CN115288704A - 一种盾构掘进引起桩基沉降的安全风险评估及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于盾构施工技术领域，提供了一种盾构掘进引起桩基沉降的安全风险评估及施工方法。本发明的方法包括：在当前盾构施工中，根据预先建立的有限元数值模型预测若干不同位置处桩基的沉降预测值，并结合沉降实测值进行验证；调整桩基的桩隧水平距离和桩基长度，根据所述有限元数值模型预测不同位置处桩基的沉降值，并参照桩基沉降安全风险等级，生成划分有不同位置处桩基的安全风险等级的沉降等值二维图；根据所预测的桩基处于的安全风险等级，在执行相应的保护措施方案后进行盾构施工。本发明通过盾构施工参数总结对数值模型进行验证，然后生成桩基沉降安全风险等级划分等值二维图，对后续施工中近接桩基安全风险等级具有时效性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种盾构掘进引起桩基沉降的安全风险评估及施工方法。
背景技术
盾构隧道开挖不可避免的会造成土体扰动和地层损失，引起临近构筑物的变形，特别是对于高架桥梁桩基础，由于其使用要求，对变形敏感性较高，稍有不慎，就会导致严重后果，在盾构施工中对桩基安全风险等级进行准确评价并提前采取相关控制措施至为重要。
近年来很多学者对盾构近接穿越桩基问题进行了大量研究，吴贤国等(《铁道工程学报》2012，29(07):87-92.)以桩隧水平距离为3m和桩长超过隧道埋深3～5m为界限，并结合桩基类型，对桩基的风险等级进行划分；王立峰(岩土力学,2014,35(S2):319-324.)通过数值模拟方法以土体力学参数、桩隧水平距离、桩顶荷载和地层应力损失为参数定义桩基临近度值对桩基风险进行划分；王闯等(《土木工程学报》，2017，50(S2):174-181.)通过数值模拟的方式对桩基的风险等级进行分区；Selemetas等(《Géotechnique》，2017，67(9)823-836.)通过现场实测研究了盾构施工对桩基沉降的影响。以上研究对盾构掘进对桩基变形的影响以及桩基安全风险等级评估方面研究得比较充分，但均是单独通过现场实测或者数值模拟对桩基沉降变形进行分析研究，在实际工程中，由于现场施工条件的复杂性，仅通过数值模拟对桩基安全风险等级进行评估准确性不高，而现场实测数据往往是盾构穿过桩基以后才能得到，缺乏时效性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种盾构掘进引起桩基安全风险评估方法，以解决现有盾构施工过程中无法对桩基安全风险等级进行评价并根据相应的安全风险等级采取相应控制措施的问题。
本发明提供的一种盾构掘进引起桩基沉降的安全风险评估及施工方法，包括：
在当前盾构施工中，根据预先建立的有限元数值模型预测若干不同位置处桩基的沉降预测值，并结合沉降实测值进行验证；
调整桩基的桩隧水平距离和桩基长度，根据所述有限元数值模型预测不同位置处桩基的沉降值，并参照桩基沉降安全风险等级，生成划分有不同位置处桩基的安全风险等级的沉降等值二维图；
根据所预测的桩基处于的安全风险等级，在执行相应的保护措施方案后进行盾构施工。
可选地，所述有限元数值模型是根据施工参数生成的，所述施工参数包括开挖面支护压力、盾尾注浆压力以及土体损失率。
可选地，所述安全风险等级包括风险I区、风险II区、风险III区和风险IV区，通过如下方法确定：
根据国家标准和/或地方标准所规定的的最大沉降值Cmax，确定最大沉降值的第一率值和第二率值所对应的沉降值分别为一级预警控制值C1和二级预警控制值C2；其中，第一率值大于第二率值；
按照沉降临界值S所处的区间，确定所处的风险等级；
当沉降临界值S≥Cmax为风险I区；Cmax＞S≥C1为风险II区；C1＞S≥C2为风险III区；C2＞S为风险IV区；
