大面积深层搅拌桩施工考虑遮拦作用影响的研究.pdf

浙 江建 筑 第 2 8卷 第 1 2期 2 0 1 1 年 1 2月 Z h e j ia n g C o n s t r u ct io n V o 1 2 8 No 1 2 De c 2 0 1 1 大 面积深层搅拌桩施工考虑遮拦作用影 响的研 究 St u d y o n t h e P ile Gr o u p E ff e ct in L a r g e S c a l e De e p Mi x i n g Pi l e Co n s t r u ct i o n 蒋锋 平 刘 国彬 J I A NG F e n g p in g L 1 U G u o b in 1 上海民航新时代机场设计研究 院有限公 司 上海 2 0 0 3 3 5 2 同济大学 上海 2 0 0 0 9 2 摘要 为了减小基坑 开挖引起地铁隧道的位移 采用大 面积深层搅拌桩进行加固 但加 固施工 时也会引起地铁 隧道的隆起 需对其进行严格的控制 在此结合上海东方路下立 交工程 提 出了考虑 遮拦 作用的深层搅 拌桩施工对 邻近运 营隧道变形 的估算 方法 并对实测结果与估算结果进行 比较 同时提出了控制隧道隆起的措施 关键词 深层搅 拌桩 地铁隧道 遮拦作用 隆起 中图分类号 U 4 5 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 3 7 0 7 2 0 1 1 1 2 0 0 4 3 0 4 桩 的遮拦作 用是 桩土 相互 作用 的一 种直 接 表现 形式 是 桩对其周边 土体发生运 动所作 的抵抗 桩 的 竖直 向的遮拦效 应 由于 地铁 保护 的需 求 已有 一些 研 究 2 1 桩 的水 平 向遮 拦 作用 主要 在 抗 滑移 和深 基 坑变形方面 做了一些研究 但在地铁隧道上方 进行 基坑工程施工 为了保护地铁 隧道而进 行大 面积 加 固 在 大面积深层搅 拌桩施工过程 中 由于先打 的桩 特别是内插型钢的深层搅拌桩 达到一定强度后对 后 打的桩产生 遮拦 作用 的研 究鲜 有 报道 随 着城 市 地下 工程的数量 和规模 迅速增大 常 常会 出现基坑 骑 跨 于已运营地铁 区间隧道上 的问题 这一 问题在 软土 地 区地 铁保护方 面会越 来越成为现 实 利用 桩 的 自身 特性 优化 打桩顺序 以控制 深层搅拌 桩施 工对周 围环 境 的影 响是一种 十分有 效 的途径 l 建 立隧道 的位移估算方法 在先施工 的一排深层搅拌桩 内插型钢 的外 侧施 工深 层搅 拌桩 时先 打 的桩 起 到 遮 拦作 用 考虑 整排 遮拦 桩 的作用 模型 简化见 图 1 图 1计算模型简 图 1 1 用 小孔扩 张理论 估 算作 用在 遮拦 结构 的荷 栽 在求 解 遮拦 结 构 的水 平 位 移 时 需 要 确 定作 用 在遮拦 结构 上 的荷 载 本 文 利用 经 典 的 小 孔扩 张 理 论计算 它以摩尔 一库仑条件为依据 给出了小孔 扩张的一般解 1 由应 力 平 衡 方 程 式 和 摩 尔 一库 仑 破 坏 条 件 考 虑平 面应 变状态 微分 方程 的解 得 出塑性 区 内 任意 一点径 向和切 向应力 增量 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 0 4 作者简介 蒋锋平 1 9 7 9 一 男 浙江金华人 工程师 从事建筑结构设计工作 浙江建筑 2 0 1 1 年第 2 8 卷 2 弹 性 区 内 任 意 一 点 的 径 向 和 切 向 应 力 增量 一 c r 2 3 塑性 区半径 惫R 2 0 1 c 式 中 E 一土 的 弹性模 量 一 土 的泊 松 比 兰 一 土 的刚度 比 C c 一土体的不排水强度 尺 一 影响 区或 塑性 区半径 一 扩张小孔 的半径 即深层搅拌桩的等效半径 r 一 所求 应力 点与 桩孔 中心线 的距 离 实 