淤泥地層中地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形特性研究

尚玉厚，伊雪龍（河南益科巖士工程有限公司，河南信陽464000）

淤泥地層中地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形特性研究

尚玉厚，伊雪龍
（河南益科巖士工程有限公司，河南信陽464000）

廣州市正在運(yùn)營的地鐵2號線、5號線、6號線、8號線等廣泛存在著淤泥土層這種不良地質(zhì)?；诖?，論文以廣州市地鐵8號線北延段小坪站及附近區(qū)間為研究背景，結(jié)合場地的地質(zhì)勘查資料，有針對性地對淤泥地層中地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形特性進(jìn)行研究，分析淤泥作用下隧道結(jié)構(gòu)襯砌管片的變形、附加應(yīng)力和彎矩的變化情況，并在此基礎(chǔ)上采用大型通用三維有限元分析軟件Midas-GTS為研究手段進(jìn)行全方位的分析，提出了有關(guān)淤泥土的處理措施，并得出一些初步結(jié)論。

淤泥質(zhì)土；襯砌管片；有限元分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.131

1 工程概況

1.1 工程介紹

廣州地鐵8號線北延段項(xiàng)目（文化公園站—白云湖站），線路長約16.3km，均為地下線路。共設(shè)13座區(qū)間，廣州地鐵8號線北延段承擔(dān)了8號線“L”形走向北段線路功能。線路經(jīng)過廣州市荔灣區(qū)、越秀區(qū)和白云區(qū)，主要連接荔灣區(qū)的西村和彩虹橋生活區(qū)，白云區(qū)的白云湖和同德圍，串接荔灣、白云兩大組團(tuán)。北延線從北部的白云湖站，經(jīng)亭崗站、石井站、小坪站、平沙站、聚龍站、上步站、同德圍站、鵝掌坦站、西村站、彩虹橋站、陳家祠站、華林寺站到文化公園站繼接現(xiàn)有8號線。其中，換乘站4座，分別為陳家祠站（與1號線換乘）、彩虹橋站（與11、13號線換乘）、西村站（與5號線換乘）、聚龍站（與12號線換乘）；平均站間距1.24km，最大站間距2.00km（小坪站至石井站區(qū)間），最小站間距0.76km（華林寺站至陳家祠站區(qū)間）。在亭崗站西側(cè)新建車輛段1座（原8號線赤沙車輛段調(diào)整為規(guī)劃11號線使用）。在彩虹橋站附近新建主變電站1處。地下線路采用盾構(gòu)法施工，局部區(qū)段采用明挖法或礦山法，車站則采用明挖法施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

廣州市地鐵8號線北延段沿線屬于珠江三角洲沖洪積平原地貌。其穿越的地層有新生界第四系地層、古生界二疊系、石炭系地層沿線的地層。第四系包括全新統(tǒng)（Q4）和全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)（Q3+4），其下缺失中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)，由全新統(tǒng)人工填土（Q4ml），全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)（Q3+4al+pl）沖積-洪積砂層、土層以及第四系的殘積土層（Qel）組成；二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）為中厚層狀-薄層狀炭質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖及燧石條帶狀巖性；石炭系中上統(tǒng)壺天群（C2+3ht）為石炭系中分布最廣的地層，巖溶發(fā)育。巖性：淺灰白色至肉紅色，厚層狀，微晶質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，偶見有燧石條帶。

廣州地鐵8號線北延段小坪站附近軟土層為河湖相淤泥（4-2A）和淤泥質(zhì)土（4-2月）和灰?guī)r軟-流塑狀殘積土，軟土力學(xué)性質(zhì)很不穩(wěn)定，極易被擾動。軟土屬高壓縮性土，當(dāng)?shù)叵滤幌陆祷蛲獠亢奢d發(fā)生變化時，淤泥土發(fā)生排水固結(jié)現(xiàn)象。根據(jù)廣州市地鐵8號線北延段各車站及區(qū)間詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報告，小坪站附近的淤泥層較厚，最厚處達(dá)到11.5m，隧道結(jié)構(gòu)全部處于淤泥土中，且隧道結(jié)構(gòu)下部還存在一定厚度的淤泥層，最厚為3m。淤泥土的排水固結(jié)作用使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，其中，不均勻沉降對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性影響重大。本文以隧道結(jié)構(gòu)下部存在3m厚的淤泥層這種最不利情況為例，研究淤泥在排水固結(jié)作用下對于隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。

