上水管道近接施工沉降数值模拟

摘要:研究目的:针对北京新建上水管道邻接既有结构工程 ,利用 Ansys软件进行施工过程模拟 ,探讨新建上水管道施工过程中周边地层位移、 既有结构施工沉降、新建上水管道的安全等问题。研究结论:在本地质条件情况下 ,最大沉降2.07mm,最大隆起值0.56 mm,变形量满足设计要求;地表沉降槽宽度约 30 m,沉降曲线相对平坦 ,满足既有结构沉降要求。

关键词近接施工上水管道数值模拟

中图分类号:TV1文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-113-01

1工程概述

由于北京站至北京西站地下直径线施工,需对于施工范围内的一根DN600mm上水管线进行改移,改移后上水管线位于北京站西街规划南红线以北约1.3米,沿南红线布置,北京站西街下方及其南红线以南有地铁二号线崇文门站至北京站区间风道加强层结构,新建管线将从风道结构与加强层结构间穿过,与风道结构呈90度交角。穿越位置处风道结构为单层双跨矩形框架结构,顶板埋深约3.2m,加强层厚0.7m,风道结构与加强层净距2.29m。本工程为新建上水管线穿越地铁段工程,该段结构采用直径800mm钢管内套直径600mm上水管道德结构型式,钢套管采用顶管法施作,钢套管与上水管道之间用膨润土和粉煤灰混合物填充。管线全长63米,起点处设顶管始发井,终点设顶管接收井。

2三维有限元模型

2.1单元划分

计算采用ANSYS有限元程序进行数值模拟。屈服条件采用Drucker-Prager屈服准则。计算荷载为自重、人群荷载(4kN/m2) 、地面超载(20kN/m2) 。

2.2计算参数

计算范围内有三种性质差异较大的围岩,地下水位一般处于所输水管道高程之下,计算中可不考虑地下水的作用。计算所选取的围岩力学参数和支护结构参数如表1所示。

表1模型计算参数

2.3计算方案

本次分析时采用机械顶进法空间计算模型,分析夯管施工对区间风道和加强层影响的空间效应。计算中机械顶进法用25个计算步模拟整个施工过程对既有结构的影响。机械顶进法施工第1个计算步为计算初始应力状态;第2到25计算步为土体开挖,同时用衬砌支护。

3数值计算结果及分析

观察每个计算步骤中沉降发现最大沉降出现在各结构物与夯管相交的部位。如表2所示。

为了分析机械顶进法对区间风道影响的空间效应,选取风道的纵断面,对其在各个典型施工步时风道的纵向位移进行分析。可以看出在第五施工步到十五施工步之间的位移变化较大。施工中产生的位移差在区间风道的一侧累积,使区间风道产生较大的不均匀沉降。风道的不均匀变形所产生的扭转会导致结构产生巨大的内力,因此建议施工过程中应控制好各开挖步的进尺,以降低施工中产生的结构内力。

表2位移计算结果(单位:mm)

同理,选取加强层的纵断面,对其在各个典型施工步时风道的纵向位移进行分析,由以上加强层的纵截面随施工步的影响可以看出,加强层的纵向影响较大的主要是开挖步第五步到第十四步之间。其施工顶进距离约为15米至30米之间,其影响范围大约为上水管线左右各15米。施工结束后,应对开挖影响范围进行检查,并对局部出现的裂缝等损伤进行耐久性修复。

4结论及建议

通过对实体模型的分析,对开挖进行了具体的模拟计算,较详细的掌握了加强层和区间风道的情况。分析各施工步引起的风道和加强层的位移变化,可得出:

(1) 风道最大位移为0.56mm开挖距离为31.1米的时候。加强层最大位移量为2.07mm, 开挖距离为23.2m。由以上可得其施工过程对风道和加强层的影响范围约为30m,即上水管道中心线两侧各15m是施工的影响范围,而且离中心线越远其影响程度更低。因此在影响范围中时应控制好施工各步的顶进距离,从而减小对既有结构的影响。

(2) 由该施工方法可得出上水管道施工影响最大的位置在与上水管道垂直相交部位,因加强对这些点的监测。

(3) 空间静力计算主要考虑了夯管顶进和出土的过程,动力计算主要考虑了气夯锤动力施加对既有结构的影响,这两方面是同时起作用的。为了考察气夯锤在夯进过程中对轨道沉降的影响,应在施工步中选取开挖步之间沉降量差值最大的施工步进行动力分析。

参考文献:

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