越江盾构切削江堤抗滑桩影响及MJS加固效果分析.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 2基金项目:国家自然科学基金(4 1 6 7 2 2 5 7);南通市科技计划项目(J C 2 0 2 1 0 0 9)通信作者:孙阳(1 9 7 9-),男,副教授,博士,主要从事地下工程结构与土体相互作用研究.E-m a i l:s u n y a n g_h h u h h u.e d u.c nD O I:1 0.1 3 3 9 3/j.c n k i.i s s n.1 6 7 2-9 4 8 X.2 0 2 3.0 4.0 1 1引用格式:王大鹏,蒙邹蕾,王翀霄,等.越江盾构切削江堤抗滑桩影响及M J S加固效果分析J.三峡大学学报(自然科学版
2、),2 0 2 3,4 5(4):6 7-7 3.越江盾构切削江堤抗滑桩影响及M J S加固效果分析王大鹏1 蒙邹蕾2 王翀霄2 孙 宇3 姚 森4 孙 阳2,5(1.南京地铁建设有限责任公司,南京 2 1 0 0 0 8;2.河海大学 港口海岸与近海工程学院,南京 2 1 0 0 9 8;3.南京水利科学研究院,南京 2 1 0 0 2 9;4.中铁大桥局集团有限公司,武汉 4 3 0 0 0 0;5.南通河海大学海洋与近海工程研究院,江苏 南通 2 2 3 0 0 3)摘要:为研究盾构穿越江堤并切削抗滑桩对江堤稳定性及周围土体变形的影响,并探究M J S工法在此类工程中的应用效果,以南京建
3、宁西路大直径盾构切削江堤抗滑桩工程为背景,采用三维有限元数值模型,分析了在有无M J S工法加固两种情况下两台盾构机并行穿越江堤全过程中的江堤和抗滑桩变形规律.研究表明:盾构穿越江堤过程中,堤顶土体受扰动最严重;M J S加固能有效分担滑坡推力、控制土体与抗滑桩的变形.关键词:M J S;盾构隧道;数值模拟;土体位移;切削桩基中图分类号:U 4 5 2.1 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-9 4 8 X(2 0 2 3)0 4-0 0 6 7-0 7N u m e r i c a l S i m u l a t i o n S t u d y o f M J S C o l u m
4、n R e i n f o r c e m e n t i n R i v e r E m b a n k m e n t w i t h S h i e l d C u t t i n g P i l e sWAN G D a p e n g1 ME N G Z o u l e i2 WAN G C h o n g x i a o2 S UN Y u3 YAO S e n4 S UN Y a n g2,5(1.N a n j i n g M e t r o C o n s t r u c t i o n C o.,L t d.,N a n j i n g 2 1 0 0 0 8,C h i
5、n a;2.C o l l e g e o f H a r b o r,C o s t a l a n d O f f-s h o r e E n g i n e e r i n g,H o h a i U n i v.,N a n j i n g 2 1 0 0 9 8,C h i n a;3.N a n j i n g H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e,N a n j i n g 2 1 0 0 2 9,C h i n a;4.C h i n a R a i l w a y M a j o r B r i d g e E
6、 n g i n e e r i n g G r o u p C o.,L t d.,Wu h a n 4 3 0 0 0 0,C h i n a;5.I n s t i t u t e o f O c e a n a n d O f f s h o r e E n g i n e e r i n g,H o h a i U n i v.,N a n t o n g 2 2 3 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t I n o r d e r t o a n a l y z e t h e i n f l u e n c e o f s h i e l d t u n
7、 n e l i n g c r o s s i n g t h e e m b a n k m e n t a n d c u t t i n g a n t i-s l i p p i l e s o n t h e s t a b i l i t y o f t h e e m b a n k m e n t a n d t h e d e f o r m a t i o n o f t h e s u r r o u n d i n g s o i l,t h e a p p l i c a t i o n e f f e c t o f t h e M J S m e t h o d
8、 i n s u c h p r o j e c t s w a s s t u d i e d.B a s e d o n t h e l a r g e-d i a m e t e r s h i e l d t u n n e l i n g a n d c u t t i n g a n t i-s l i d i n g p i l e p r o j e c t o n J i a n n i n g W e s t R o a d,N a n j i n g,a t h r e e-d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t n