际工程 中 先 确定深 层搅 拌桩 的等 效半径 再 由式 3 确定塑性 区的半径 然后求得各根桩在遮 拦结 构上 产生 的应力 最后 进 行叠加 求 得遮拦 结构 所 受 的外 荷 载 1 2 用杆 系有 限元 法 计算遮 拦结 构 的变形 采用杆 系有 限单元 进行结 构计 算时 通 常做 一 些 假定 来 简 化 计 算 计 算 遮 拦 结 构 的 变 形 假 定 如 下 1 遮拦结 构 的变形 和受 力计 算 按 平 面应 变 问 题 考虑 2 地层 假 设 为 线 弹 性 杆 系 有 限 单元 法 将 被 动 土 区视为 水平 向 的弹簧组 成 的地基模 型 1 3 根 据 土体位 移场 理论 计算 遮拦 结构后 的垂 直 位 移 场 根据文献 6 的土体位移场理论 通过遮拦结 构的变形曲线 确定遮拦结构下土体扰动深度 见 图 2 将 三 角 形 O B B 部 分 引起 的遮 拦 结 构后 地 层 移 动用 简单 位移 场来 模拟 曲线 O A B部分 引起 的遮 拦结构后地层移动用地层补偿法来模拟 综合 以上 两部 分 得 到遮拦 结构 后 的地层 移动 1 简 单 位 移 场 的 计 算 遮 拦 结 构 顶 位 移 为 艿 c 遮 拦结 构后 垂直 位移场 为 l B B 一 遮拦结构 图 2 围护遮拦 结构侧 向变 形的处理 k 1 一 一 日 总 y 2 I 4 式 中 日总 一 总 的影响深 度 图 2中 O B 长 度 6 Y 一 遮拦 结构 后任 一点处 竖 向位移 2 修正的地层 补偿 法 由滑移理论知道 若 假定遮拦结构后土体 的滑移线 为圆弧线 则土体 以 0为 圆心的每一条圆弧都 以 0为圆心发生 刚性转 动 即每 一 圆弧都 发 生 如相 应 处 围护遮 拦 结 构 侧 向 位移 大 小 的 转 动 见 图 3 可 用 来 计 算 垂 直 向 位 移场 遮 拦结 构水平 位移 曲线 部分 O A B 的方程 为 s Y 则遮拦 结 构后 土 体 中任 意 点 Y 处垂 直 位移 为 6 2 Y g Y co s O Y 5 Y 这样 综合上面的简单位移场及修正的地层补 偿法 可以得到遮拦结构后地层位移场 遮拦结构后 任 一点 的竖 向位移 见 图 3 J j 1 t l l l l 一 一 图 3 地 层补偿法计算原理示意图 6 Y 6 Y 6 2 Y 一 I I l I I 一 R一 k 2 2 l I 一 一 第 1 2期 蒋锋平等 大面积深层搅拌桩施工考虑遮拦作用影响的研究 4 5 6 1一 儿 总 6 L y 1 4 计算 步骤 对于 考虑 遮拦 作用 的大 面积 深层搅 拌桩 施 工对 邻 近地铁 隧道 的变 形估 算 可 以利用 以下 的方法 1 对 于深 层搅 拌 桩 可 以利 用 小孔 扩 张理 论 计 算作 用在 遮拦 结构 上 的附加 荷 载 2 根据杆系有限元法 以 1 计算得到的荷载 为基础 计算遮拦结构 的水平位移 3 以 2 计 算 得 到 的遮 拦 结 构 的水 平 位 移 为 基 础 采 用 土体位 移 场 理 论计 算 遮 拦 结 构 后 的垂 直 位 移场 4 以隧道轴线的土体位移代替隧道的位移 2 工程实例及数据分析 上海东方路立 交 工程 进 行大 面积 深层 搅拌 桩 加 固 其加 固剖 面见 图 4 地 铁 隧道 直径6 2 m 隧道 上 边缘标高 一 5 2 6 m 遮拦 结构和 3区为部分 内插 型钢 的单排深层搅 拌桩 搅拌 桩 中心线 离地铁 隧道外边 线 净距仅 I 4 2 5 m 桩 长2 9 7 IT I 和2 9 5 m 深层 搅 拌桩 直 径8 5 0 m m 相互搭接2 5 0 m m 部分搅拌桩内插5 0 0 m Y 3 0 0 m m 1 1 m m 1 5 m m的型钢 1区和 2区为大 面 积深层搅拌桩 搅拌桩桩长1 9 in 桩顶标高 2 5 m 桩 底 标高 一1 6 5 m 搅拌桩直 径 搭接 与遮 拦结构相 同 遮拦桩 