暗穿隧道下穿鐵路專運(yùn)線沉降分析

王鳴曉

(西安市地下鐵路有限責(zé)任公司,陜西西安 710018)

暗穿隧道下穿鐵路專運(yùn)線沉降分析

王鳴曉

(西安市地下鐵路有限責(zé)任公司,陜西西安 710018)

西安地鐵半坡站出入口暗挖隧道下穿紡織城鐵路專線,設(shè)計(jì)采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行軌道加固。應(yīng)用計(jì)算軟件,通過(guò)鐵路專運(yùn)線在加固前后,受下穿暗挖隧道施工影響所產(chǎn)生的沉降大小的數(shù)值計(jì)算分析,討論加固措施的必要性和可行性。

數(shù)值計(jì)算;暗挖隧道;鐵路專運(yùn)線;加固

1 引言

地鐵隧道開挖會(huì)引起地表沉降和變形,進(jìn)而影響地面建構(gòu)筑物的安全和地下管線的正常使用[1]。地鐵線路一般都會(huì)穿過(guò)城市繁華地段,地面建構(gòu)筑物林立,地下管網(wǎng)密布,對(duì)施工產(chǎn)生的沉降和變形的控制要求較高。設(shè)計(jì)方案的選擇對(duì)施工安全產(chǎn)生極大的影響,如稍有失誤,將會(huì)造成不可估量的損失。為了保證設(shè)計(jì)方案的可靠性,在設(shè)計(jì)階段對(duì)暗挖隧道施工可能引起的地面建構(gòu)筑物沉降進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,預(yù)測(cè)隧道開挖所引起的地表移動(dòng)及變形,并提出防止過(guò)大變形的建構(gòu)筑物加固措施,是具有現(xiàn)實(shí)意義的[5]。

2 工程簡(jiǎn)介

西安地鐵半坡站位于紡織城鐵路專運(yùn)線東側(cè)。鐵路專運(yùn)線為紡織城重要運(yùn)輸線,該鐵路線橫跨車站 IV號(hào)出入口暗挖隧道,鐵路路基基底距離出入口拱頂約1m,距軌底約為3m。

隧道穿越鐵路專運(yùn)線段擬進(jìn)行軌道加固,隧道范圍外側(cè)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng)16m,線路加固范圍外左右10m范圍內(nèi)需加護(hù)軌。

圖1 隧道穿越鐵路專運(yùn)線段加固圖

隧道采用CD法施工,初期支護(hù)采用噴射混凝土、錨桿及鋼架組成聯(lián)合支護(hù)體系,以大管棚、小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)。初期支護(hù)厚度為300mm,C25噴射混凝土,拱部150°打設(shè)Φ108mm大管棚,環(huán)向間距0.5m,大管棚之間設(shè)置超前小導(dǎo)管,長(zhǎng)3.5m,環(huán)向間距0.5m。

隧道洞身位于新黃土層中,地表往下地層依次為:1)素填土,主要由粘性土組成,土質(zhì)不均,厚約2m;2)新黃土,土質(zhì)均勻,具蟲孔及大孔隙,硬塑狀態(tài),厚約12m,為高壓縮性土,具有一定濕陷性;3)粉質(zhì)粘土,可塑狀態(tài),為中壓縮性土;4)卵石,一般粒徑為20～60mm,密實(shí)狀態(tài)。

3 計(jì)算范圍及內(nèi)容

根據(jù)礦山法隧道周邊的影響范圍、隧道與鐵路專運(yùn)線的空間位置關(guān)系及加固方案,選取計(jì)算范圍如下圖所示:

圖2 計(jì)算范圍選取

數(shù)值計(jì)算內(nèi)容如下:

1)未采取加固方案時(shí)隧道開挖引起鐵路專運(yùn)線的沉降及最大差異沉降變形;

2)采取加固方案后隧道開挖引起鐵路專運(yùn)線的沉降及最大差異沉降變形;

3)加固方案效果分析。

4 計(jì)算方法

考慮到施工引起的既有鐵路專運(yùn)線變形均與地層關(guān)系密切,因此采用地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析,選擇FLAC有限差分程序進(jìn)行計(jì)算[23]。

5 計(jì)算模型

5.1 模型建立

采用有限差分方法進(jìn)行三維計(jì)算,首先建立地層-結(jié)構(gòu)模型[4]。初始條件為暗挖出入口隧道尚未開挖,列車正常運(yùn)行?？紤]到施工過(guò)程中的空間效應(yīng),對(duì)隧道開挖影響區(qū)域建立實(shí)體力學(xué)模型,并進(jìn)行三維計(jì)算分析。

