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        樁基對既有高鐵隧道群變形影響的數(shù)值分析

        2021-07-07 06:15:20王學廣龍明華
        廣東公路交通 2021年3期
        關(guān)鍵詞:聯(lián)絡(luò)線正線停車場

        王學廣, 龍明華

        (1.中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司廣州分公司,廣州 510080;2.中國中鐵五局集團第一工程有限責任公司,長沙 410117)

        1 工程概況

        某地鐵停車場運用庫上跨三條既有高鐵隧道群,三條既有鐵路隧道分別用高鐵1正線隧道、高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道、高鐵2隧道表示。停車場運用庫采用房橋合一的結(jié)構(gòu)形式,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),涉鐵樁基共138根,隧道間樁基共24根,距離既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)凈距3.0~13.8m,樁徑為1.6~2.2m,地質(zhì)情況為素填土、碎石土、花崗巖。同時近距離跨越三條高鐵隧道群屬全國首例,施工難度大。為最大程度減小樁基礎(chǔ)施工對隧道的擾動,保證高鐵正常行車及安全,隧道間樁基采用全護筒全回轉(zhuǎn)成孔施工,隧道兩側(cè)114根樁基采用泥漿護壁旋挖成孔施工。

        2 模型的建立

        為分析樁基對既有高鐵隧道的影響,根據(jù)設(shè)計圖紙,建立有限差分數(shù)值模型,如圖1和圖2所示。模型大小為400m×120m×80m,單元數(shù)約20萬,節(jié)點數(shù)約21萬。模型采用固定邊界條件,樁采用結(jié)構(gòu)單元模擬。

        圖1 模型

        圖2 樁基位置與既有高鐵的關(guān)系

        計算模型涉及的相關(guān)參數(shù)見表1。

        表1 模型相關(guān)參數(shù)取值

        3 初始狀態(tài)應(yīng)力特征

        初始狀態(tài)下的應(yīng)力特征如圖3~圖5所示,模型底部z方向應(yīng)力為1.9MPa,模型總高80m。底部z方向應(yīng)力與自重應(yīng)力基本一致,表明模型基本正確,滿足精度要求。

        圖3 模型初始狀態(tài)豎直方向應(yīng)力

        圖4 模型初始狀態(tài)x方向應(yīng)力

        圖5 模型初始狀態(tài)y方向應(yīng)力

        模型中高鐵1隧道結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力如圖6~圖8所示。分析既有隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài),結(jié)果表明隧道襯砌起拱線附近豎直方向的應(yīng)力最大,其中高鐵1正線隧道最大豎直方向應(yīng)力為3.43MPa,高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道豎直方向最大應(yīng)力為2.25MPa。隧道拱頂拱底豎直方向應(yīng)力較低。正線隧道x方向最大應(yīng)力為1.709MPa,聯(lián)絡(luò)線隧道x方向最大應(yīng)力為1.25MPa。正線隧道y方向最大應(yīng)力為2.281MPa,聯(lián)絡(luò)線隧道x方向最大應(yīng)力為1.45MPa。

        圖6 高鐵1隧道初始狀態(tài)豎直方向應(yīng)力

        圖7 高鐵1隧道初始狀態(tài)x方向應(yīng)力

        圖8 高鐵1隧道初始狀態(tài)y方向應(yīng)力

        模型中高鐵2隧道結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力如圖9~圖11所示。分析既有隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài),結(jié)果表明隧道襯砌起拱線附近豎直方向的應(yīng)力最大,其中最大豎直方向應(yīng)力為6.129MPa,x方向最大應(yīng)力為2.595MPa,y方向最大應(yīng)力為2.425MPa。

        圖9 高鐵2隧道初始狀態(tài)豎直方向應(yīng)力

        圖10 高鐵2隧道初始狀態(tài)x方向應(yīng)力

        圖11 高鐵2隧道初始狀態(tài)y方向應(yīng)力

        4 停車場荷載對既有高鐵隧道襯砌應(yīng)力的影響

        模型中高鐵1隧道結(jié)構(gòu)在停車場荷載作用下的應(yīng)力特征如圖12~圖14所示。分析既有隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài),結(jié)果表明隧道襯砌起拱線附近豎直方向的應(yīng)力最大,其中高鐵1正線隧道最大豎直方向應(yīng)力為3.464MPa,比初始狀態(tài)增大約0.03MPa,最大應(yīng)力增大約1%;高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道最大豎直方向應(yīng)力為2.276MPa,比初始狀態(tài)增大約0.026MPa,最大應(yīng)力增大約1%;正線隧道x方向最大應(yīng)力為1.719MPa,比初始狀態(tài)增大約0.01MPa,增幅0.6%;聯(lián)絡(luò)線隧道x方向最大應(yīng)力為1.261MPa,比初始狀態(tài)增大約0.006MPa,增幅0.4%;正線隧道y方向最大應(yīng)力為2.295MPa,比初始狀態(tài)增大約0.014MPa,增幅0.6%;聯(lián)絡(luò)線隧道y方向最大應(yīng)力為1.453MPa,比初始狀態(tài)增大約0.003MPa,增幅0.2%。

