CN102071689B - 既有隧道近旁静压桩的优化施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种建筑施工技术领域的用于隧道构建中静压桩的优化施工方法，通过确定设计参数与隧道附加弯矩和原弯矩比值的关系图；静压桩基工程场地的地质资料以及既有隧道结构的信息采集；根据静压桩的截面尺寸、长度、场地土层的物理力学性质、地下水位的埋藏深度和水位标高、土层的渗透条件，结合既有隧道结构的具体形式，应用三维差分数值分析方法，确定静压桩施工对既有隧道的危害程度；根据隧道附加弯矩和原弯矩的比值确定能有效保护隧道的隔墙尺寸和位置并进行隔墙施工。本发明步骤简单实用，与现有方法联合使用可以大大减轻对既有隧道结构产生的不良影响。施工后可恢复地面，且施工方便，使用安全。
Description
既有隧道近旁静压桩的优化施工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种建筑施工技术领域的方法，具体是一种用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法。
背景技术
[0002] 随着市政和城市交通设施建设需求的不断增加，出现了大量邻近既有隧道的新建地下工程。桩基础是在天然地基满足不了承载力和沉降量要求的情况下，被广泛采用的一种建筑基础形式。近年来，静压桩由于具有噪声小、无振动、施工速度快、经济安全等优点更是得到大量应用。静压桩有一个特点，就是沉桩时需要置换同体积的土，使周边土体产生较大的位移。在饱和软粘土中施工，由于软粘土的透水性能较差，沉桩时土中的地下水来不及消散，造成土中孔隙水压力上升。而地层变形和超孔隙水压力会对既有隧道结构产生不利影响，有可能使隧道结构产生较大的变形，导致渗漏或衬砌结构和道面结构层开裂、结构承载能力下降，影响其安全正常使用，情况严重的甚至会导致其毁坏。
[0003] 经过对现有技术文献的检索可以发现，蒋建平等在“Architecture Technology"(《建筑技术》)(2004年第3期第173至175页）上发表的“桩基工程引发的环境问题及其防治技术”（文章编号：1001-4276 0004)03-0173-03)中提出：“在桩位线和要保护的建（构）筑物之间开挖挤土缓冲沟即隔离槽或控制桩（如宽1. 5m，深2m)，在沟内回填砂或其他松散材料；在缓冲沟中每隔an钻一直径0. 5m，深15m的取土孔；开挖防挤沟； 在打桩区的四周或者群桩内部，挖出一定桩径和桩深的空间，内部填砂或埋置塑料排水板； 在设计的孔位上或桩之间或桩的四周预钻孔；根据工程的具体情况以及周围建筑物的反应控制打桩速率；优化打桩的流程”等一系列措施。该文章虽然也提出了采用开挖挤土缓冲沟，并在沟内回填砂或其他松散材料减少沉桩引起的土体位移和孔隙水压力的方法，但并没有指出具体的松散材料，也没有给出其配置及施工方法，使操作处于盲目状态。
发明内容
[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其步骤简单实用，与现有方法联合使用可以大大减轻对既有隧道结构产生的不良影响。施工后可恢复地面，且施工方便，使用安全。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
[0006] 步骤1、确定设计参数与隧道附加弯矩和原弯矩比值的关系图，具体步骤包括：
[0007] 1. 0)确定既有隧道结构原弯矩和静压沉桩后的附加弯矩；
[0008] 所述的既有隧道结构原弯矩通过以下方式确定：利用有限差分数值分析方法计算得到既有隧道结构在自重、土压力和静水压力下的原弯矩。
[0009] 所述的静压沉桩后的附加弯矩通过以下方式确定：在离隧道一定距离处设置沉桩挤土，利用有限差分数值分析方法计算得到既有隧道结构在自重、土压力、静水压力和静压沉桩挤土作用下的弯矩，附加弯矩为静压沉桩挤土作用下的弯矩减去原弯矩。[0010] 1. 1)在距静压桩基中心0. 25倍桩基中心与隧道的距离处设置隔墙，并根据隔墙的初始尺寸：隔墙宽度、深度和长度计算设置隔墙后隧道结构的附加弯矩；
[0011] 1. 2)改变隔墙宽度、深度和长度并重复步骤1. 1，直至隧道的附加弯矩与原弯矩的比值小于0. 1，记录此时的隔墙宽度、深度和长度；
[0012] 1. 3)以步骤1. 0计算得到的不设置隔墙时静压沉桩引起的附加弯矩与原弯矩的比值为横坐标，步骤1.2得到的隔墙宽度、深度和长度为纵坐标，分别绘制隔墙宽度与隧道附加弯矩和原弯矩的比值的关系图、隔墙深度与隧道附加弯矩和原弯矩的比值的关系图、 隔墙长度与隧道附加弯矩和原弯矩的比值的关系图.
