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矿山法隧道开挖对桩基影响的工程分析法 孙吉主 武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉430070 摘 要矿山法开挖隧道时会对附近基桩产生不利影响,提出了隧道上覆岩土体和基桩稳定性以及洞顶下沉等问 题的简便工程分析方法。 关键词矿山法,极限塌落高度,变形,稳定性 中图分类号 TU473 文献标识码 B 文章编号 10042315220060120030203 1 引言 矿山法隧道施工可以采取2步、4步两种开挖 方式,前者是先开挖上半拱部分,然后在支护上拱顶 的同时开挖下半部分;后者是左上半拱部分、 左下半 部分、 右上半拱部分和右下半部分依次开挖。采取 何种方式更经济、 更安全,要视具体工程而定,但它 们都会不同程度地对上覆土体及其附近建构筑物 稳定性产生不利影响[1 ,2]。 本文将在相应地勘资料分析的基础上,利用工 程分析法分析矿山法开挖地铁隧洞时上部的岩土体 稳定性和洞顶下沉等问题。 2 隧洞开挖极限塌落高度与剪切变形 分析 对于多岩土层地基,可以利用微分条块的办法 计算受力和变形,微分条块数量越多计算结果越精 确。在考虑每一微分条块不同物理力学指标的同 时,就可以将单一岩土层隧洞开挖极限塌落高度与 变形计算公式改写成适合于多岩土层隧洞形式。假 设开挖后侧壁岩体稳定,对于线弹性问题和考虑库 仑摩尔破坏准则,根据图1中岩土受力平衡关系计 算如下。 隧洞开挖上覆n条岩土层对于i条厚度hi重 力与侧边剪力差值F为 F ∑ n i 1 Bγihi-2 ∑ n i 1 [cihiσ3ihitanφi]1 其中 σ3i μi 1-μi σ1 i- 1γ ihi 2 μi 1-μi ∑ i-1 j 1γ jhjγ ihi 2 2 图1 多岩土层隧洞开挖上覆岩土受力状态 令1式中的F 0,则多层岩土层隧洞开挖极限塌 落高度Z为 z ∑ n i 1 hi|F03 对应多层岩土层隧洞开挖极限塌落高度的剪切位移 为 W z ∫ z 0υ idz ∫ z 0 τi Gi dz≈ ∑ n i 1 τi Gi hi ∑ n i 1 [cihiσ3ihitanφi] hi Gi 4 其中Gi Ei 21μi 收稿日期 2005203207 3 上覆岩土层稳定性与变形分析 对于深埋隧洞开挖工程,上覆岩土层的稳定系 数k可以表示为抗剪力与岩土层重力、 外载荷P的 和之比值,根据图1中岩土层受力平衡关系和上述 分析可以写为 k ∫ z 02 τidz ∫ z 0γ iB dz P ≈ 2 ∑ n i 1 [cihiσ3ihitanφi] ∑ n i 1 Bγihi P 5 式5中,稳定系数k的物理意义如下当k 1时,安全状态,极限塌落高度小于上覆岩土层 厚度。 设隧洞埋深H ,则隧洞开挖极限塌落高度Z由 下式求得 k ∫ H H- Z2 τidz ∫ H H- Z γiB dz P ≈ 2 ∑ n i m [cihiσ3ihitanφi] ∑ n i m Bγihi P 1 6 极限塌落高度为 Z ∑ n i m hi7 式中n是指隧洞上覆岩土层的条分数; m是指隧洞 上覆岩土层中极限塌落高度范围的条分数。 隧洞开挖引起上覆岩土层的下沉,即剪切变形 为 W [ H - Z →H] ∫ H H- Z υidz ∫ H H- Z τi Gi dz ≈ ∑ n i m [cihiσ3ihitanφi] hi Gi 8 4 工程实例分析 某住宅楼为框架结构,高9层,基础为人工挖孔 桩,桩径1. 5 m。根据钻孔地质柱状图,所有的桩底 都处于中风化层,为了使计算结果更具可靠性,中风 化层以下的介质也按中风化层考虑。由上至下各岩 土层的主要力学参数如表1所示,分析区域的计算 模型见图2。岩土体除了承受自重外,在桩顶还承 受上层建筑的自重载荷,暂不考虑其它载荷。用工 程方法估算单桩承受的荷载单桩荷载每平方 米载荷 层数 面积/桩数。 表1 各岩土层物理力学参数 地层类型 厚度 m 弹性模量 EMPa 泊松比 μ 容重 N/ m3 内聚力 ckPa 摩擦角 φ 杂填土0. 55100. 3200001018 粉质粘土2. 24250. 3200002520 粉土5. 0200. 3200002218 强风化砂岩3. 321200. 22200010028 中风化砂岩8. 185000. 22200025028 混凝土衬砌0. 3200000. 225000550030 桩200000. 