考虑施工影响的东绕城高速公路安全评价分析_吴开荣.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言近几十年，一些学者对路基开挖和填方施工对邻近建筑物的影响做了许多研究与分析。帅红岩1等通过数值模拟方法研究了基坑开挖深度与基坑整体位移的关系；孙超等2-3运用Midas GTS软件对基坑开挖过程对周边建筑物的影响进行了模拟分析；王卫东等4通过数值模拟方法研究基坑开挖卸载对地铁区间隧道的影响；王洪德、杨传亮等5-6利用有限元软件建模数值分析的方法，研究了桩基施工、给排水管道在施工开挖过程中对既有隧道的影响；洪晟7通过有限元软件建模数值分析的方法，研究深基坑的围护结构变形以及周围土体应力场变化的合理性；李明瑛等8通过MIDAS GTS有限元软件，研究了深基坑中土体的沉降、锚杆的应力分布变化、桩身的位移变化，为控制基坑的变形提供了借鉴；曹力桥9利用有限元软件对深基坑开挖基底进行研究，分析了基坑底部隆起的位移与开挖深度的关系；张向东等10通过数值模拟认为随着基坑【作者简介】吴开荣（1991），男，江苏扬州人，工程师，从事公路安全咨询研究。考虑施工影响的东绕城高速公路安全评价分析Safety Evaluation and Analysis of the East Ring ExpresswayConsidering Construction Impact吴开荣1，向田一2（1.苏交科集团股份有限公司，南京 210017；2.大连大学建筑工程学院，辽宁 大连 116622）WU Kai-rong1,Xiang Tian-yi2(1.JSTI Group Co.Ltd.,Nanjing 210017,China;2.College of Civil Engineering and Architecture,Dalian University(CCEA),Dalian 116622,China)【摘要】以昆明市经济开发区安石公路市政化改造工程及综合管廊 PPP 项目下穿昆明东绕城高速中保通便道施工为工程背景，基于MIDASGTSNX 软件建立东绕城高速保通便道施工模型，考虑了路基段填方和新建钢混轻便桥等多方面因素的影响，分析得出东绕城高速公路周围土体存在沉降及变形的情况，以及已有的桥梁桩基变形和轴向应力分布情况及桥墩和桥面应力分布情况。分析结果表明：土方回填会导致东绕城高速路基段发生沉降，路面也有可能出现张拉裂缝，但不会出现拉跨，路基段土体处于稳定状态；已有桥梁也会发生变形，但满足安全要求，所以，保通便道的施工对东绕城高速影响较小。【Abstract】Taking the municipal transformation project of Anshi Highway in Kunming Economic Development Zone and the PPP projectof integrated pipeline corridor under the construction of Zhongbaotong bypass of Kunming East Ring Highway as the engineeringbackground,based on MIDAS GTS NX software,the construction model of East Bypass Expressway is established,and the influence ofvarious factors such as the filling of the roadbed section and the new steel hybrid bridge is taken into consideration,and the settlement anddeformation of the soil around the East Bypass Expressway are analyzed.The analysis showed that the deformation and axial stressdistribution of the existing bridge pile foundation and the stress distribution of the bridge pier and bridge deck.The analysis results showthat:the earth backfill will lead to the settlement of the roadbed section of the Eastern Bypass Expressway,the road surface may also appeartension cracks,but there will be no pulling across,and the soil of the roadbed section is in a stable state;the existing bridge will also bedeformed,but meet the safety requirements,so the construction of the bypass will have a small impact on the Eastern Bypass Expressway.【关键词】MIDASGTSNX；变形；应力分布；安全评价分析【Keywords】MIDAS GTS NX;deformation;stress distribution;safety evaluation and analysis【中图分类号】U416.1【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）01-0096-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.01.23196的开挖深度增加，会使周围土体滑动，从而使基坑变形影响周围建筑物的安全；丁克伟等11经研究发现应力分布与基坑开挖有重大关系，且伴随着基坑开挖深度的不断加深，基坑的水平位移也逐渐变大，水平位移的位置随着基坑开挖深度的增大而发生变化；杨光12运用三维有限元软件对基坑开挖和施工堆土对临近建筑物的影响进行了模拟分析，发现基坑开挖深度越深，并且施工堆土越多，对临近建筑物的影响越大。