CN117150817B - 基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法 - Google Patents

基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法，假定竖井开挖长度，基于竖井开挖长度的假定值，根据土拱理论以竖井开挖期间的剪应变为参考，确定竖井下方土体的扰动范围，判断既有隧道的埋深是否在竖井下方土体的松动区范围内，若是，则将竖井开挖长度的假定值作为设计值；若否，则返回重新设置竖井开挖长度的假定值；根据隧道变形控制标准，确定既有隧道所在位置处地层应力控制范围，假定抗拔桩场长度，计算既有隧道结构轴线处的地层应力，判断地层应力是否在地层应力控制范围内，若是，则取抗拔桩长度的假定值为设计值；若否，则返回调整抗拔桩长度的假定值。本申请确定了合理的竖井开挖的长度；给出了抗拔桩长的建议值。

Description

基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法
技术领域
本申请涉及盾构隧道技术领域，具体涉及一种基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法。
背景技术
随着城市地下空间的逐渐开发，在既有城市轨道交通隧道上方进行基坑开挖的工程越来越多。基坑开挖会引起坑底及以下一定深度范围内地层竖向应力显著降低，位于该位置的既有隧道容易产生上浮变形，对既有隧道的结构安全造成不利影响。门式抗浮框架是目前控制既有隧道过大上浮变形的一种有效措施，门式抗浮框架的作用机理是将该竖向卸载应力通过抗拔桩传递到较深的土体中，以达到减小既有隧道附加荷载的目的。门式抗浮框架的作用效果与相关设计参数密切相关，其中抗拔桩长度和竖井开挖长度是门式抗浮框架设计中的关键参数，与地层条件、既有隧道埋深等因素密切相关，但是目前实际工程中门式抗浮框架相关设计参数多为根据工程经验确定，缺少相应的设计方法。
因此，实有必要提供一种基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法以解决上述问题。
发明内容
本申请提供一种基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法，确定了合理的竖井开挖的长度；给出了抗拔桩长的建议值。
为解决上述技术问题，本申请的技术方案在于：
本申请提供一种基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法，包括如下步骤：
S10：采集施工现场数据，确定竖井开挖方式；
S20：假定竖井开挖长度，基于竖井开挖长度的假定值，根据土拱理论以竖井开挖期间的剪应变为参考，确定竖井下方土体的扰动范围，判断既有隧道的埋深是否在竖井下方土体的松动区范围内，若是，则将竖井开挖长度的假定值作为设计值；若否，则返回重新设置竖井开挖长度的假定值；
S30：根据隧道变形控制标准，确定既有隧道所在位置处地层应力控制范围，假定抗拔桩场长度，计算既有隧道结构轴线处的地层应力，判断地层应力是否在地层应力控制范围内，若是，则取抗拔桩长度的假定值为设计值；若否，则返回调整抗拔桩长度的假定值；
S40：重复步骤S20及步骤S30，直至取到竖井开挖长度设计值和抗拔桩长度设计值，完成设计过程。
优选的，所述施工现场数据包括场地土层物理力学参数、既有隧道与基坑空间位置关系、既有隧道主体结构几何物理参数以及既有轨道交通线位移控制标准。
优选的，竖井开挖方式选择为“隔三挖一”的跳挖法。
优选的，步骤S20中，判断既有隧道的埋深是否在竖井下方土体的松动区范围内具体为判断下式是否成立：
；
式中，表示既有隧道拱顶埋深；H表示竖井开挖深度；/>表示竖井下方松土区高度。
优选的，步骤S30中，地层应力控制范围表示为：，其中：
；
；