        圖12 停車場荷載作用下高鐵1隧道豎直方向應(yīng)力

        圖13 停車場荷載作用下高鐵1隧道x方向應(yīng)力

        圖14 停車場荷載作用下高鐵1隧道y方向應(yīng)力

        模型中高鐵2隧道結(jié)構(gòu)在停車場荷載作用下的應(yīng)力特征如圖15~圖17所示。分析既有隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài),結(jié)果表明隧道襯砌起拱線附近豎直方向的應(yīng)力最大,其中高鐵2正線隧道最大豎直方向應(yīng)力為6.160MPa,比初始狀態(tài)增大約0.041MPa,最大應(yīng)力增大約0.6%;正線隧道x方向最大應(yīng)力為2.610MPa,比初始狀態(tài)增大約0.005MPa,增幅0.2%;正線隧道y方向最大應(yīng)力為2.439MPa,比初始狀態(tài)增大約0.014MPa,增幅0.6%。

        圖15 停車場荷載作用下高鐵2隧道豎直方向應(yīng)力

        圖16 停車場荷載作用下高鐵2隧道x方向應(yīng)力

        圖17 停車場荷載作用下高鐵2隧道y方向應(yīng)力

        5 停車場荷載對既有高鐵隧道襯砌變形的影響

        根據(jù)圖1的7個橫斷面,展示在停車場最大荷載作用下,這7個橫斷面的變形特征。圖18~圖20為1-1斷面的位移云圖,從圖中可以看出,模型的位移以豎直沉降為主,2.2m樁徑處的沉降量最大,最大沉降量為0.97mm。

        圖18 1-1斷面豎直方向變形云圖

        圖19 1-1斷面x方向變形云圖

        圖20 1-1斷面y方向變形云圖

        圖21~圖26為不同斷面豎直方向的位移。2-2到4-4斷面,樁徑2.2m的樁位于高鐵2隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道之間,不同斷面豎直方向上的位移基本一致,最大沉降量為0.90~0.95mm。5-5至6-6斷面樁徑2.2m的樁位于高鐵1正線隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道之間,位移略有減小,最大沉降量為0.80~0.85mm。7-7斷面無樁徑2.2m樁,沉降量最小,最大沉降量約為0.32mm。

        圖21 2-2斷面豎直方向變形云圖

        圖23 4-4斷面豎直方向變形云圖

        圖24 5-5斷面豎直方向變形云圖

        圖25 6-6斷面豎直方向變形云圖

        圖26 7-7斷面豎直方向變形云圖

        圖27~圖29為高鐵1鐵路隧道襯砌的位移云圖,從圖中可以看出,高鐵1正線隧道豎直方向最大位移為0.32mm,聯(lián)絡(luò)線最大豎直方向位移為0.3mm;高鐵1正線隧道x方向最大位移為0.16mm,聯(lián)絡(luò)線最大x方向位移為0.1mm;高鐵1正線隧道及聯(lián)絡(luò)線隧道y方向位移小于0.1mm。

        圖27 停車場最大荷載下高鐵1隧道豎直方向變形云圖

        圖28 停車場最大荷載下高鐵1隧道x方向變形云圖

        圖29 停車場最大荷載下高鐵1隧道y方向變形云圖

        圖30~圖32為高鐵2隧道襯砌的位移云圖,從圖中可以看出,高鐵2隧道各方向的變形均小于0.1mm。

        圖30 停車場最大荷載下高鐵2隧道豎直方向變形云圖

        圖31 停車場最大荷載下高鐵2隧道x方向變形云圖

        圖32 停車場最大荷載下高鐵2隧道y方向變形云圖

        6 現(xiàn)場施工

        施工過程變形值和數(shù)值分析結(jié)果基本吻合,施工現(xiàn)場可控。仿真分析結(jié)果保證了施工質(zhì)量,確保了鐵路隧道安全及高鐵正常運營行車安全,滿足了業(yè)主單位對工期的要求,在不影響高鐵正常運營的情況下,樁基全部順利施工完成。本工程的順利實施,可為類似工程提供借鑒和參考。

        7 結(jié)論

        (1)三個隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布特征相似,均是拱腳位置豎直方向應(yīng)力最大,隧道拱底應(yīng)力最小,乃至產(chǎn)生拉應(yīng)力。不同隧道的應(yīng)力大小不同,高鐵2隧道豎直方向最大值為6.129MPa,高鐵1鐵路聯(lián)絡(luò)線隧道豎直方向最大應(yīng)力為2.250MPa,正線最大值為3.430MPa。

        (2)地鐵停車場運營后,高鐵1鐵路正線隧道襯砌最大豎向應(yīng)力與停車場修建之前相比,增加量為30kPa,增加百分比為1%;最大變形為豎直方向,沉降為0.32mm,停車場荷載對高鐵1鐵路正線隧道影響較小。高鐵1鐵路聯(lián)絡(luò)線隧道襯砌最大豎向應(yīng)力與停車場修建之前相比,豎直方向應(yīng)力增加量為26kPa,增加百分比為1%;最大變形為豎直方向的0.3mm,停車場荷載對高鐵1鐵路聯(lián)絡(luò)線隧道影響較小。高鐵2鐵路隧道豎直方向應(yīng)力發(fā)生一定變化,最大值增加量為41kPa,增加百分比為0.6%;最大變形小于0.1mm,停車場荷載對高鐵2鐵路隧道影響較小。

        (3)總體上看,停車場運營后,引起的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變化小于2%,既有隧道變形小于1mm,因此,本樁基方案對既有鐵路隧道的安全影響很小。相對而言,本方案對高鐵1正線隧道、高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道、高鐵2隧道的影響依次減小。

        (4)施工過程的變形監(jiān)測值和數(shù)值分析結(jié)果基本吻合,指導施工的效果顯著,加快了施工進度。

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