2 三維有限元數(shù)值模擬分析

本工程采用三維有限元軟件Midas-GTS建立模型。淤泥土的排水固結(jié)會對隧道結(jié)構(gòu)的變形和附加應(yīng)力產(chǎn)生影響，本節(jié)分別研究地下水位在地下10m處、隧道底部、基巖頂部、基巖下4m處時淤泥土排水固結(jié)對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形和附加應(yīng)力的影響情況。地鐵隧道結(jié)構(gòu)襯砌管片的最大水平位移為T1；最大豎向位移為T3；X方向的最大軸力為FX；Y方向的最大軸力FY；X方向的最大彎矩為MX；Y方向的最大彎矩為MY。當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r，由于淤泥土層的排水固結(jié)，地鐵隧道襯砌管片的水平位移T1隨著地下水位的下降而變大，當(dāng)?shù)叵滤晃挥诨鶐r下4m處時，水平位移T1最大，為-0.019mm，可見淤泥土固結(jié)對隧道結(jié)構(gòu)襯砌管片水平位移T1的影響很小；地鐵隧道襯砌管片的沉降位移T3隨著地下水位的下降而變大，其沉降位移T3在地下水位從隧道底部下降到基巖頂部時急劇增大，從-1.62mm增加至-5.57mm，這說明隧道下臥層淤泥土的排水固結(jié)對地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的沉降位移影響較大，使襯砌結(jié)構(gòu)整體向下沉降，在基巖下4m時，沉降位移值最大，為-5.76mm；地鐵隧道襯砌管片的軸力FX的絕對值隨著地下水位的下降而變大，當(dāng)FX在地下水位從隧道底部下降到基巖頂部時，從-391.74kN/m增加至-451.32kN/m，在基巖下4m時，F(xiàn)X的絕對值最大，為456.28kN/m；地鐵隧道襯砌管片的軸力FY的絕對值隨著地下水位的下降而變大，當(dāng)?shù)叵滤粡乃淼赖撞肯陆档交鶐r頂部時急劇增大，F(xiàn)Y從-390.14kN/m增加至-450.98kN/m，在基巖下4m時，F(xiàn)Y絕對值最大，為455.15kN/m；地鐵隧道襯砌管片的彎矩MX隨著地下水位的下降而變大，當(dāng)?shù)叵滤粡乃淼赖撞肯陆档交鶐r頂部時急劇增大，MX從46.35kN·m增加至49.86kN·m，在基巖下4m時，MX最大，為50.13kN·m；地鐵隧道襯砌管片的彎矩MY隨著地下水位的下降而變大，當(dāng)?shù)叵滤粡乃淼赖撞肯陆档交鶐r頂部時急劇增大，MY從48.42kN·m增加至52.88kN·m，在基巖下4m時，MY最大，為53.12kN·m[1]。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用三維有限元分析軟件Midas-GTS的固結(jié)模塊，通過地下水位的變化，分析淤泥固結(jié)變形對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。分析了地下水位在地下10m處、隧道底部、基巖頂部、基巖下4m時淤泥土排水固結(jié)對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形和附加應(yīng)力的影響情況。得出當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r，地鐵隧道結(jié)構(gòu)襯砌管片的水平位移T1，豎向位移T3，X，Y方向軸力FX、FY絕對值，X、Y方向彎矩MX、MY絕對值增大，并當(dāng)?shù)叵滤畯乃淼赖撞拷抵粱鶐r頂部時，其變化幅度較大。

【1】陳浩.關(guān)于地鐵施工問題的思考[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2016 (17):71-72.

Study on Deformation Characteristics of Subway Tunnel Structure in Silt Stratum

SHANG Yu-hou，YI Xue-long
(Henan Yike Geotechnical Engineering Co.Ltd.,Xinyang 464000,China)

Under operating in guangzhou metro line 2, line 5, line 6 and line 8, existing a bad geological condition with wide range of silt soillayer. Based on this, this paper takes the north extension section of Guangzhou metro line No. 8 and its near area as the research background,combining with geological exploration data in this field, researches on the silt stratum deformation characteristics of the metro tunnel structure ,analyses the deformation、additional stress and bending moment of tunnel lining segment under silt.Then comprehensive analyses taking thelarge general 3d finite element analysis soft ware Midas-GTS as the studying means, proposing the silt soil treatment measures, and carryout somepreliminary conclusions.

silt soil;lining segment;finite element analysis

U456

A

1007-9467（2016）12-0074-02

2016-10-31

尚玉厚（1963～），男，河南信陽人，工程師，從事巖土工程結(jié)構(gòu)研究。