式中，表示既有隧道的变形控制标准；/>表示地基反力系数；/>表示第/>层土的重度；/>表示第/>层土的厚度；m表示地层土体的分层总数。
优选的，步骤S30中，既有隧道结构轴线处的地层应力的计算过程包括如下步骤：
S31：采用分层总和法计算上方开挖引起的竖井下方自由场地竖向位移w u ；
；
式中，Δσri为土体分层平均竖向卸载应力，采用Mindlin解进行计算；E为土体弹性模量，计算中取土体的回弹模量； j为竖井下方的地层土体分层数；
S32：假定上方开挖引起的抗浮板与土体的相互作用力q；
S33：采用分层总和法计算抗浮板引起的土体竖向位移w l ，计算过程表示为：
；
式中，为抗浮板与土体之间作用力对第i层土的应力，采用Mindlin解计算求得；
S34：假定上方开挖引起的抗拔桩竖向位移v，计算桩土相对位移w r 、桩土作用力P和桩-土体相互作用力引起的土体竖向位移w p ，计算过程表示为：
；
；
；
式中，其中I i 表示作用在桩上（x i , y i , z i ）处的单位点荷载在土中（x j , y j , z j ）处产生的土体竖向位移，通过Mindlin解计算得到；G表示桩土界面的剪切刚度；P i 表示桩单元作用力；n表示对桩产生作用的地层土体分层数；
S35：判断桩土作用力是否满足力学平衡条件，若是，则取抗拔桩竖向位移v为设计值，若否，则返回步骤S34调整抗拔桩竖向位移假定值；
力学平衡条件表示为：
；
式中，A表示抗浮板面积；m 1表示抗拔桩数量；
S36：判断桩顶位移是否满足位移协调条件，若是，则取抗浮板与土体的相互作用力q的假定值为设计值；若否，则返回步骤S32调整抗浮板与土体的相互作用力q的假定值；
位移协调条件表示为:
;
S37：抗拔桩竖向位移v、抗浮板与土体的相互作用力q确定后，计算既有隧道结构轴线处的地层应力，计算过程表示为：
；
式中，表示基坑底部任意点处土体竖向位移，/>。
本申请的有益效果在于：
本发明所提供的一种基于土拱效应的门式抗浮框架设计方法，确定了合理的竖井开挖的长度；给出了抗拔桩长的建议值，对实际工程有指导意义。
附图说明
图1表示竖井开挖示意图；
图2表示大范围基坑开挖示意图；
图3表示竖井中心线处底部土体竖向位移沿深度分布示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1-图3，本发明提供一种基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法，包括如下步骤：
S10：采集施工现场数据，确定竖井开挖方式。
所述施工现场数据包括场地土层物理力学参数、既有隧道与基坑空间位置关系、既有隧道主体结构几何物理参数以及既有轨道交通线位移控制标准。
竖井开挖方式选择为“隔三挖一”的跳挖法，保证竖井开挖时不影响同时作业的其它竖井下方位置的既有隧道变形。
在基坑上跨既有隧道的条件下，使用竖井跳挖联合门式抗浮框架的隧道保护措施，可以有效控制隧道上浮量，减小开挖卸荷条件下隧道变形失控的风险。
S20：假定竖井开挖长度，基于竖井开挖长度的假定值，根据土拱理论以竖井开挖期间的剪应变为参考，确定竖井下方土体的扰动范围，判断既有隧道的埋深是否在竖井下方土体的松动区范围内，若是，则将竖井开挖长度的假定值作为设计值；若否，则返回重新设置竖井开挖长度的假定值。
竖井下方土体的扰动范围的确定过程为：根据现场得到的土层资料，用数值模拟软件Plaxis 2D模拟竖井的开挖，开挖的长度依照加假定值进行设定，得到竖井下方的土体竖向变形，形成土体位移随深度的变化曲线，如图3所示，根据该变化曲线确定竖井下方土体的扰动范围。
“判断既有隧道的埋深是否在竖井下方土体的松动区范围内”具体表示为判断下式是否成立：
；
式中，表示既有隧道拱顶埋深；H表示竖井开挖深度；/>表示竖井下方松土区高度。