本文以东绕城高速改扩建为列，利用MIDAS GTS NX有限元软件对东绕城高速保通便道施工全过程进行模拟，分析对东绕城高速公路的影响，从而为类似的项目提供相关经验。2工程概况2.1自然地理及地域地质概况2.1.1地形地貌本项目位于昆明断陷盆地东北部，地处滇池盆地边缘低山丘陵区域。东南部以浅切割低山地貌为主，还有山麓斜坡地貌和山麓坡脚堆积地貌；东北部为断陷盆地平原地貌。总体地势为西北低东南高，海拔高度在1 9072 002 m，高差95 m，属平原向山地地貌逐渐过渡，地形起伏小。2.1.2水文、地质1）水文条件。项目区地处长江上游滇池流域，位于该流域中上游滇池东岸，为大陆停滞水堆积形成的冲湖积准平原地貌与盆地边缘残丘地貌过渡部位。项目区为残丘地貌区，地表水系除马料河外，场地附近多为人工沟渠，地表水系较发育。2）地质条件。勘察场地地层由松散覆盖地层及基岩地层组成。松散覆盖土层以第四系全新统冲、湖积地层为主。勘探场地勘探深度范围内松散地层类型主要为黏土类、混合土类、粉土类、砾石土类及有机碳土类。基岩地层主要为寒武系下统沧浪铺组砂岩。勘察区位于西部断线盆地平原地貌区，地势上西北低东南高，自西向东由平原逐渐向山地过度，海拔高度在1 8902 050 m，高差约160 m。2.1.3气候、气象项目区地处北暖温带夏雨季风气候区，多年平均气温14.7，最冷月平均气温7.7，最热月平均气温19.8，极端低温-5.4，极端高温31.5，年平均降雨量1 007.0 mm，年平均蒸发量1 685.0 mm，每年610月为雨季，雨季降雨量占全年总降雨量的80.0%，对基础工程施工较为不利，每年12月至次年4月为旱季，干燥度为1.67，为微湿润气候区，日最大降雨量153.0 mm，夏季平均气压8.06104Pa，30年一遇最大风速23.7 m/s，最大积雪厚度17.0 cm。年平均相对湿度73，蒸发量1 940.9 mm，月平均蒸发量278.8 mm，3、4月份为最干旱月，相对湿度仅5455。2.2东绕城高速公路2.2.1路基段昆明东绕城高速为高速公路，主线整体式路基宽35.0 m，其路幅构成如下：0.75 m（土路肩）+3.25 m（硬路肩）+33.75 m（行车道）+0.75 m（路缘带）+3 m（中央分隔）+0.75 m（路缘带）+33.75 m（行车道）+3.25 m（硬路肩）+0.75 m（土路肩）=35.0 m。2.2.2安石公路跨线中桥现状安石公路跨线桥上部结构采用30 m简支T梁，下部结构采用U形重力式桥台，钻孔桩基础，0号桥台桩基长度为38.5 m，1号桥台桩基长度为36 m。本桥位于曲线上，曲线半径为750 m，与线路中线呈45斜交。桥台锥坡采用7.5号浆砌片石铺砌厚35 cm，锥坡填土与路基相同。2.3新建便桥为了保证东绕城高速正常运营，拟在K18+805处新建1座钢混组合梁便桥，以解决东绕城高速交通疏解问题，便桥道路等级为一级公路标准，设计时速60 km/h，单向三车道（33.5 m），荷载等级采用公路-级荷载。安石公路跨线中桥里程为GK18+775.42。新建便桥跨径组合为130 m，便道桥台采用重力式U形台，基础采用钻孔灌注桩，桩径为1.5 m，桩长为45 m。桥梁全长43.913 m（含耳墙），桥面等宽15.7 m。桥下安石路路基宽度约为26 m，设计净空为5 m。3计算工况本次计算工况分为3个步骤：首先建立初始自重应力场。在实际工程中，由于天然土层在土体自重和周围建筑物荷载作用下已经固结沉降完毕，需要将已经固结沉降完成的原状土作为后续开挖步的初始状态。因此，在利用有限元计算各个施工过程对已有路基段与已有桥梁的影响时，若要达到天然土层的初始状态，必须平衡初始地应力，使土体模型中只存在初始应力场，而不出现初始位移。模型中的首要阶段为施工前，计算出土体在自重的作用下的位移场和应力场，通过MIDAS GTS的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，并构造初始应力场，同时作为后续阶段计算结果的参照。模型中计算的所有变MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计97Construction&DesignForProject工程建设与设计形数值都是地层、结构的最终变形值，不考虑时效作用。4东绕城高速保通便道施工模型计算4.1计算模型桩台、桥面、桩基均采用弹性本构模型。钢筋混凝土三维实体单元的自重是通过结构重度与三维体积乘积所得，由于在MIDAS中无法对实体单元结构内钢筋进行建模，所以，对含有钢筋的混凝土结构比重进行修正，见表1。其中，桩基采用1D网格，并增加桩侧与桩端单元模拟桩基的侧摩阻与端阻力。各土层与结构采用3D四面体网格划分方法建立三维有限元模型，东绕城高速保通便道施工模型共计网格148 781个。表 1计算单元及参数选取结构类型模型网格类型重度/（kN/m3）修正重度/（kN/m3）弹性模量/MPa桥台土体单元桩基混凝土桥面三维实体网格三维实体网格一维网格二维板单元网格26.52026.52627.752078.52331040.5310431044.2计算结果从计算结果分析可以看出，由于保通便道存在路基段填方，导致填方处地形存在较大幅度沉降，地面最大沉降值约为20 mm。已有路基在靠近保通便道处的最大沉降约为16 mm。由于沉降作用，已建路基最大横向位移约为6.34 mm，Y向变形最大值约为1.31 mm。见表2。表 2绕城高速保通便道施工模型计算结果汇总表模型编号计算阶段敏感结构最大 X向位移/mm最大 Y向位移/mm最大