风险I区、风险II区、风险III区和风险IV区所对应的风险等级依次降低。
可选地，所述沉降等值二维图的横坐标为桩隧水平距离Z和隧道直径Dt的比值，纵坐标为桩长Lp与隧道埋深H的比值。
可选地，所述在不同安全风险等级的沉降区域执行相应的保护措施方案，包括：
当S在风险Ⅰ区时，对桩基采取一级保护措施；
当S在风险Ⅱ区时，对桩基采取二级保护措施；
当S在风险Ⅲ区时，在盾构施工过程中进行监测；
当S在风险Ⅳ区时，在盾构掘进过程中对桩基进行沉降监测。
可选地，所述一级保护措施包括土体加固、隔离桩方案和桩基托换方案；所述二级保护措施包括土体加固和隔离桩方案。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本发明通过前期施工的现场数据采集以及盾构施工参数总结对数值模型进行验证，然后在数值模型中通过变化桩基位置参数建立该盾构施工条件下桩基沉降安全风险等级划分等值二维图，对桩基安全风险等级进行预划分，根据对应的风险等级采取相应的工程措施，保障了的桩基安全和正常使用，取得了较好的效果，对后续施工中近接桩基安全风险等级具有时效性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明实施例提供的一种盾构掘进引起桩基沉降的安全风险评估及施工方法的流程图；
图2示出了本发明实施例提供的有限元数值模型预测值和实测值的对比图；
图3示出了本发明实施例提供的沉降等值二维图的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本实施例以南通地铁某区间为例：区间采用盾构法施工，区间隧道埋深14m，左线隧道先开挖，左线开挖完成后右线施工，隧道左右线中心轴线间距为13～17m，隧道沿线高架桩基、桥梁桩基密布，在区间沿线共有4组桩基，盾构先经过JG01和JG02桩基，掘进一段时间后再经过JG03和JG04，桩基基本情况如表1：
表1
| 桩号 | 桩长/m | 桩隧水平距离/m |
| JG01 | 73 | 10.05 |
| JG02 | 60 | 8.05 |
| JG03 | 21 | 6.92 |
| JG04 | 27 | 6.40 |
如图1所示，本实施例提供了一种盾构掘进引起桩基沉降的安全风险评估及施工方法，包括：
S1、在当前盾构施工中，根据预先建立的有限元数值模型预测若干不同位置处桩基的沉降预测值，并结合沉降实测值进行验证。
本实施例是以JG01和JG02桩基实测值为基础，对有限元数值模型进行验证并划分桩基安全风险等级，对JG03和JG04桩基进行安全风险等级预测，并采取相应的保护措施。
需要说明的是，现场数据采集主要通过以下方式实现：采用水准仪和铟钢尺，在盾构开挖面距离桩基所在截面200m以外时采集初始值，至少测量两次以上取平均值；然后在盾构开挖面掘进至桩基截面200m以内时开始监测，并直至桩基沉降变形稳定。将平差之后的每次测量得到的测点高度H1、H2、H3……，与初始值H0相减，ΔH1＝H1-H0，ΔH2＝H2-H0……，即可得到盾构开挖面在不同位置处的桩基沉降值。
S2、调整桩基的桩隧水平距离和桩基长度，根据有限元数值模型预测不同位置处桩基的沉降值，并参照桩基沉降安全风险等级，生成划分有不同位置处桩基的安全风险等级的沉降等值二维图。
现场实测桩基变形稳定后JG01和JG02沉降分别为：-1.5mm和-1.4mm。基于JG01和JG02桩基实测值对生成的有限元数值模型进行验证，如下图2所示，可以看到数值结果和实测结果符合较好，验证了模型的合理性。然后调整桩隧水平距离和桩基长度，计算得到不同位置处桩基的沉降值。并结合安全风险等级，生成如图3所示的沉降等值二维图，沉降等值二维图中根据安全风险等级，已经划分了当前过程不同位置处桩基的风险等级。沉降等值二维图的横坐标为桩隧水平距离Z和隧道直径Dt的比值，纵坐标为桩长Lp与隧道埋深H的比值，通过比值的形式生成沉降等值二维图，对不同工程的隧道埋深、桩隧距离不同的情况下，具有普适性。