[0013] 步骤2、静压桩基工程场地的地质资料以及既有隧道结构的信息采集：
[0014] 所述的地质资料包括：静压桩基工程场地的地层分布、各土层密度、稠度、均勻性及层厚、用于计算所需的岩土的土层重度、粘聚力和内摩擦角的各土层的物理力学性质、压缩模量、地下水的埋藏深度，地下水位标高、地层的渗透性、地下水位变化幅度规律。
[0015] 所述的既有隧道结构包括：既有隧道的用途、布置、走向、与静压桩的位置关系、隧道结构的断面形式、尺寸及所采用的材料、既有隧道衬砌结构纵向及环向连接方式。
[0016] 步骤3、根据静压桩的截面尺寸、长度、场地土层的物理力学性质、地下水位的埋藏深度和水位标高、土层的渗透条件，结合既有隧道结构的具体形式，应用三维差分数值分析方法，确定静压桩施工对既有隧道的危害程度，具体步骤包括：
[0017] 3. 0)确定静压桩的等价桩长和等价桩径：
[0018] i)对于单桩圆形基础，等价桩长和等价桩径即为单桩圆形基础的长度和直径；
[0019] ii)对于单桩矩形基础，等价桩长为单桩长度，桩径为单桩矩形基础的边长的 1. 13 倍；
[0020] iii)对于群桩圆形基础，等价桩径为群桩中单桩直径与群桩中单桩个数的平方根的乘积；
[0021] iv)对于群桩矩形基础，等价桩径为群桩中单桩直径与群桩中单桩个数的平方根的乘积的1.13倍；
[0022] 群桩的等价桩长为群桩中个单桩的平均长度；
[0023] 3. 1)构建差分数值分析模型：利用显式有限差分格式求解场的控制微分方程，即利用差分原理求节点不平衡力和速度，再根据单元的本构方程，由节点速度求单元的应变增量、应力增量和总应力，进而进入新的循环。隧道结构和桩采用各向同性的线弹性本构关系，其参数为弹性模量和泊松比，土体采用摩尔-库伦本构关系，其参数为粘聚力、内摩擦角。土体固结采用Biot固结模型；
[0024] 3. 2)设置差分数值分析模型的范围：水平方向长度大于2倍既有隧道外边缘到桩基中心距离，宽度为40米，垂直方向应大于桩基等价桩长与10米之和；
[0025] 3. 3)设置数值分析模型的边界条件：所述计算模型的四周约束其法向位移、底部约束竖向位移和水平位移，并设定顶部为自由边界，底部边界及侧面边界均设定为不透水边界；
[0026] 所述的四周约束其法向位移通过以下方式计算得到：强制差分数值分析模型的前、后、左、右边界面节点的法向位移为0。
[0027] 所述的底部约束竖向位移和水平位移通过以下方式计算得到：强制差分数值分析模型的底部边界面节点的χ、y和ζ向位移为0。
[0028] 3. 4)设置网格划分：从静压桩外部，以1 ： 1. 1的方式向外逐步递增网格半径；
[0029] 3. 5)设置隧道结构为板壳单元，桩与土之间以及隧道结构与土之间的接触面设置为摩擦型接触单元；
[0030] 3. 6)以上述模型计算静压沉桩施工过程中的周围地层的位移、孔隙水压力和隧道结构的附加弯矩，并计算静压沉桩引起的隧道附加弯矩和原弯矩的比值，以该比值量化表示静压桩施工对既有隧道的危害程度。当所述比值小于0. 1时表明静压沉桩对既有隧道无施工影响；当该比值大于2. 5时，表明静压沉桩对既有隧道的影响过大，应对隧道结构采取特殊的保护措施。
[0031] 所述的周围地层的位移和孔隙水压力通过以下方式计算得到：当桩入土至设计深度后，由差分计算程序输出周围地层的位移和孔隙水压力；
[0032] 所述的附加弯矩和隧道原弯矩通过以下方式计算得到：由差分计算程序输出隧道结构在静压桩施工过程中的最大弯矩，静压沉桩引起的附加弯矩为最大弯矩减去隧道结构静压沉桩施工前弯矩；
[0033] 步骤4、根据步骤3中得到的隧道附加弯矩和原弯矩的比值确定能有效保护隧道的隔墙尺寸和位置，具体确定方式为：
[0034] 所述的隔墙尺寸通过以下方式计算得到：
[0035] 根据步骤3中得到的隧道附加弯矩和原弯矩的比值，查步骤1中确定的设计参数与隧道附加弯矩和原弯矩的比值的关系图，分别确定隔墙宽度、隔墙深度和隔墙长度。
