北京超大断面隧道近距离下穿地铁高架桥影响与控制研究

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1、北京超大断面隧道近距离下穿地铁高架桥影响与控制研究1绪论1.1研究背景随着我国人口的增长、经济的发展和城镇化进程的不断加快，很多城市加大了地铁建设方面的投入以缓解城市交通所带来的压力。根据2013年交通运输协会的统计，中国地铁线路里程在全世界各个国家里面排名第一。随着城市轨道交通建设审批权的下放，截止到2014年3月，国内地铁建设中的城市已经达到37个。长远来看，本世纪将是地下工程大发展的世纪，地铁建设无疑将进一步推动我国城市的建设，并将为我国的经济发展做出巨大贡献。北京正研宄双一千规划，即除1000公里的轨道交通外，还有1000公里的市郊铁路。截至2014年底，北京地铁运营线路总里程将

2、突破500公里。到2020年，北京将投入4000亿元人民币用于轨道交通网络建设。按照2020年的中期规划。将形成5条快线，15条市区线、5条郊区线，1条有轨电车线、2条机线专线，共计28线，约1100公里的地铁网络。届时，北京四环路内轨道交通网密度将达每平方千米1.29公里左右，人们平均步行1000米就可以到达轨道交通站点，达到东京、纽约等国际城市的轨道交通线网密度水平。地铁线路的修建一方面要满足城市交通布局、走向和换乘的需要，另一方面也要避幵地面建筑区域。但城市主干道、环线道路以及既有的轨道交通上桥梁众多，必然会产生很多节点车站和区间大断面随道与高架桥的穿越，例如北京地铁4、5、10号

3、线，三条线路均要经过城市繁华地区，地下线路需要穿越桥梁10多处，与桥桩之间的净距最小的仅为0.19m。近年来北京地区新建地铁随道下穿地铁高架桥案例如表1-1。地铁建设中随道的施工会对既有桥桩的稳定性产生影响，改变构筑物桩基的原有应力，扰动周围地层，引起的地层变形和沉降，地层的变形和沉降又会导致一定范围内桥桩基础发生变形和沉降，使其承受附加应力。如果桥梁基础的沉降超过了限值，将使桥梁出现损伤或使已经存在的损伤加剧，影响桥梁的服役状态而出现安全问题。如果桥梁上部结构为城市轨道交通结构，桥梁的损坏还会造成轨道结构变形，给地铁的维修养护工作和地铁运营安全带来隐患⑴。因此，如何降低新建地铁随道的施

4、工对既有地铁高架桥桥桩的影响与保证既有地铁运营安全等问题，逐渐成为新建地铁穿越工程的严峻挑战。..1.2研究意义在城市地铁修建过程中新建随道穿越既有地铁运营线路是不可避免的。如何在当前的建设中保证随道邻近既有地铁结构的安全和正常使用已经成为一个十分重要的课题。当既有线路为高架桥敷设形式时，科学分析近接施工对桩基的附加变形和内力变化，开展地铁施工对既有地铁桥梁影响分析和防护技术研宄，为新建随道的安全施工和邻近既有地铁桥梁的正常使用具有十分重要的作用。在地铁建设过程中，应在对邻近既有地铁桥梁进行现状进行调查的基础上，科学评价穿越施工的安全风险，釆取有效的防护措施防止既有桥梁结构变形超限，保障

5、桥梁承载状态的正常安全。这项研究可以正确评价新建随道下穿地铁高架桥工程风险，科学指导类似工程施工，从而避免穿越施工对既有地铁的行车安全产生危害，对地铁建设和城市地下工程的健康发展有着非常重要的指导意义。2隧道施工下穿地铁高架桥结构影响机理2.1隧道穿越施工对地层沉降影响机理随道开挖后，地层损失会诱发地层移动，进而引起周围土体的沉降与变形。受扰动土体再固结，随道施工中会不断对周围土体进行挤压与松动，此时土体的性状会发生很大变化，土体的物理力学性质、孔隙水压力和应力路径都会随之而发生改变。原有的平衡状态被打破。之后，地层由不平衡状态向新的平衡状态进行转化。地下随道的开挖过程中自随道临空面向地

6、层深处一定范围内地层的应力将发生调整，宏观上表现为地层的变形。在隧道的垂直方向，沉降曲线与高斯正态分布曲线比较接近，在隧道掘进方向的沉降曲线类似于指数函数相应的曲线。同时，沉降槽呈船形随着工作面的不断推进向前幵展。新建随道上方覆土变形情况类似于地表变形。在随道开挖前，地层中存在初始应力场，也就是一次应力状态。随着随道向前幵挖，地层中的应力状态会由于土体开挖而重新分布，从而形成二次应力场。在随道内部施加支护和衬砲后，地层应力的释放速率会逐渐发生变化，形成三次应力状态。幵挖完后一段时间，随道整个围岩结构又一次变成稳定应力场，形成四次应力状态。土体应力状态变化过程见图2-2所示，.2.2隧道穿

7、越施工引起土体沉降对桥桩的影响机理桩侧摩阻力与桩端阻力的发挥过程就是桩土体系荷载传递的过程，当桩顶受到竖向荷载时，桩身压缩而产生相对于土体向下的位移，因此桩侧表面受到土的向上摩阻力，此时桩身荷载通过桩侧摩阻力扩散到桩周土层中去。随着竖向荷载逐渐增加，桩身压缩和位移增大，桩端土层也因受到压缩而产生桩端阻力，并把桥桩荷载向周围土体扩散传递。在随道邻近桥桩施工过程中，桩基的响应是一个复杂的土与结构的动态相互作用过程。桥梁结构不仅受到桩基础