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        上跨城軌段基坑開挖安全性模擬及施工控制

        2021-09-03 09:47:38張江雄尤偉軍賴仲棟孫輝輝
        交通科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:城軌管片圍護(hù)結(jié)構(gòu)

        張江雄 尤偉軍 肖 毅 賴仲棟 孫輝輝 方 圓

        (中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司 武漢 430040)

        隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)程加快,地鐵和基坑工程規(guī)模不斷增加。鑒于建設(shè)時序和空間原因,必然會存在后續(xù)基坑開挖對下方地鐵隧道造成安全隱患的問題。評估基坑開挖對已有重要建筑的影響及圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全是類似工程動工前的首要任務(wù)[1]。

        目前,我國在近地鐵基坑開挖技術(shù)方面,文獻(xiàn)[2]研究了基坑隆起計算方法及影響深度,且用理論解析的方法推導(dǎo)了開挖卸荷條件下側(cè)向土體對下臥盾構(gòu)隧道的影響;文獻(xiàn)[3]通過三維數(shù)值模擬分析,對基坑施工全過程進(jìn)行動態(tài)模擬,分析結(jié)果為:基坑開挖、回筑過程中已建地鐵車站、區(qū)間隧道的位移變形均能滿足相關(guān)規(guī)范要求,驗(yàn)證了基坑開挖、加固方案的有效性;文獻(xiàn)[4]從實(shí)測統(tǒng)計與數(shù)據(jù)分析的角度研究基坑開挖對下方盾構(gòu)隧道的影響。目前對MJS工法門式加固在上跨段應(yīng)用研究較少,且一般僅考慮隧道上浮量而對管片接縫縫隙關(guān)注較少。本文采用midas GTS軟件從管片上浮、接縫張開量及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形等方面模擬計算MJS工法加固下基坑開挖對城軌隧道的影響,并提出相應(yīng)的安全控制措施。

        1 上跨城軌段施工方案

        1.1 工程概況

        十字門隧道北起珠海市南灣大道,沿會展四路向南敷設(shè),過馬騮洲水道后至橫琴島,沿榮粵路繼續(xù)向南敷設(shè)至匯通二路交叉口,穿越水道采用盾構(gòu)法施工,其他段為明挖法施工。

        隧道在橫琴區(qū)榮粵路與匯通五路十字交叉口處(YK0+342.8-YK0+380)與珠機(jī)城軌垂直正交,相交段長40 m,為明挖施工,開挖深度8.38~10.3 m,結(jié)構(gòu)底距珠機(jī)城軌凈距8.1~9.2 m,珠機(jī)城軌為盾構(gòu)隧道,埋深10.8 m,管片外徑8.5 m,內(nèi)徑7.7 m,隧道上跨城軌段立面圖見圖1。

        圖1 隧道上跨城軌段立面圖(單位:m)

        1.2 施工概況

        隧道上跨城軌段施工整體思路為:先采用H形鋼墻結(jié)合MJS門式基坑加固,接著進(jìn)行冠梁和鋼筋混凝土支撐體系施工,最后分一期、二期進(jìn)行基坑開挖。其中,基坑四周樁頂設(shè)置800 mm×800 mm冠梁,一期基坑和二期基坑分界處樁頂設(shè)置900 mm×800 mm冠梁;坑內(nèi)支撐為“1層鋼筋混凝土撐+2層鋼管撐”,首層為4道水平撐和四角各2道斜撐,鋼筋混凝土撐尺寸為800 mm×800 mm,以下2層鋼管撐采用直徑×壁厚=609 mm×16 mm鋼管,布置形式與首層混凝土撐一致,基坑加固平面圖和剖面圖見圖2。

        圖2 基坑加固圖(尺寸單位:mm)

        2 數(shù)值模擬

        2.1 數(shù)值模型建立

        1) 土層參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。依據(jù)該段地勘報告,本次分析的土層結(jié)構(gòu)選取包含人工填土、淤泥、粗砂、淤泥質(zhì)黏土、含粗砂粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖,其土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。依據(jù)該段圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖,支護(hù)結(jié)構(gòu)包含冠梁、混凝土撐、工字鋼圍檁、鋼管撐和H形鋼,支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系見表2。

        表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

        表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

        2) 三維模型的建立。幾何模型計算區(qū)域的選取充分考慮了基坑開挖引起的邊界效應(yīng),根據(jù)現(xiàn)有研究,基坑外水平向幾何尺寸取基坑開挖深度的3~5倍以上,豎直向取2~4倍以上。因此,計算模型三維尺寸為150 m×150 m×70 m,MJS加固段整體模型見圖3,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4。

        圖3 MJS加固段整體模型 圖4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

        模型中土體、巖體采用三維實(shí)體單元,冠梁、圍檁及鋼筋混凝土支撐均采用梁單元模擬,H形樁墻、城軌隧道管片均采用板單元模擬。計算過程中荷載考慮各土層重力、施工機(jī)械荷載及支護(hù)結(jié)構(gòu)重力,坑頂按設(shè)計圖規(guī)定的區(qū)段超載不得大于20 kPa,約束有限元底部豎向位移、模型各側(cè)面的法向位移,計算模型中各支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、彎矩。

        2.2 模擬工況設(shè)計

        本次分析主要設(shè)置降水和不降水2種工況,工況一為降水施工工況,即基坑開挖前依次降水至開挖坑底下0.5 m處;工況二為不降水開挖工況,開挖分析施工步序見表3。

