1、地铁隧道穿越既有桥梁桩基的设计与数值计算研究摘 要当今在设计地铁隧道使其穿越集邮桥梁桩基时往往会面临很多问题，首先要该工程的结构强度足够保证桥梁的牢固可靠，其次又要确定地铁隧道本身具有足够的强度来确保地铁列车的安全。该工程主要包括两方面，既要选择合适的地理条件作为地铁隧道，又要考虑到实际的桥梁结构、承受上部载荷的能力和施工过程中的各项突发原因等。本文对这种穿越桥梁桩基的地铁隧道进行了设计，我们将采用设计并在软件系统中模拟运行的方法，去研究地铁隧道在穿越过桥梁桩基之后所受载荷的情况和变形是否在承受范围之内。并进而针对该项工程提出新的研究方向。 关键词隧道；桥梁；承载；模拟；控制分析 中图分类号：
2、F426.91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0313-01 0 引言 随着城市化近程的发展，城市交通行业的发展，尤其是道路工程目前的形式可以说是蒸蒸日上。城市中也出现越来越多的地铁隧道，其中不乏有一些穿越桥梁桩基的地铁隧道。然而，已经有的桥梁桩基与新建的地铁隧道并不是没有交集，相反，二者之间存在着错综复杂的关系，目前国内钻地铁隧道的方法往往为盾构法，本文将以西北地区以陕西省为核心的典型带及其周边地区为例研究当地地铁隧道与既有桥梁桩基的关系，并设计一些方案来保护桥梁桩基，为该工程提供一些有价值的建议。 1 工程概况 陕西省位于中国的西北地区，居住人口居多。陕西根
3、据其地质情况可以分为四个大部分。即黄土高原、沙漠高原、段陷盆地和秦巴盆地。其岩石组成主要为湿陷性土层，砂土层，亚粘土和沙砾层。除了独特的地质条件以外，陕北地区处于特殊的黄土层中，黄土的主要成分是粉土，粉土的含量超过了百分之五十。同时，黄土中包含了多达六十多种矿物成分，包括中矿物、轻矿物和胶体矿物，在施工时这些都将予以考虑。 2 设计方案 由于地铁隧道和桥梁桩基以及地质的特殊情况，应该保证地铁的两侧外部轮廓，也就是两侧边缘的线应该不小于 8 米。因此，具体设计如下：两侧外部轮廓之间的线设计为 9 到 15 米，两侧外轮廓与各个桩基之间的差距定于 3.0 到 5.0 米。地铁隧道的方法不作改变，依
4、旧选择传统的盾构法对地铁隧道进行施工，左边在前，右侧在后。 换桩方式设计的方面，在传统上，我们常用围绕桥桩去打新的桥桩的方式去保证原有桥桩的强度与结构，这种古老的方式具有着清晰的目的，即让新打的桥桩去代替旧的桥桩去承受上部的载荷，保证桥的安全。但是此方案并不适合这个工程，原因是这个工程在施工时桥下存在较厚的回填土层，该土层承受载荷的能力较差，同时地处交通繁忙区域，要求的围挡工期很紧张。如果用单一桥桩分别施工，难度大，工期长。另外，桥距离地面的高度普遍不高，大部分情况下桥下净空不超过五米，在技术上要求高，打桩难度太大，因此，需要用创新的方式去解决保证桥梁强度的问题。在这里我们决定用连环计的方式，
5、把单个桩基替换为一个整体，用整体一个基础去承托桥梁，保证安全性。这种方法有利有弊，好处是所有的桩基变成一部分之后，大家共同受到上部载荷。但是缺点也同样明显，这种整体吃大锅饭的形式并不如分别托桩受力分工清晰。但由于这个劣势带来的只是部分的影响，而这些部分只要具有动态化，即把这个整体设置为可动的装置，即可以降低盾构对桥梁的影响。 3 演算工程所需的参数 在模拟过程中，设定盾构机以八米每秒的速度进行工作，土层的压力假定为 0.40 兆帕，隧道部分的厚度为 0.20 米，注浆压力为 0.35 兆帕。因为该工程整体比较大，桥的纵向长度超过了一百米，所以盾构机使用的管片长度应保持在两米以内，以方便工程上的
6、进尺。同时，该工程如果按实际来操作的话，存在着计算量过大，容易出现多种误差的可能性。因此，根据盾构机的工作速度，我们只要保证误差控制在要求范围内即可。 桥梁的桩基方面，应采用 PILE 单元，侧端面应保证KT0.03GPA，Kn1.2MPA，端界面要保证 KT 与 KN 均为 1.0GPA，承台方面应选 SHELL 单元，考虑桥梁与桥桩关系的方面时，应用 BEAM 单元进行同时的状态参考，用实体来模拟隧道管片等实体装置。根据沙涌桥的实际结构，承载的顶部载荷应该用 5100KN。为方便计算，采用以下公式：桥桩的弹性模量与桥桩面积的乘积等于混凝土弹性模量与混凝土面积的乘积，还等于钢筋弹性模量与面积
7、的乘积。根据实际情况采用有限元法进行计算，根据自建的模型，我们把这个工程的模型划分为 42576 个单元，其中单元与单元之间共有 78245 个节点。下表为使用材料的参数。 4 计算结果分析 盾构机方面，盾构机的挖掘会引起地下土层的损失，在模拟方案中，如果我们选择不注浆，此种情况下最大的损失与沉降发生于两侧轮廓线的中间位置，整体呈正态分布，极值为 24.1 毫米，沉降区域的宽度为 45米左右，如果选择部分注浆或者不注浆，沉降极值类似，均在 18 毫米左右，降低了接近百分之五十。但宽度同样变窄。同时盾构开挖还有其他的影响，会影响到地层，会形成部分收敛。 使隧道发生斜度的倾斜，同时强度与挠度也受到
8、了影响，该情况同样需要分为浇注与不浇注分开讨论。当讨论到浇注情况时，水平方面的平移长度为 11.2 毫米，而半浇注情况时，平移的极值为 8.9 毫米，降低了大约百分之十，全浇注时，桩身移动的极值为 4.9 毫米，降低了大约百分之四十五。经过进一步的讨论我们可以得出，浇注的优势在于增加了桥梁的刚度和挠度，降低了桩部的挠度变形，而竖直方向两端的平移数值几乎为零。顶端和地步都会受到地表土层和上部桥梁的影响。 5 结论 通过应用有限元法对桥梁进行计算与分析，以及对地铁隧道和桥梁的数值模拟，如下结论。首先局部注浆确实能够大大地提高强度及刚度，但是工程耗费较大，工期长，造价比较高，不是特别实用。局部注浆在能够保证误差范围的前提下，可以保证安全情况，具备经济与省时的特点。同时整体打新桩法具有独特创新的作用，可以在今后的工程中推广使用。 参考文献 1 钟涛.浅埋暗挖法地铁施工对地表及邻近建筑物影响研究D.辽宁工程技术大学，2012. 2 李宗艺，秦磊.浅谈隧道的开挖方法J.科技致富向导.2013（24）. 3 朱育才，林志，石波.隧道扩建对地面建筑物的影响分析J.重庆交通大学学报（自然科学版）.2011（05）. 4 徐礼华，艾心荧，余佳力，李祺，何亚伯.厦门机场路隧道施工对砌体结构建筑物的影响分析J.岩石力学与工程学报.2010（03）.