[0036] 所述的隔墙位置为隔墙中心与桩中心之间的距离，通过以下方式计算得到：
[0037] 从桩中心引线至附近隧道中心，隔墙垂直该引线布置，隔墙至桩基中心距离为桩基中心与隧道距离的0. 25倍。
[0038] 步骤5、根据步骤4确定的隔墙尺寸进行隔墙施工，具体步骤包括：
[0039] 5. 0)确定隔墙材料：隔墙材料选用碎石或卵石。将碎石或卵石倒入孔径为20mm的分析筛中，盖严上盖，震筛10-15分钟，选取留置在筛中的碎石或卵石。为了保证隔墙具有较好的渗透性和土体在压桩施工时能挤入隔墙中，碎石或卵石应处于松散状态，相对密实度小于2，级配不均勻系数小于4。
[0040] 5. 1)确定隔墙开挖方法：根据隔墙深度的不同，其施工方法分为两种。当深度不大时，直接在土中挖出明沟，然后填入碎石或卵石至地面标高处。当深度较大时，可采用泥浆护壁法和钢板护法，即首先清除隔墙位置的土，然后在隔墙沟中填入碎石或卵石至地面标高处。填入的碎石或卵石不得振动压密。
[0041] 5. 2)桩基础施工完毕后隔墙的处理：桩基础全部施工完毕后2-4天，采用碾压法对隔墙进行压实处理，并填土恢复地面。
[0042] 本发明方法是在桩基础与邻近隧道之间设置由碎石或卵石形成的隔墙，静压沉桩时土体可挤压入碎石或卵石之间的缝隙，起到减小由于沉桩挤土引起的土体位移的目的。 同时，碎石或卵石之间的缝隙还可以起到排水的作用，降低土中由于静压沉桩引起的超孔隙水压力。
[0043] 本发明方法简单实用，与现有方法联合使用可以大大减轻对既有隧道结构产生的不良影响。施工后可恢复地面，且施工方便，使用安全。附图说明
[0044] 图1为本发明碎石或卵石隔墙示意图；
[0045] 图中：1-桩基础，2-地面，3-地下水位，4-碎石或卵石隔墙，5-桩基附近既有隧道。
[0046] 图2为本发明碎石或卵石隔墙平面布置示意图；
[0047] 图中：W_隔墙宽度，B-隔墙长度，C-隔墙至桩基中心距离。
[0048] 图3为本发明静压桩引起的附加弯矩与原弯矩比值和隔墙宽度关系曲线图。
[0049] 图4为本发明静压桩引起的附加弯矩与原弯矩比值和隔墙深度关系曲线图。
[0050] 图5为本发明静压桩引起的附加弯矩与原弯矩比值和隔墙长度关系曲线图。
[0051] 图6为计算分析模型范围平面图。
[0052] 图7为三维差分模型网格图。
具体实施方式
[0053] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0054] 实施例
[0055] 上海某隧道结构采用单层装配式钢筋混凝土圆形衬砌，衬砌内径为9. 9m，衬砌厚度为0. 55m，每一米宽的衬砌下部设两根下拉杆。整个衬砌环共分为8块，由1块封顶块、2 块邻接块和5块标准块组成，封顶块采用全纵向插入方式。衬砌环采用错缝拼装的方式，衬砌环之间采用32根M36的环向螺栓相连接。现需在该隧道附近进行静压桩基工程施工，施工中共打入4根钢筋混凝土桩，截面直径为0. 4m，桩长30m。以4根桩组成承台的形心为中心，桩中心距隧道净距20m。场地地势平坦，地面标高一般为2. 93〜3. 58米左右，属滨海平原地貌类型。
[0056] 本发明应用于该静压桩基工程，具体步骤为：
[0057] ①收集桩基工程场地的地质资料，如表1所示。地下水位埋深为0. 5m〜0. 7m ；
[0058] ②收集既有隧道结构资料，如表2所示；
[0059] 表1场地各土层力学指标
[0060]
[0061 ] 表2既有隧道结构资料
衬砌内径衬砌厚度弹性模量泊松比
[0063] ③确定静压桩的等价桩长为30m、桩径为0. 8米；
[0064] ④建立三维差分数值分析模型：取距静压桩中心40米距离为模型边界，分析深度为40m，划分为6个工程地质层。建模范围的平面如附图6所示，三维差分网格如附图7所示；