下部 土层为粉 砂层 暗绿 草黄色粉 质黏土 的 层底标高为 一 2 4 5 2 n l 其下为草黄色砂质粉土 图 4深 层 搅 拌 桩 与 隧 道 相 对 位 置 剖 面 2 1 实 测 数 据 分 析 下 上行 线隧 道实测 值 分别 是 在 1区 2区深 层 搅拌桩施工过程中 上 下行线隧道 的实测 隆起值 见图 5 上下行线隧道隆起实测值相差 如此大 其 相对隧道位置 桩长 等 效桩数相同 根 据现场情 况 主要 原 因有 以下 几 点 图 5在不 同打桩条件 下上 下行线的隆起值 1 在下行线隧道外侧 已经打 了一排遮拦桩 遮拦桩施工完后2 0 d 左右才开始施工靠近遮拦桩的 深层 搅拌 桩 遮 拦结 构达 到 了较高 的强 度 水 泥土 和 型 钢形成 一个 整体 能 承受一 定 的水 平 荷载 而上行 线 隧道外 侧 的遮拦 桩施 工完 毕到靠 近遮 拦桩 的深 层 搅 拌桩施 工 只 有3 d 水 泥 土还 远 没 有 达 到 强 度 甚 至 比原状 土 的强度 还低 仅 型钢本 身有 一定 的刚度 其遮拦效果不佳 2 1区 的深 层搅 拌桩 每天施 工 7 1 4根 共 施 工 了1 1 d 而 2区相 同桩 数 的 等 量 深 层 搅 拌 桩 仅 施 工 了3 d 几 乎是 连续 施工 由于 隧道 的变形 主要 是 深层搅拌桩施工产生的孑 L 隙水压力 1区搅拌桩 的 施 工速度 很 慢 先 前 打 桩产 生 的部 分 孔 隙水 压 力 已 经 消散 因而 隧道 的隆 起 值 较 2区 的小 得 多 2区 的深层搅拌桩几乎是 连续成桩 其产生的孔 隙水压 力 来不 及消 散 3 1区施工 前 在隧道 上半 圆环 采用 双 液 注浆 加 固 加 固已有2 5 d 左右 的 时 间 而 在 2区深层 搅 拌 桩 施工 前 下行线 隧道 上方 没有 进行加 固 2 2计算 结果 与 实测结果 的 分析 1 1区共施工等效于 1 0 2根深层搅拌桩 此时 遮 拦桩 施工 完成 已经2 0 d 因此计 算 考 虑 遮拦 作 用 深层搅拌桩施工完成后下行线隧道隆起值的实测值 与计算值见 图6 从 图中可以看 出计算值 比实测值 大 分 析 主要原 因 由于 深层 搅 拌 桩 打 桩速 度 慢 前 后 共 1 1 d 孔 隙 水 压 力 的 下 降 隧 道 会 有 一 定 的下 沉 这 在计 算 中无法 考虑 浙江建筑 2 0 1 1 年第 2 8卷 吕 皇 迥 图 6 1区搅拌桩施工时下行线的实测值与计算值 2 2区共施 工等效 于 1 0 2根深 层 搅拌 桩 此 时 遮 拦桩施 工 完成仅3 d 因此计 算分 别 考 虑遮 拦 作用 与不考虑遮拦作用两种情况 施工完成后上行线隧 道隆起值的实测值与计算值见图 7 从图中可以看 出不考虑遮拦作用的计算值较实测值偏大 考虑桩 的遮拦 作用 的计算 值 较 实 测 值偏 小 从 现 场 情 况 分 析主要 原 因是遮 拦桩 施工 完毕 只有 3 d 水 泥 土 的强 度 远 没有达 到强 度 甚 至 比原状 土 的强 度还 要低 仅 型钢 本身有 一定 的刚度 遮 拦效 果不理 想 图 7 2区搅拌桩 施工时上 行线的实测值 与计算值 3 3区共施 工 2 1根 深 层 搅 拌 桩 这 部 分 深 层 搅拌桩为抗拔桩 桩长同遮拦桩 计算对下行线的影 响时 下行线 边 的遮 拦 桩 施 工完 成 有 3 0多 天 因此 考虑 桩 的遮 拦作 用 施 工 完成 后 下 行 线 隧道 隆 起 值 的实测值与计算值见 图 8 从 图中看 出 计算值较 实测值偏小 究其原 因有 搅拌桩下 部为粉砂层 桩底 标高在 一 2 6 5 0 m 暗绿 草 黄色粉 质黏 土 的层 底标高为一 2 4 5 2 m 其下为草黄色砂质粉土 水泥 土浆 液 的压 力 使 得 砂 质 粉 土 的承 压 水 水 头 压 力 增 大 由于隧道下方土层 的压力增大会使得隧道向上 隆起 此因素在计算时难以考虑 遮拦桩 