随着竖井的开挖，坑底及以下一定深度范围内地层竖向应力显著降低，竖井底部及下方的土体在浮力作用下产生竖向位移，形成隆起变形，土体的竖向位移量随着土体深度逐渐衰减。请参阅图3，通过数值模拟软件Plaxis 2D模拟竖井的开挖，得到土体位移随深度的变化曲线，从图3可以看出，曲线分为两个阶段，其中第一阶段土体竖向位移会随着深度产生明显的衰减，可定义为松动区域，松动区域土体较为松散产生的变形就会较大；第二阶段土体竖向位移随着深度产生相对缓慢的衰减，第一阶段和第二阶段交汇处所对应的深度即为竖井下方松土区高度。
门式抗浮框架可以很好的抑制既有隧道的竖向变形，请参阅图1及图2，门式抗浮框架包括抗浮板及抗拔桩，抗浮板铺设于既有隧道的上方，抗拔桩设置于抗浮板的底部，抗浮板与抗拔桩的顶部固定，通过抗拔桩将土体隆起施加给抗拔桩的竖向载荷力传递到较深的土体中，达到减小既有隧道附加荷载的目的。
S30：根据隧道变形控制标准，确定既有隧道所在位置处地层应力控制范围，假定抗拔桩场长度，计算既有隧道结构轴线处的地层应力，判断地层应力是否在地层应力控制范围内，若是，则取抗拔桩长度的假定值为设计值；若否，则返回调整抗拔桩长度的假定值。
地层应力控制范围表示为：，其中：
；
；
式中，表示既有隧道的变形控制标准；/>表示地基反力系数；/>表示第/>层土的重度；/>表示第/>层土的厚度；m表示地层土体的分层总数。
步骤S30中，既有隧道结构轴线处的地层应力的计算过程包括如下步骤：
S31：采用分层总和法计算上方开挖引起的竖井下方自由场地竖向位移w u ；
；
式中，Δσri为土体分层平均竖向卸载应力，采用Mindlin解进行计算；E为土体弹性模量，计算中取土体的回弹模量； j为竖井下方的地层土体分层数；
S32：假定上方开挖引起的抗浮板与土体的相互作用力q；
S33：采用分层总和法计算抗浮板引起的土体竖向位移w l ，计算过程表示为：
；
式中，为抗浮板与土体之间作用力对第i层土的应力，采用Mindlin解计算求得；
S34：假定上方开挖引起的抗拔桩竖向位移v，计算桩土相对位移w r 、桩土作用力P和桩-土体相互作用力引起的土体竖向位移w p ，计算过程表示为：
；
；
；
式中，其中I i 表示作用在桩上（x i , y i , z i ）处的单位点荷载在土中（x j , y j , z j ）处产生的土体竖向位移，通过Mindlin解计算得到；G表示桩土界面的剪切刚度；P i 表示桩单元作用力；n表示对桩产生作用的地层土体分层数；
S35：判断桩土作用力是否满足力学平衡条件，若是，则取抗拔桩竖向位移v为设计值，若否，则返回步骤S34调整抗拔桩竖向位移假定值；
力学平衡条件表示为：
；
式中，A表示抗浮板面积；m 1表示抗拔桩数量；
S36：判断桩顶位移是否满足位移协调条件，若是，则取抗浮板与土体的相互作用力q的假定值为设计值；若否，则返回步骤S32调整抗浮板与土体的相互作用力q的假定值；
位移协调条件表示为:
;
S37：抗拔桩竖向位移v、抗浮板与土体的相互作用力q确定后，计算既有隧道结构轴线处的地层应力，计算过程表示为：
；
式中，表示基坑底部任意点处土体竖向位移，/>。
S40：重复步骤S20及步骤S30，直至取到竖井开挖长度设计值和抗拔桩长度设计值，完成设计过程。
现有的竖井施工对于竖井开挖长度和抗拔桩长度的选择是根据经验来确定的，没有一个较为精确的竖井开挖长度和抗拔桩长度的计算方法，根据现场的施工环境的不同仅凭经验来取值可能会导致开挖期间既有隧道变形过大或者增加施工人员工作量的情况。对于竖井开挖长度，本申请根据现场的施工资料，模拟得到竖井下方的土体竖向变形，以此来确定松动区范围，改变竖井开挖长度，满足既有隧道的埋深在竖井下方土体的松动区范围内，以此来确定开挖竖井的合理长度。对于抗拔桩长度，本申请根据隧道变形控制标准，确定既有隧道所在位置处地层应力控制范围，改变抗拔桩长度，计算既有隧道结构轴线处的地层应力，满足地层应力在地层应力控制范围内，以此来确定抗拔桩长度的合理长度。确定了合理的竖井开挖的长度并给出了抗拔桩长的建议值，对实际工程有指导意义。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10：采集施工现场数据，确定竖井开挖方式，所述施工现场数据包括场地土层物理力学参数、既有隧道与基坑空间位置关系、既有隧道主体结构几何物理参数以及既有轨道交通线位移控制标准；