225000550030 地铁隧洞洞室宽6. 40 m ,拱高6. 70 m ,平均埋 深为17. 8 m ,研究区段内隧洞纵向坡度29‰,隧洞 围岩为强风化泥质粉砂岩、 粗砂岩。该区间隧洞按 设计采用矿山法2步、4步开挖施工,初步支护和衬 砌采用C20混凝土,厚300 mm ,二次衬砌采用C25 防水钢筋混凝土整体浇筑,厚300 mm ,取一计算断 面如图2所示。 图2 桩基与隧洞及地层剖面 表2 地层稳定性与变形计算结果 开挖 方式 桩号 桩长 m 桩受 力kN 隧洞顶下 沉mm 安全系数 2 步 F12 H12 14. 7 11. 5 713 758 12. 5221. 921 4 步 F12 H12 14. 7 11. 5 713 758 4. 174第2步 4. 174第4步 3. 262第2步 3. 383第4步 首先计算基桩的稳定性,桩侧摩擦力由下式计 算 Nfπd ∑ n i 1 hifi9 式中d为桩的直径; fi为第i层土的单位面积摩擦 13 第1期 孙吉主矿山法隧道开挖对桩基影响的工程分析法 力。根据地质描述,以及我们的工程经验,取各层土 的fi为f2 35 kN/ m2粉质粘土 ; f3 25 kN/ m2粉土 ; f4 66 kN/ m2强风化砂岩 ; f5 95 kN/ m2中风化砂岩。结合图2 ,由式9求得F12 和H12桩侧摩擦力分别为4100 kN和2665 kN ,均 大于桩顶荷载,故桩基稳定。尽管F12桩底距隧洞 顶只有1. 76 m ,一般需考虑托换,但考虑到桩顶荷 载仅有713 kN ,桩底支承于中风化砂岩上,而计算 的桩周摩擦力又远大于桩顶荷载,即可认为桩底无 荷载,因此该桩没有必要托换。 利用前述工程分析法对图2断面地层的稳定性 进行计算,表2中的隧洞顶下沉计算结果对比表明, 4步开挖隧洞比2步开挖隧洞的下沉值减小许多, 同时开挖隧洞上覆岩土层的安全性得到大大改善。 5 结语 本文提出了矿山法隧道开挖对桩基影响的工程 分析法,该法是基于形象描述实际工程破坏问题和 简化的解析分析方法,它没有传统的解析分析方法 那样精密与繁琐,又比数值分析结果更接近实际、 更 便于理解,其可靠性可以在工程实践中不断提高。 参考文献 [1] 李铁汉,潘别桐.岩体力学[M].北京地质出版社,1980. [2] 孙更生,郑大同.软土地基与地下工程[ M].北京中国建筑工 业出版社,1984. [3] 陆培炎.桩基设计方法[J ].岩石力学与工程学报,1994 ,134 . [4] 朱百里,沈珠江.计算土力学[M].上海上海科学技术出版社, 1987. Analysis of the Effect of Tunnel Excavated by Mining on Pile Foundation SUN Ji2zhu C. E. Arch. Coll. , Wuhan Univ. of Tech. Sci. , Hubei 430070 , China Abstract When minging is used in tunnel excavation , Unfavonable effect may occur. In this paper , brief analysis of problems such as stability of overburden rock and pile also the settlement of ceiling are presented. Key words minging , ultimate collapsible helght , deation , stibility “2006年中国交通土建工程学术交流会” 会讯 “2006年第二届中国交通土建工程学术交流会” 将于2006年04月在成都西南交通大学举行。本次交 流会于2006年3月中旬出版 2006年中国交通土建工程学术论文集,收录具有较高学术价值的论文200 余篇,分上、 下两册约1000页。 组委会已收到近200名代表报名参加此次会议。组委会邀请王梦恕、 陈新等院士出席本次交流会,同 时,也特别邀请到中国铁道部副部长,铁道部相关司、 局领导,中国铁道学会理事长,成都地铁有限公司计划 发展部部长等领导到会。届时,业内专家及相关领导将在会上发言并做专题报告,相信本次交流会将成为近 年来我国交通土建领域内少有的高层次会议。 如需参会,请咨询西南交大科技产业集团产业促进中心028 - 87634738 87601177 http / / key. swjtu. edu. cn 23土 工 基 础 2006