具体地，有限元数值模型是根据施工参数生成的，施工参数包括开挖面支护压力、盾尾注浆压力以及土体损失率。
将盾构掘进穿越桩基过程中的施工参数进行总结，主要是开挖面支护压力、盾尾注浆压力以及土体损失率，详细分析实际工程中的工况，应用于数值模型中，采用数值模拟软件建立工程盾构掘进穿越桩基数值模型，上述施工参数反应了在盾构掘进过程中盾构带来的影响。
在一个可能的实施方式中，安全风险等级包括风险I区、风险II区、风险III区和风险IV区，通过如下方法确定：
根据国家标准和/或地方标准所规定的的最大沉降值Cmax，确定最大沉降值的第一率值和第二率值所对应的沉降值分别为一级预警控制值C1和二级预警控制值C2；其中，第一率值大于第二率值；
按照沉降临界值S所处的区间，确定所处的风险等级；
当沉降临界值S＜Cmax为风险I区；Cmax＞S≥C1为风险II区；C1＞S≥C2为风险III区；C2＞S为风险IV区；
风险I区、风险II区、风险III区和风险IV区所对应的风险等级依次降低。
在本实施例中，安全风险等级的划分参照城市轨道交通监测技术规范以及江苏省城市轨道交通工程监测规程规定，对于一级市政桥梁桥墩最大沉降值不应超过-15mm，并以桩基累计沉降值的80％和65％作为一级预警控制值C1和二级预警控制值C2，分别为-12mm和-9.5mm，以上述桩基的沉降临界值S为依据将桩基安全风险等级划分为4个区域，S≥-15mm为风险很大区(I区)，-15mm＞S≥-12mm为风险较大区(II区)，-12mm＞S≥-9.5mm风险一般区(III区)，-9.5mm＞S为风险较小区(IV区)，形成本实施例中的安全风险等级的划分。
S3、根据所预测的桩基处于的安全风险等级，在执行相应的保护措施方案后进行盾构施工。
可选地，步骤S3中在不同安全风险等级的沉降区域执行相应的保护措施方案，包括：
当S在风险I区时，对桩基采取一级保护措施；
当S在风险II区时，对桩基采取二级保护措施；
当S在风险III区时，在盾构施工过程中进行监测；
当S在风险IV区时，在盾构掘进过程中对桩基进行沉降监测。
其中，一级保护措施包括土体加固、隔离桩方案和桩基托换方案；二级保护措施包括土体加固和隔离桩方案。
土体加固方案：由于盾构开挖对周围地层造成扰动和引起地层损失，会导致地层发生变形，地层的变形传递至桩基础周围，引起桩基发生变形，通过对桩基周围土体进行加固处理，提高土体抵抗变形的能力，减小隧道开挖对桩基的影响，土体加固主要采用注浆加固的方法，向土体中注入水泥浆液或者水泥和水玻璃混合浆液。
隔离桩方案：隧道施工前，在桩基周围施工钻孔灌注桩或者水泥土搅拌桩，对桩基进行保护，隔离桩桩底要在盾构隧道底部埋深以下，至少为1.2倍的隧道埋深，同时在隔离桩顶部采用冠梁连接成整体。
桩基托换方案：采用在既有桩基周围加桩孔灌注桩，并修建承台，与既有承台通过钢筋植入的方式连接成整体，和原有桩基共同承担上部荷载或者完全取代原有桩基础独自承担上部荷载，新修建桩基要满足承载力要求，桩长大于原有桩基长度。
根据上述生成的沉降等值二维图，对JG03和JG04进行安全风险等级预划分，隧道穿过JG03和JG04时埋深为14m，两者桩长分别为21m和27m，桩隧水平距离为6.92m和6.40m，按上图划分其安全风险等级为Ⅳ区，盾构掘进过程中仅需对其进行监测即可，无需采取工程保护措施，盾构掘进过程中未对JG03和JG04采取工程措施，盾构施工结束后，现场实测的JG03和JG04最终沉降量分别为-2.7mm和-3.1mm，安全风险等级为Ⅳ区，可见，和采用图3的风险等级划分结果一致，数值计算得到的JG03和JG04最终沉降量为-3.2mm和-3.9mm，和实测结果比较接近，且偏于安全。