9、 u m e r i c a l s i m u l a t i o n w a s u s e d t o a n a l y z e t h e d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e e m b a n k m e n t a n d a n t i-s l i d i n g p i l e d u r i n g t h e p a r a l l e l t u n n e l i n g o f t w o s h i e l d m a c h i n e s a c r o s s t h e
10、 e m b a n k m e n t w i t h a n d w i t h o u t t h e M J S m e t h o d.T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t t h e t o p s o i l o f t h e e m b a n k m e n t i s s u b j e c t e d t o t h e m o s t s e v e r e d i s t u r b a n c e d u r i n g t h e p r o c e s s o f s h i e l d t u
11、 n n e l c r o s s i n g t h e r i v e r e m b a n k m e n t.T h e M J S r e i n f o r c e m e n t c a n e f f e c t i v e l y s h a r e t h e t h r u s t o f l a n d s l i d e s a n d c o n t r o l t h e d e f o r m a t i o n o f s o i l a n d a n t i-s l i d e p i l e s.K e y w o r d s m e t r o j
12、 e t s y s t e m;s h i e l d c o n s t r u c t i o n;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;s o i l d i s p l a c e m e n t;c u t t i n g p i l e f o u n d a t i o n 越江盾构隧道不可避免地需要穿越江堤,由于堤身结构的复杂性,盾构正面遭遇钢筋混凝土桩基的情况时有发生.对于抵御洪水侵袭发挥着重要作用的堤防工程,切桩可能引起坡体较大变形,削减抗滑桩的第4 5卷 第4期2 0 2 3年8月三峡大学学报(自然科学版)J o f C h i n
13、 a T h r e e G o r g e s U n i v.(N a t u r a l S c i e n c e s)V o l.4 5 N o.4A u g.2 0 2 3锚固力,造成江堤滑移失稳.因此,开展盾构切削抗滑桩对江堤的影响研究对保障工程顺利实施及周边构筑物稳定具有重要的工程意义.一些学者采用数值计算及现场实测开展了盾构推进和切削桩基对周围介质的影响研究.冯阵图等1建立A B AQU S三维有限元模型分析了桩体刚度、切削长度以及房屋砌体弹性模量对房屋沉降量的影响.王伟等2和贾培栋3依托兰州地铁一号线拱下穿烂泥沟桥工程,采用数值模拟手段研究了盾构开挖、切桩过程中土体应力、桩
14、基应力和轴力的变化和分布特征,并针对结构沉降不满足规范区域采取加固改造措施.张立亚等4使用T S 3 0测量机器人对深圳地铁9号线切削某小区91 3号楼群桩引起的地表沉降进行了监测.王禹椋等5则进一步采用A B AQU S有限元软件建立深圳地铁9号线切桩模型,研究了切削桩基数量对地表沉降槽深度和宽度的影响,并进一步分析了盾构掘进推力和扭矩对地层变形的影响.唐仁等6对广佛地铁盾构切削9层住宅楼下桩基础进行监测,并采用M I D A S/G T S三维数值模拟了盾构切桩过程对基础沉降和桩基承载力的影响.现有研究表明,切桩可能引起周围地层的较大沉降,对桩基承载力也有较大的削弱.因此,盾构在穿越重要构
15、筑物时,应采取合理的保护措施以减小盾构施工对邻近桩基以及周围地层的影响,目前广泛采取的做法是基于位移控制原理的隔离桩加固措施7-1 1.常用的隔离桩有钻孔灌注桩、高压旋喷桩、水泥搅拌桩和M J S(M e t r o J e t S y s t e m)工法桩.M J S工法桩是在高压旋喷桩的基础上创新形成的工艺,可实现3 6 0度全方位成桩,与土体凝结成强度较高的柱形桩体,对周围环境扰动极小且能够适应水下施工1 2-1 3.毛祖夏等1 4通过现场M J S工法桩和高压旋喷桩试验,对比两者的施工影响,结果表明M J S工法桩引起的最大土压力和最大孔隙水压力均小于高压旋喷桩,并且M J S工法桩