[0065] ⑤应用上述差分法分析模型计算确定：当既有隧道与桩净距为20m时，由于土的挤压作用，如不采取措施，隧道衬砌结构产生很大的附加内力，其附加最大弯矩为10. 2kNm, 为隧道结构原弯矩的0.4倍；
[0066] ⑥根据静压沉桩引起的附加弯矩与原弯矩比值，查图3，图4和图5，确定隔墙的尺寸：隔墙宽度为0.細、隔墙深度为1. 0m、隔墙长度为3. Om
[0067] ⑦由桩中心与隧道距离为20m，计算隔墙至桩基中心距离为5m ；
[0068] ⑧选用碎石作为隔墙材料。碎石粒径在20〜80mm之间；相对密实度为1. 3，级配不均勻系数为3. 5 ；
[0069] ⑨由于隔墙深度为lm，采用明挖法在确定的隔墙位置挖出宽0.細，深1.0m，长 3. Om的沟槽。将碎石填入沟槽至地面标高处；
[0070] ⑩桩基础全部施工完毕后3天，采用碾压法对隔墙进行压实处理，并填土恢复地
[0071] 应用上述方法处理后，静压沉桩产生的土体水平位移减小了 80%，土体竖向位移减小了 60%，超孔隙水压力减小了 70%，在整个静压沉桩施工过程中，隧道结构的最大绝对沉降量为1mm，水平位移量为1. 5mm，隧道衬砌管片的环缝张开量为0. 5mm。
[0072] 由本例实施的结果可知，通过碎石隔墙的设置，工期缩短了 20天，节省工程造价 20%，静压沉桩过程中，既有隧道上没有产生过载土压与过大位移，有效地保护了既有隧道结构的安全。
Claims (9)
1. 一种用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、确定设计参数与隧道附加弯矩和原弯矩比值的关系图；步骤2、静压桩基工程场地的地质资料以及既有隧道结构的信息采集； 步骤3、根据静压桩的截面尺寸、长度、场地土层的物理力学性质、地下水位的埋藏深度和水位标高、土层的渗透条件，结合既有隧道结构的具体形式，应用三维差分数值分析方法，确定静压桩施工对既有隧道的危害程度；步骤4、根据步骤3中得到的隧道附加弯矩和原弯矩的比值确定能有效保护隧道的隔墙尺寸和位置；步骤5、根据步骤4确定的隔墙尺寸进行隔墙施工。
2.根据权利要求1所述的用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其特征是，所述的步骤1具体包括：1.0)确定既有隧道结构原弯矩和静压沉桩后的附加弯矩；1. 1)在距静压桩基中心0. 25倍桩基中心与隧道的距离处设置隔墙，并根据隔墙的初始尺寸：隔墙宽度、深度和长度计算设置隔墙后隧道结构的附加弯矩；1. 2)改变隔墙宽度、深度和长度并重复步骤1. 1，直至隧道的附加弯矩与原弯矩的比值小于0. 1，记录此时的隔墙宽度、深度和长度；1. 3)以步骤1. 0计算得到的不设置隔墙时静压沉桩引起的附加弯矩与原弯矩的比值为横坐标，步骤1.2得到的隔墙宽度、深度和长度为纵坐标，分别绘制隔墙宽度与隧道附加弯矩和原弯矩的比值的关系图、隔墙深度与隧道附加弯矩和原弯矩的比值的关系图、隔墙长度与隧道附加弯矩和原弯矩的比值的关系图。
3.根据权利要求2所述的用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其特征是，所述的既有隧道结构原弯矩通过以下方式确定：利用有限差分数值分析方法计算得到既有隧道结构在自重、土压力和静水压力下的原弯矩。
4.根据权利要求2所述的用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其特征是，所述的静压沉桩后的附加弯矩通过以下方式确定：在离隧道一定距离处设置沉桩挤土，利用有限差分数值分析方法计算得到既有隧道结构在自重、土压力、静水压力和静压沉桩挤土作用下的弯矩，附加弯矩为静压沉桩挤土作用下的弯矩减去原弯矩。
5.根据权利要求1所述的用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其特征是，所述的地质资料包括：静压桩基工程场地的地层分布、各土层密度、稠度、均勻性及层厚、用于计算所需的岩土的土层重度、粘聚力和内摩擦角的各土层的物理力学性质、压缩模量、地下水的埋藏深度，地下水位标高、地层的渗透性、地下水位变化幅度规律。