可选地，本实施例提供的方法还包括在对桩基进行保护的同时，可加强沉降监测。如在开挖面距离桩基截面±50m以内时，1次/天；在距离桩基截面±50m以外±100m以内时，1次/2天；在距离桩基截面±100m以外±200m以内时，1次/5天；在距离桩基截面±200m以外，1次/15天，直至桩基沉降变形稳定。
综上，在南通地铁某区间运用前场实测数据和数值模拟相结合的方法对桩基安全风险等级进行预划分，根据对应的风险等级采取相应的工程措施，保障了的桩基安全和正常使用，取得了较好的效果。
以上，实施例仅用以对本申请的技术方案进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法，不应理解为对本发明实施例的限制。本技术领域的技术人员可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种盾构掘进引起桩基沉降的安全风险评估及施工方法，其特征在于，包括：
在当前盾构施工中，根据预先建立的有限元数值模型预测若干不同位置处桩基的沉降预测值，并结合沉降实测值进行验证；
调整桩基的桩隧水平距离和桩基长度，根据所述有限元数值模型预测不同位置处桩基的沉降值，并参照桩基沉降安全风险等级，生成划分有不同位置处桩基的安全风险等级的沉降等值二维图；
根据桩基所预测处于的安全风险等级，在执行相应的保护措施方案后进行盾构施工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元数值模型是根据施工参数生成的，所述施工参数包括开挖面支护压力、盾尾注浆压力以及土体损失率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述安全风险等级包括风险Ⅰ区、风险Ⅱ区、风险Ⅲ区和风险Ⅳ区，通过如下方法确定：
根据国家标准和/或地方标准所规定的的最大沉降值Cmax，确定最大沉降值的第一率值和第二率值所对应的沉降值分别为一级预警控制值C1和二级预警控制值C2；其中，第一率值大于第二率值；
按照沉降临界值S所处的区间，确定所处的风险等级；
当沉降临界值S≥Cmax为风险Ⅰ区；Cmax＞S≥C1为风险Ⅱ区；C1＞S≥C2为风险Ⅲ区；C2＞S为风险Ⅳ区；
风险Ⅰ区、风险Ⅱ区、风险Ⅲ区和风险Ⅳ区所对应的风险等级依次降低。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉降等值二维图的横坐标为桩隧水平距离Z和隧道直径Dt的比值，纵坐标为桩长Lp与隧道埋深H的比值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所预测的桩基处于的安全风险等级，在执行相应的保护措施方案后进行盾构施工，包括：
当S在风险Ⅰ区时，对桩基采取一级保护措施；
当S在风险Ⅱ区时，对桩基采取二级保护措施；
当S在风险Ⅲ区时，在盾构施工过程中进行监测；
当S在风险Ⅳ区时，在盾构掘进过程中对桩基进行沉降监测。
6.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述一级保护措施包括土体加固、隔离桩方案和桩基托换方案；所述二级保护措施包括土体加固和隔离桩方案。
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| CN117703406A (zh) * | 2024-02-06 | 2024-03-15 | 济南轨道交通集团有限公司 | 一种盾构穿越桥梁桩基的分类施工方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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