        表3 開挖分析施工步序

        3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        分析基坑降水與不降水2組工況,探討不同降水情況下,基坑開挖對既有珠機(jī)城軌隧道的結(jié)構(gòu)影響,為了清楚表示其影響,將詳細(xì)展示珠機(jī)隧道結(jié)構(gòu)Y、Z方向的位移云圖、彎矩云圖。

        3.1 對隧道位移影響分析

        連續(xù)分析不同開挖步序下左、右線隧道在Y、Z方向的位移云圖(以下為工況二對應(yīng)位移云圖,工況一與工況二的對應(yīng)相似,故不予列出)、提取各施工步序下最大位移,基坑開挖隧道Y方向和Z方向位移變化見圖5和圖6。

        圖5 基坑開挖隧道Y方向位移變化

        圖6 基坑開挖隧道Z方向位移變化

        由圖5~6可知,珠機(jī)隧道結(jié)構(gòu)Y、Z方向的位移變化受降水影響較大。對于工況一,右線隧道Y、Z方向最大位移分別為3.19 mm和8.08 mm,左線隧道Y、Z方向最大位移分別為3.97 mm和8.62 mm,分別對應(yīng)一期及二期基坑開挖至坑底時;工況二為不降水開挖工況,Y、Z方向最大位移較降水工況均有增大,位移變化趨勢與工況一一致。依據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》,各施工過程引起的城際隧道豎向和水平位移均應(yīng)小于20 mm限值,故既有珠機(jī)左、右線隧道結(jié)構(gòu)均處于安全狀態(tài)。

        3.2 對隧道彎矩影響分析

        連續(xù)分析不同開挖步序下左、右線隧道在X、Y方向的彎矩云圖(以下為工況二彎矩云圖,工況一與工況二的彎矩變化趨勢對應(yīng)相似,故不予列出),提取各施工步序下最大彎矩,基坑開挖隧道X方向彎矩和Y方向彎矩變化圖分別見圖7和圖8。

        圖7 基坑開挖隧道X方向彎矩變化圖

        圖8 基坑開挖隧道Y方向彎矩變化圖

        襯砌內(nèi)徑d為7.7 m、外徑D為8.5 m,圓環(huán)截面抵抗矩:抗彎時W=π(D4-d4)/(32D)=19.69×109mm3,圓環(huán)截面積:S=π(D2-d2)/4=10.17×106mm2。由圖7~圖8可知,不降水開挖引起的彎矩較大,隧道X方向彎矩為45.32 kN·m,不會引起管片裂縫張開,Y方向最大彎矩為50.25 kN·m,按以下步驟進(jìn)行管片接縫張開量驗(yàn)算。

        式中:N為螺栓預(yù)應(yīng)力引起的軸向力,按規(guī)范取280 kN;M為外荷載引起的彎矩,N·mm;S為襯砌截面面積,mm2;W為襯砌截面距,mm3;σc為混凝土管片局部拉應(yīng)力,MPa。

        管片在拉應(yīng)力作用下變形量為Δl,E為鋼筋混凝土彈性模量。

        根據(jù)規(guī)范,盾構(gòu)管片接縫張開量的控制值為3 mm,故管片接縫張開量滿足規(guī)范要求。

        3.3 對圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響分析

        為精確表示基坑開挖對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,提取兩工況不同步序下H形樁墻在X、Y、Z方向最大位移(以下為工況二對應(yīng)位移云圖,工況一與工況二對應(yīng)相似,故不予列出),降水與不降水2種開挖工況下H形鋼墻位移見圖9。

        圖9 降水與不降水開挖工況下H形鋼墻位移

        由圖9可知,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)H形樁墻各方向的位移變化受降水條件的影響較大,兩工況H形樁墻位移均在二期基坑開挖到坑底時達(dá)到最大值。在工況一條件下,H形樁墻X、Y、Z方向最大位移分別為3.96,8.37,7.00 mm;在工況二條件下,H形樁墻X、Y、Z方向最大位移分別為6.62,9.13,8.47 mm。根據(jù)規(guī)范[5],各施工過程引起的一級基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移均應(yīng)小于限值30 mm,故基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)H形樁墻處于安全狀態(tài)。

        4 結(jié)語

        本文以珠海十字門隧道上跨城軌段基坑開挖為研究對象,采用midas GTS對基坑開挖過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬,主要得到以下結(jié)論。

        1) 基坑采用MJS門式加固及分兩期開挖可將隧道上浮量控制在規(guī)范值20 mm以下,方案有效可行。

        2) 分兩期開挖時,二期基坑開挖過程中一期基坑上浮量由1.68 mm增大至2.12 mm,后挖二期基坑對先挖一期基坑有上浮影響,影響增量為26%。

        3) 地鐵上浮量及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受降水影響較大,降水開挖可將地鐵上浮量由9.83 mm降低至8.62 mm,降低幅度為14%。

        4) 基坑開挖后及時施做底板可形成門式加固阻止隧道管片上浮,且對隧道有一定的回壓作用,隧道上浮量由3.19 mm降低至1.58 mm,回壓效果約為50%。

        5) 基坑開挖前先進(jìn)行基坑降水,沿隧道縱向設(shè)3排降水,降水至隧道腰部;基坑開挖過程中分塊、分小倉開挖,控制卸荷量和卸荷速度。

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