6.根据权利要求1所述的用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其特征是，所述的既有隧道结构包括：既有隧道的用途、布置、走向、与静压桩的位置关系、隧道结构的断面形式、尺寸及所采用的材料、既有隧道衬砌结构纵向及环向连接方式。
7.根据权利要求1所述的用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其特征是，所述的步骤3具体包括：·3.0)确定静压桩的等价桩长和等价桩径：i)对于单桩圆形基础，等价桩长和等价桩径即为单桩圆形基础的长度和直径； ϋ)对于单桩矩形基础，等价桩长为单桩长度，桩径为单桩矩形基础的边长的1. 13倍；iii)对于群桩圆形基础，等价桩径为群桩中单桩直径与群桩中单桩个数的平方根的乘积；iv)对于群桩矩形基础，等价桩径为群桩中单桩直径与群桩中单桩个数的平方根的乘积的1.13倍；群桩的等价桩长为群桩中各单桩的平均长度；·3. 1)构建差分数值分析模型：利用显式有限差分格式求解场的控制微分方程，即利用差分原理求节点不平衡力和速度，再根据单元的本构方程，由节点速度求单元的应变增量、 应力增量和总应力，进而进入新的循环，隧道结构和桩采用各向同性的线弹性本构关系，其参数为弹性模量和泊松比，土体采用摩尔-库伦本构关系，其参数为粘聚力、内摩擦角，土体固结采用Biot固结模型；·3. 2)设置差分数值分析模型的范围：水平方向长度大于2倍既有隧道外边缘到桩基中心距离，宽度为40米，垂直方向应大于桩基等价桩长与10米之和；·3. 3)设置数值分析模型的边界条件：所述计算模型的四周约束其法向位移、底部约束竖向位移和水平位移，并设定顶部为自由边界，底部边界及侧面边界均设定为不透水边界；·3.4)设置网格划分：从静压桩外部，以1 ： 1.1的方式向外逐步递增网格半径； 3. 5)设置隧道结构为板壳单元，桩与土之间以及隧道结构与土之间的接触面设置为摩擦型接触单元；·3. 6)以上述模型计算静压沉桩施工过程中的周围地层的位移、孔隙水压力和隧道结构的附加弯矩，并计算静压沉桩引起的隧道附加弯矩和原弯矩的比值，以该比值量化表示静压桩施工对既有隧道的危害程度：当所述比值小于0. 1时表明静压沉桩对既有隧道无施工影响；当该比值大于2. 5时，表明静压沉桩对既有隧道的影响过大，应对隧道结构采取特殊的保护措施。
8.根据权利要求1所述的用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其特征是，所述的隔墙尺寸通过以下方式计算得到：根据步骤3中得到的隧道附加弯矩和原弯矩的比值， 查步骤1中确定的设计参数与隧道附加弯矩和原弯矩的比值的关系图，分别确定隔墙宽度、隔墙深度和隔墙长度；所述的隔墙位置为隔墙中心与桩中心之间的距离，通过以下方式计算得到：从桩中心引线至附近隧道中心，隔墙垂直该引线布置，隔墙至桩基中心距离为桩基中心与隧道距离的0. 25倍。
9.根据权利要求1所述的用于既有隧道近旁静压桩的优化施工方法，其特征是，所述的步骤5具体包括：·5. 0)选用碎石或卵石作为隔墙材料，将碎石或卵石倒入孔径为20mm的分析筛中震筛后用于挤入隔墙中，碎石或卵石的相对密实度小于2，级配不均勻系数小于4 ； ·5. 1)根据隔墙的深度采用以下两种中的任一： i)直接在土中挖出明沟，然后填入碎石或卵石至地面标高处； ϋ)采用泥浆护壁法和钢板护法，即首先清除隔墙位置的土，然后在隔墙沟中填入碎石或卵石至地面标高处，填入的碎石或卵石不得振动压密；·5. 2)桩基础施工完毕后隔墙的处理：桩基础全部施工完毕后2-4天，采用碾压法对隔墙进行压实处理，并填土恢复地面。
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