的深度和 新打设的桩的深度一致 其遮拦作用效果较差 3 控制措施 3 1 连 续成桩 数 量 从图 5及其数据分析 减少每次连续成桩数量 图 8 3区搅拌桩施工时下行线的实测值与计算值 即减缓 成桩 速度 待 先 前 打桩 产 生 的孔 隙水 压 力 部 分 消散后 继续进 行深 层搅拌 桩施 工是 控制 隧道 隆起 值 的有 效途 径 3 2隧道 上 方加 固 在地 铁 隧道 两 侧 进行 深 层搅 拌 桩 施工 先在 隧 道上 方进 行地 基加 固 可 以有效 地 控 制 隧 道 的 隆起 值 地基 加 固的作 用 首先 增 大 土 体 的 C 值 增 大 土 体 的弹性模 量 使 得基 床系 数 增 大 根 据温 克 尔 弹性 地基 梁理论 使 得 隧道纵 向弹性 特征 值增 大 从 而 隧道 的变形 减小 其次 加 固体形 成整 体性很 好 的 空 间厚板 体 系 在 打桩产 生 的挤土作 用 时 增 大土体 对 隧道 的约束 从 而可 以有效 地控 制隧 道 的隆起 3 3利 用遮拦 作 用优化 打桩 顺序 从 图 5 及 其数 据分 析和 图 7考虑 与不 考 虑 桩 的 遮拦作 用 的计算值 中可以得 出结论 合理 安排打 桩顺 序 利用先打桩 自身的遮拦作用 减小 隧道 的隆起值 通 过对上述 的分 析 优化 大面积深层 搅拌 桩 的施 工顺 序 以控制隧道的变形 优化的打桩顺序是先在地铁 隧道上方进行地基 加 固 然后打靠 近隧道 的深层 搅拌 桩 内插型钢 作 为遮拦 结构 待其 基本 达 到强 度后 远离隧道的方 向慢慢打桩以使得孔隙水压力来得及 部分消散 若受 工期等影 响 可 以 由远 及近慢 慢打 桩 这种顺序 主要 考虑 了随着 时间的推移 遮 拦结 构强度 会增强 部分弥补了向着被保护对象的不利因素 4 结 论 大 面积深 层搅拌 桩施 工及 考 虑先打 桩 的遮 拦作 用 计算 是一个 比较 复 杂 的问题 在 实 际工 程 中影 响 因素很 多 本 文通 过分 析 可 以得 出 以下结论 1 减少 每 次 连 续 成 桩 数 量 待 打桩 产 生 的 孔 隙水压 力部 分消散 后继 续进行 深 层搅拌 桩施 工是 控 制隧道隆起值的有效途径 2 遮拦 桩 未 达 到 强 度 前 其遮 拦 作 用效 果 不 明显 下 转 第 5 3页 第 1 2期 戎建波 某会议中心项 目圆柱模板施工技术 5 3 时 混淆 6 2安 装质量 控制 模板 安 装 质量 控 制 不仅 要 对模 板 的垂 直度 拼 缝 等细节 节点 处 理 和控 制 还 应 在模 板 吊装 存 放 保养 等环 节进 行控 制 7安全 注意事项 1 钢模 板 木 制 混 凝 土 定 型模 板 应 设 专 区进 行 堆放 非操作 人 员不得 随意 进入 堆放 场地 木制混 凝 土定 型模板 不得 露天堆 放 2 钢模板拆除时 必须将 吊钩预挂好 禁止在 不 挂钩 的情况 拆 除钢模板 防止模 板倾覆 伤人 3 钢模 组 装 或 拆 除 时 指 挥 拆 除 和 挂 钩人 员 必 须站 在安 全可靠 的地 方操 作 4 钢模 在 拆 模 起 吊前 必 须 检 查 连 接 螺 栓 是 否拆 除干 净 在 确认 无遗 漏后 方 可起 吊 5 木 制 混凝 土 定 型 模 板 拆 除 时 操 作 人 员 严 禁使 用翘 棍在 模板 上 口强行拆 除 掰开 8 结 语 本 工程 圆柱 钢模 采 用定 型钢 模板 木制 混 凝 土 定 型模板 两种 不 同材 质 形 式 的模 板 圆柱 混 凝 土表 面光 洁 均达 到 了预 期 的效 果 木制 混 凝 土 定 型模 板 比传统 的 圆柱钢 模 从 成 本 进 度 等方 面具 有 较 明 显 的优势 其发 展前 景 十分广 阔 参 考 文 献 1 王寿华 侯君伟 建筑施工手册 M 4版 北京 中国建筑工业 出版 社 2 0 0 3 5 0 1 2 魏忠泽 张健 鲁德成 等 J G J 1 6 2 2 0 0