S20：假定竖井开挖长度，基于竖井开挖长度的假定值，根据土拱理论以竖井开挖期间的剪应变为参考，确定竖井下方土体的扰动范围，判断既有隧道的埋深是否在竖井下方土体的松动区范围内，若是，则将竖井开挖长度的假定值作为设计值；若否，则返回重新设置竖井开挖长度的假定值；
竖井下方土体的扰动范围的确定过程为：根据现场得到的土层资料，用数值模拟软件Plaxis 2D模拟竖井的开挖，开挖的长度依照加假定值进行设定，得到竖井下方的土体竖向变形，形成位移随深度的变化曲线，根据该变化曲线确定竖井下方土体的扰动范围；
S30：根据隧道变形控制标准，确定既有隧道所在位置处地层应力控制范围，假定抗拔桩场长度，计算既有隧道结构轴线处的地层应力，判断地层应力是否在地层应力控制范围内，若是，则取抗拔桩长度的假定值为设计值；若否，则返回调整抗拔桩长度的假定值；
地层应力控制范围表示为：，其中：
；
；
式中，表示既有隧道的变形控制标准；/>表示地基反力系数；/>表示第/>层土的重度；/>表示第/>层土的厚度；m表示地层土体的分层总数；
既有隧道结构轴线处的地层应力的计算过程包括如下步骤：
S31：采用分层总和法计算上方开挖引起的竖井下方自由场地竖向位移w u ；
；
式中，Δσri为土体分层平均竖向卸载应力，采用Mindlin解进行计算；E为土体弹性模量，计算中取土体的回弹模量； j为竖井下方的地层土体分层数；
S32：假定上方开挖引起的抗浮板与土体的相互作用力q；
S33：采用分层总和法计算抗浮板引起的土体竖向位移w l ，计算过程表示为：
；
式中，为抗浮板与土体之间作用力对第i层土的应力，采用Mindlin解计算求得；
S34：假定上方开挖引起的抗拔桩竖向位移v，计算桩土相对位移w r 、桩土作用力P和桩-土体相互作用力引起的土体竖向位移w p ，计算过程表示为：
；
；
；
式中，其中I i 表示作用在桩上（x i , y i , z i ）处的单位点荷载在土中（x j , y j , z j ）处产生的土体竖向位移，通过Mindlin解计算得到；G表示桩土界面的剪切刚度；P i 表示桩单元作用力；n表示对桩产生作用的地层土体分层数；
S35：判断桩土作用力是否满足力学平衡条件，若是，则取抗拔桩竖向位移v为设计值，若否，则返回步骤S34调整抗拔桩竖向位移假定值；
力学平衡条件表示为：
；
式中，A表示抗浮板面积；m 1表示抗拔桩数量；
S36：判断桩顶位移是否满足位移协调条件，若是，则取抗浮板与土体的相互作用力q的假定值为设计值；若否，则返回步骤S32调整抗浮板与土体的相互作用力q的假定值；
位移协调条件表示为:
;
S37：抗拔桩竖向位移v、抗浮板与土体的相互作用力q确定后，计算既有隧道结构轴线处的地层应力，计算过程表示为：
；
式中，表示基坑底部任意点处土体竖向位移，/>；
S40：重复步骤S20及步骤S30，直至取到竖井开挖长度设计值和抗拔桩长度设计值，完成设计过程。
2.根据权利要求1所述的基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法，其特征在于，竖井开挖方式选择为“隔三挖一”的跳挖法。
3.根据权利要求1所述的基于土拱效应的联合门式抗浮框架设计方法，其特征在于，步骤S20中，判断既有隧道的埋深是否在竖井下方土体的松动区范围内具体为判断下式是否成立：
；
式中，表示既有隧道拱顶埋深；H表示竖井开挖深度；/>表示竖井下方松土区高度。
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