計(jì)算模型一共劃分了12530個(gè)單元,地層模型采用大變形理論,地層-結(jié)構(gòu)模型整體網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3,其中隧道周圍土體、隧道初期支護(hù)、二次襯砌均采用實(shí)體單元,根據(jù)不同的土層填料采用相匹配的材料技術(shù)參數(shù)。鐵路專運(yùn)線加固采用的托換梁采用實(shí)體單元,樁采用beam結(jié)構(gòu)單元[5、7]。

圖3 計(jì)算模型

邊界條件:頂面為自由邊界,其他5個(gè)面均為法向約束。

計(jì)算荷載:

1)列車荷載:采用普通線路的中一活載,如圖4所示,本計(jì)算中選用較為不利的情況(中一活載的集中力剛好跨到隧道上方);在未加固時(shí)列車荷載全部作用在路基上,加固后在加固范圍內(nèi)的列車活載平分在兩托換梁上,其余作用在路基上;

2)土體自重;3)結(jié)構(gòu)自重;4)地表均布超載20kPa;

圖4 中一活載示意圖

5.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘察資料,土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)下表1,因本場(chǎng)地范圍水位在出入口隧道底板下約3m,且車站基坑開挖采用基坑外降水,故本計(jì)算中不考慮水的滲透作用。

表1 土層參數(shù)表

鐵路專運(yùn)線路基土體力學(xué)參數(shù)無(wú)可參考的資料,此處根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)在原有土體基礎(chǔ)上提高,同樣,隧道開挖時(shí)采用大管棚+小導(dǎo)管超前支護(hù)、注漿錨管徑向施作,均采用等效處理,即通過(guò)提高加固范圍內(nèi)的土體參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

鐵路專運(yùn)線加固措施中采用的樁、梁混凝土標(biāo)號(hào)未知,暫按C20考慮。隧道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土,二次襯砌采用C30混凝土,混凝土力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 混凝土力學(xué)參數(shù)表

6 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)模擬計(jì)算分析,考察隧道動(dòng)態(tài)施工觸發(fā)周圍土體及地表土體位移的特性,及其對(duì)鐵路運(yùn)行安全的影響,評(píng)價(jià)所采用的保護(hù)方案的可行性。

6.1未加固時(shí)變形分析

在未采用加固保護(hù)方案的情況下,隧道開挖結(jié)束后,整個(gè)模型范圍內(nèi)土體的豎向位移云圖及地表沉降變形云圖如圖5、圖6所示:

圖5 未加固時(shí)隧道開挖結(jié)束后豎向位移云圖

圖6 未加固時(shí)隧道開挖結(jié)束后地表沉降變形云圖

地表沉降變形云圖顯示,隧道開挖結(jié)束后,因列車荷載的作用,地表沉降最大值出現(xiàn)在隧道中心線和線路中心線交匯處。本模擬計(jì)算中假設(shè)隧道理想支護(hù)情況,即隧道每步開挖后立即進(jìn)行支護(hù),沒(méi)有空間的滯后,只是考慮了部分土體應(yīng)力釋放。由于土體的參數(shù)與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)相差太大,因此在釋放一定應(yīng)力后施加支護(hù)產(chǎn)生隧道上方土體沉降、兩側(cè)略微隆起的變形情況。

在模型范圍內(nèi)鐵路專運(yùn)線線路路基中心線下選取一個(gè)典型截面,該斷面的沉降槽曲線如圖7所示:

圖7 未加固時(shí)隧道開挖結(jié)束后線路沉降槽曲線

由位移云圖及沉降槽曲線圖中可以看出,在不對(duì)鐵路專運(yùn)線采取加固保護(hù)措施的情況下,前后軌頂沉降差最大達(dá)到了22mm左右,而設(shè)計(jì)要求最大差異變形值不大于4mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出要求,危及列車運(yùn)營(yíng)安全,因此對(duì)鐵路專運(yùn)線采取相應(yīng)的針對(duì)性保護(hù)措施是非常必要的。

6.2加固后變形分析

在采用加固保護(hù)方案的情況下,隧道開挖前模型如圖8所示:

圖8 加固時(shí)模型

隧道開挖結(jié)束后,整個(gè)模型范圍內(nèi)土體的豎向位移云圖及地表沉降變形云圖如圖9、圖10所示:

圖9 加固時(shí)隧道開挖結(jié)束后豎向位移云圖

圖10 加固時(shí)隧道開挖結(jié)束后地表沉降變形云圖

地表沉降變形云圖顯示,因加固范圍內(nèi)列車荷載轉(zhuǎn)移在剛度相對(duì)土體很大、下部布置樁的兩根托換梁上,且梁與樁對(duì)該范圍內(nèi)的土體也具有一定的加固作用,故在加固范圍內(nèi)土體變形變小,隧道開挖結(jié)束后地表沉降最大值不再出現(xiàn)在隧道中心線和線路中心線交匯處,隧道上方梁上各點(diǎn)位移基本一致。

在模型范圍內(nèi)鐵路專運(yùn)線線路路基中心線下選取一個(gè)典型截面,該斷面的沉降槽曲線如圖11所示:

可見(jiàn),隧道上方線路路基土體在梁、樁加固及轉(zhuǎn)移荷載作用下,差異沉降有所減小。

在隧道中心線左右各約10m的托換范圍內(nèi),列車未直接作用在鐵路路基上,而是通過(guò)工字鋼將荷載傳遞到兩邊的托換梁上,該段線路沉降變形為兩邊梁沉降變形的中和值。計(jì)算結(jié)果顯示,1#梁和2#梁位移基本相同,線路左右軌頂沉降差很小,僅約1.6mm,滿足不大于3mm的要求。

7 結(jié)語(yǔ)

在采取部分條件假定的前提下,通過(guò)對(duì)隧道下穿鐵路專運(yùn)線未采取加固措施和采取加固措施兩種情況的模擬計(jì)算分析,可以得出如下結(jié)論:

1)對(duì)鐵路專運(yùn)線未采取任何保護(hù)措施情況下,隧道開挖引起上方鐵路專運(yùn)線的前后軌頂沉降差較大,影響鐵路運(yùn)行安全,必須采取相應(yīng)保護(hù)措施保證鐵路運(yùn)行安全;

2)采用現(xiàn)有設(shè)計(jì)保護(hù)措施后,隧道開挖引起上方鐵路專運(yùn)線的前后軌頂沉降差滿足不大于4mm的要求,左右軌頂沉降差滿足不大于3mm的要求,該方案是可行的。

雖然目前采取的鐵路專運(yùn)線保護(hù)設(shè)計(jì)措施可行,但因現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件復(fù)雜、施工情況多變,因此在具體施作時(shí)必須加強(qiáng)施工質(zhì)量的管理和監(jiān)控量測(cè)工作,并做好應(yīng)急預(yù)案。

[1]吳波,高波.地鐵區(qū)間隧道施工對(duì)近鄰管線影響的三維數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(增1):2 451 -2 457.

[2]黃俊,張頂立.地鐵重疊隧道上覆地層變形的數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(12):2 176-2 182.

[3]FLAC3D(FastLagrangianAnalysisofContinuain 3Dimensions),Version2.0,User’sManual[S].USA:Itasca Consuliting Group Inc.,1997.

[4]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.9

[5]劉維寧,張彌,鄺明.城市地下工程環(huán)境影響的控制理論及其應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào),1997,30(5):66-75.

[6]李德武.隧道[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004

[7]吉小明,張選兵,白世偉.淺埋暗挖地鐵隧道開挖過(guò)程的模擬研究巖土力學(xué)2002.12(6)828-830.

[8]龐繼高.建筑物下大斷面隧道施工方案及開挖模擬分析.學(xué)術(shù)專論(3)45-48.

[9]陳軍,劉波,陶龍光.暗挖地鐵車站引起地表沉降擬合分析與Peck法比較研究巖土工程技術(shù)2005.2(1)1-4.

Wearing Dark Tunnel under Railway Transportation Line Designed Settlement

WANGMing-xiao

(Mass Transit Railway Co.,Ltd.,Xi’an,710018,China)

The hidden excavation tunnel of the BanPo passageway underpasses the FangZhi City railway special traffic line.It is designed to reinforce the line by pile foundation.According to the numerical calculation and analysis using FLAC3Dfor the settlement of the railway special traffic line between with and without the strengthening measure, influenced by the construction of underpass hidden excavation tunnel,this article discusses the necessity of the strengtheningmeasure.

Numerical Calculation,Hidden Excavation Tunnel,Railway Special Traffic Line,Strengthening

O175.29

A

1008-2395(2010)06-0068-04

2010-04-07