浅谈树根桩在盾构隧道下穿桥桩过程中控制作用

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1、浅谈树根桩在盾构隧道下穿桥桩过程中控制作用　　【摘要】本文结合北京地铁14号线大直径盾构隧道下穿机场线桥桩结构的工程实例，运用ANSYS有限元分析软件，计算大直径盾构隧道掘进施工引起地表的沉降，以及树根桩在不同的敷设方式下既有机场线高架桥结构的变形，通过研究分析树根桩减小盾构施工的影响和大盾构隧道施工过程对机场线桥桩结构造成影响的行为机理，为今后大盾构隧道临近既有结构的施工工程提供借鉴和参考。【关键词】盾构隧道；树根桩；高架桥；有限元分析【中图分类号】U211.2【文献标识码】A【文章编号】1引言随着我国

2、经济的快速发展和城市进程的不断加快，地铁建设赢来了一个崭新的时代，它具有发车间隔短、方便快捷、运距长、运量大和污染少等优点，逐渐获得人们的青睐，解决城市大量的交通拥堵问题。盾构法在地铁隧道的施工过程中以其绿色环保、施工安全、对周围影响小以及控制沉降较易的特点已广泛受到各方面的关注[1]，使其成为隧道施工过程中首选的施工方式，盾构施工技术在近十年继续会得到广泛的应用并会有很大的发展。8本文结合具体工程实例，运用ANSYS有限元分析软件建立三维有限元仿真模型，首先用Peck计算公式计算地表沉降值来验算ANSY

3、S有限元分析软件分析的正确性[2]，再通过树根桩的两种施作方式分析树根桩在减小大直径盾构隧道下穿机场线桥桩结构过程中的作用，从而提出为使机场线正常运营的保护措施。2工程概况新建北京地铁14号线大直径盾构采用土压平衡盾构机，盾构外径10m，内径9m，厚度0.5m，盾构环片宽度1.8m，在高家园站~京顺路站区间内下穿北京机场线桥桩结构，穿越点里程约为YDK41+264.282，此处盾构顶板距离地表约9.5m，盾构与两侧桥桩净距分别为3.4m和18.8m，设计轨面标高为19.10m。新建北京地铁14号线大盾构隧

4、道与机场线高架桥剖面图如下图1所示。图1盾构隧道与机场线高架横剖面图机场线被穿越段是三元桥站~T3站区间高架段，临近桥墩编号依次为76和77，两桥墩跨径为37m，桥墩高度为8.25m，承台厚度为2m，桥桩深度为35m和36m，桥梁宽度约为8m。既有机场线高架结构与新建14号线盾构隧道的技术参数如下表1所示。表1机场线高架结构与盾构的技术参数83数值计算模型本次计算运用ANSYS有限元分析软件，它是一个多用途的有限元法计算机设计程序，具有高灵敏度分析和优化分析能力[3]。整体计算模型长度为122m，宽度为9

5、0m，土层高度为50m。土层和盾构衬砌结构采用实体单元Solid45，桥梁结构采用梁单元Beam3，扣件和弹簧采用Combine14和Combine39。整体计算模型如下图2所示。图2整体有限元计算模型图盾构穿越的土层类型分别为粉质粘土、粘土、粉土和细中砂。不同的土层采用不同的材料属性，包括弹性模量、泊松比和密度。4有限元计算结果及分析4.1Peck公式计算地表沉降Peck公式被无数实际工程所证明的预测地铁盾构隧道开挖过程引起地表位移的经验公式，于1969年被Peck被提出的最简单、运用最广泛的高斯方程[

6、2][4]。盾构施工引起地表的沉降槽曲线如下图3所示。图3Peck公式假定的沉降槽曲线计算公式如下：式中，为距离隧道中心x处地表沉降值，是隧道中心线处地表最大沉降量，8为施工引起的单位长度地层损失，——地表沉降槽的宽度系数[2][5]。对于本工程，R=5m，H=14.5m，地表最大沉降量计算如下：根据我国的管理标准，地层损失系数为5%。然而，我国工程技术及研究人员根据北京地区实测数据，得出适合于北京地区地层情况的地层体积损失率取值范围，根据工程地质情况，取=2%。4.2机场线高架桥变形结果新建北京地铁14

7、号线大直径隧道距离桥桩结构很近，因此在盾构两侧或单侧施作树根桩，减小盾构施工对机场线高架结构造成的影响[6]。树根桩的直径为0.15m，桩间距为0.5m，每一排施作20~21根树根桩，且相邻每排树根桩之间的距离为0.5m，树根桩呈梅花型布置。分为三种工况：1、盾构两侧未施作树根桩；2、盾构距桥桩较近一侧施作两排树根桩，如下图4所示；图4工况二树根桩布置图3、盾构距桥桩较近一侧三排树根桩，另一侧施作一排树根桩，如下图5所示。图5工况三树根桩布置图8下面分析三种工况下地表和高架桥结构的变形结果。地表沉降曲线如

8、下图6所示。图6三种工况下地表沉降曲线从上面三种工况下地表沉降槽曲线可以看出，树根桩的施作能减小盾构隧道掘进施工对地表土体的沉降变形，且树根桩两侧的土体沉降变形的差异较大，树根桩相当于在盾构施工过程中起到了阻隔作用，阻止了树根桩外侧土体的变形和沉降。盾构隧道在推进的过程中，若对既有机场线高架桥结构没有采取任何保护措施的情况下，ANSYS有限元分析软件计算地表的最大沉降值为49.275mm。通过Peck公式计算得出，在正常施工情