16、的挤土效应可忽略不计.M J S工法桩广泛应用于桩基加固、盾构隧道加固等工程中,李新星等1 5在盾构近距离穿越桥梁桩基工程中采用M J S竖直桩对桥梁桩基进行隔离保护,通过数值模拟与现场实测,证明了M J S桩有较好的隔离防护作用,能有效控制地表及桩基沉降.翟志国等1 6在京沈高铁盾构隧道联络通道施工前采用M J S水平旋喷桩加固地层,实测分析表明,M J S桩在富水的黏土、粉质黏土、粉细砂层中有良好的成桩和止水效果,能够提高地层稳定性,最大程度减少地表沉降.叶琪等1 7通过现场钻孔取芯发现在淤泥质土中M J S工法桩的成桩质量随着深度的增加而降低,其加固深度不宜超过3 0m.还有不少研究人员
17、通过数值模拟的方法对M J S工法水平桩加固隧道周围土体开展研究1 8-2 2,结果表明M J S工法桩能够有效提高地基承载力,降低盾构开挖过程中对既有隧道和周围地层的影响.已有研究集中于盾构穿越公路、地铁、铁路以及高层建筑物下方,被切削桩基主要为承载上部荷载的摩擦桩,还未出现盾构切削江堤抗滑桩的实例.对于盾构正面切削穿越江堤抗滑桩的特殊情况,不仅要考虑正常的位移控制,还要保证切削后江堤的滑移稳定.本文结合南京建宁西路过江通道大直径盾构切削长江江堤抗滑桩工程,采用三维有限元模型分析两台盾构机并行穿越江堤全过程产生的影响,对比分析有无M J S加固体保护的江堤和抗滑桩力学响应规律.1 工程概述南
18、京市建宁西路过江通道一期工程位于长江大桥和扬子江隧道之间,建宁西路过江通道拟采用两台泥水盾构机分别施工两条隧道,由北岸工作井向江南始发掘进,隧道外径为1 4.5m,内径为1 3.3m,管片厚度0.6m,两隧道净距为1 71 8m.南岸堤防被切筋混凝土抗滑桩桩径9 0 0mm,桩间距1.5m,如图12所示.图1 堤防岸坡加固平面图(单位:m)4.1m-37.27-29.1135m11.7710.7745mU-42.21-38.117.093.59-50.44K6+804K6+779K6+700K6+6508.693.386.59图2 隧道与南岸堤防关系剖面图(1 9 8 5国家高程,单位:m)盾
19、构段洞身深度内以流塑状淤泥质粉质黏土及饱和粉细砂、砾砂、圆砾、泥岩、角砾岩、泥质粉砂岩、86三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年8月白云岩为主.堤身为4淤泥质粉质黏土呈流塑状、易蠕动的松软结构;2层粉砂层呈潮湿的松散结构,为液化土层,均属于不良工程地质层.具体的土体参数见表1.表1 土体参数土层名称重度/(k Nm-3)弹性模量/k P a泊松比黏聚力/k P a内摩擦角/()渗透系数/(md-1)4淤泥质粉质黏土1 8.33 8 3 00.3 81 71 0.30.0 25粉质黏土1 8.64 0 6 00.3 01 81 2.50.0 42粉砂2 0.31 2 2
20、3 00.3 072 8.97.0 0强风化凝灰岩2 2.74 0 0 0 00.3 02 03 0.00.6 0 M J S桩加固方案参见图1,盾构施工前采用M J S竖直桩对长江南岸堤防和岸坡加固.在区域内对堤身进行整体加固,加固横向范围为拟下穿隧道中心线两侧各3 5m,纵向范围为堤肩至防洪墙前.隧道两侧3m范围内M J S工法桩加固宽度为3 5.6m,隧道两侧3m范围外M J S工法加固宽度为1 7.11 7.4m.M J S工法桩桩径0.6m,桩距0.5m,梅花形布置,如图3所示.图3 M J S加固孔平面布置图(单位:mm)2 大直径盾构切削抗滑桩数值分析2.1 三维有限元模型本文采
21、用P L A X I S软件进行完全流固耦合计算,通过设置位移边界条件、渗流边界条件等初始条件在P L A X I S中实现完全流固耦合作用.在位移边界条件中,zm i n边界完全固定,zm a x边界自由,约束x,y边界的法向位移;在动力学条件中仅对x,y边界设置黏性;激活x、zm a x的地下水渗流边界条件,关闭y及zm i n渗流边界条件.模型计算尺寸为2 0 0m1 5 0m8 0m(盾构掘进方向垂直盾构方向高度),土体本构模型为摩尔库仑弹塑性模型,排水类型为排水,界面设置为刚性(Ri n t e r=1),基本参数采用表1数值.盾构机外环面以及抗滑桩采用板单元模拟,最终衬砌采用实体单
22、元模拟,堤身旋喷灌浆加固区域采用实体单元模拟.假设抗滑桩单排直线布设,根据等效原则简化为一定厚度的抗滑桩墙.M J S加固区根据等效刚度原则,通过计算高压旋喷桩对原有土体的置换率,从而得到整个加固区内复合加固土的参数.板单元设置相应的正向界面或负向界面,模拟结构与土体或是与其他实体单元的相互作用.模型中土体单元和实体单元选用1 0节点四面体单元,板单元采用6节点三角形单元,1 2节点的界面单元用于模拟结构物与土的相互作用.模型全局疏密度设为中等,共生成2 3 50 7 1个 单 元、3 7 14 4 5个 节 点,单 元 体 积 为0.0 0 14 6 7.8 2 3m3.三维模型如图4所示,
23、实体单元参数见表2.图4 三维计算模型表2 实体单元输入参数名称材料重度/(k Nm-3)置换率/%弹性模量/k P a泊松比M J S工法加固区桩土混合2 51 03.4 5 1 060.2 0 0混凝土衬砌C 6 02 5/3.6 0 1 070.1 6 7 大直径泥水盾构的管片长度为2m,盾构机长度为7环管片长度(1 4m).模拟计算时以一个管片长度为几何模型片段,将隧道划分为若干个2m长的片段,盾构机最后一个环宽为尾部空隙注浆段,盾构每次向前推进2m,同时安装完成盾尾后一个环宽的最终衬砌,如图5所示.图5 盾构施工模拟模拟计算时点击盾构外环面板单元创建负界面,模拟盾壳与周围土体的相互作
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