和上海6]介绍了为目的的比较。它可以显示δ虚拟机有界的 和 。发达的边界δ虚拟机带# 1是远低于克劳夫和O’rourke [21台北硬粘土的发掘,谭和魏6在上海软粘土,哈沙什et al。22在波士顿medium-stiff粘土。
更好地说明结算资料的特点,地面沉降由其相应的规范化δ虚拟机绘制在图18。两个常见的概要文件和几个王等人收集的可用数据。26)在上海软粘土也比较在相同的图。可以看出 挖掘出的测量范围从0.21到0.98,证实了施工方案和相关措施的有效性。
5.6。地球的定居点围堰
去除后纵DSSPs WSS的地球围堰是构造防止湖水进入挖掘现场,2020年6月10日。图19显示的是测量地球表面定居点围堰。上游侧的定居点被发现在11-26毫米的范围,而开挖一侧范围从0.5毫米到14.0毫米。
(一)
(b)
6。数值模拟
基于现场监测数据在这项研究中,发现DSSPs的垂直运动的大小大于水平的运动。此外,最大挠度和结算在文献中报道的典型。为了更好的展示基坑的性能,建立了平面应变数值模型基于案例研究。
6.1。有限元数值模型
与PLAXIS有限元模型,解决了二维软件,如图20.。模型的长度和深度是100米和42米,分别。底部的位移限制在两个方向,和零水平位移施加在外侧边界。淤泥层模拟是在排水条件,而粘土层被建模为在不排水条件下。此外,静水压力载荷的线性DSSPs与水深的关系。采用莫尔-库仑本构模型的数值分析。围护结构(如钻孔灌注桩,混合水泥堆和截水墙)被假定为线弹性材料,指的是文献[9,10,18]。数值模型中使用的每一层的参数如表所示2。保持结构的本构参数如表所示3。
6.2。横向土壤运动
图(21日)显示一个垂直运动的比较之间的DSSPs有限元方法和测量。结果表明,数值结果的测量有相似的趋势。有限元方法和测量之间的差异在10.02% - -45.01%的范围,验证数值模型的正确性。土壤分布的横向运动的基坑第三阶段(一)如图21 (b)。清楚地看到,横向土壤的价值运动达到2.87厘米,在淤泥质粉质粘土。
(一)
(b)
6.3。渗透力的影响
一个假设的数值案例研究,揭示了地下水对钻孔灌注桩的变形的影响。在假设的情况下,抽水井地下水被忽略,被认为是土壤不排水层。图22显示了一个比较桩变形之间的实际情况和假设的情况。的最大挠度钻孔灌注桩在实际情况下是2.12厘米,而受地下水影响钻孔灌注桩是4.11厘米。使用强度降低的方法,基坑的安全系数为1.61和1.39两种情况。因此,渗流压力导致了大堆偏转和低基坑的稳定性。
(一)
(b)
7所示。结论
本文提出一种新颖的太湖隧道开挖和施工方法,这是中国最长的lake-crossing隧道。装配线的新方法,建立了隧道开挖,加快施工速度,挖掘并没有切断正常流动的湖水和航线。探讨隧道变形,有限元分析结合现场监测数据。可以得出以下结论:(1)DSSPs经验的定居点在垂直方向和运动对开挖面在水平方向。最大垂直和水平运动是28.05毫米和-39.53毫米,分别。此外,横向DSSPs的变形的大小是小于纵向DSSP。三个因素可能导致这种变形:(1)湖水的静水压力,(2)波浪作用,(3)土壤挖掘。(2)的最大横向变位钻孔灌注桩在开挖深度之间 和 。然而,的值明显小于测量报告的深谷,O’rourke21硬粘土的发掘,通过哈沙什et al。22]soft-to-medium发掘的粘土,棕褐色,魏6)上海软粘土的发掘。地下结构的广泛使用,比如截止墙壁和水泥混合桩,楼板的快速铸造,钻孔灌注桩的快速建设可能会导致这种现象。(3)钻孔灌注桩竟然经历过起伏而不是定居点,和最大垂直运动的顶部钻孔灌注桩大约是21.51毫米在基坑B4的北侧。土壤的弹性和塑料反弹底部的基坑和周围的土壤运动钻孔灌注桩等可能导致上升运动(6]。(4)地上的定居点和开挖期间增加,然后趋于稳定后楼板的施工。因此,铸造的楼板和隧道建设的辅助结构稳定的支护结构和周围的土壤。上下边界的最大地面定居点在每个开挖深度是有界的 和 ,这是低于文献报道[6,21,22]。最后,地球的定居点围堰,位于WSS和区域之间的# 1,本研究中所示。(5)比较领域的性能暴露的更大影响隧道开挖,简单应变数值模型建立了基于莫尔-库仑破坏准则。两个数值例进行研究地下水对桩的变形的影响,表明渗流力导致了大堆偏转。基于强度还原法,基坑的安全系数为1.61,在隧道开挖满足安全要求。有限元分析结合现场监测数据表明,开挖和施工方法能有效地控制隧道变形和提高整体稳定性。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这项研究的出版物。
确认
作者欣然承认的主要研究项目提供的资金支持中国的国家自然科学基金(批准号91747204)和江苏省交通工程建设项目局(批准号818100116)。