基于路基加固條件下隧道下穿火車站路基沉降分析

鄭明新，高其澤，歐陽(yáng)林，袁 釬，劉家樺（.華東交通大學(xué)巖土木建筑學(xué)院，江西　南昌33003；.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川　成都60053）

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基于路基加固條件下隧道下穿火車站路基沉降分析

鄭明新1，高其澤1，歐陽(yáng)林2，袁 釬1，劉家樺1
（1.華東交通大學(xué)巖土木建筑學(xué)院，江西南昌330013；2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610053）

摘要：以福州地鐵1號(hào)線的上行線下穿福州火車站工程為背景，將現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究在旋噴樁加固和袖閥管注漿加固條件下鐵路路基沉降變形規(guī)律。研究表明：盾構(gòu)對(duì)鐵路路基縱向影響范圍為盾構(gòu)刀盤前方10～20 m和刀盤后方40 m，橫向影響范圍為線路中心兩側(cè)20 m范圍內(nèi)；袖閥管注漿區(qū)域無(wú)論是在盾構(gòu)施工過(guò)程中還是在施工結(jié)束后累計(jì)沉降變形均比旋噴樁加固區(qū)域小，袖閥管注漿加固效果更好；2種加固方式下鐵路路基在盾構(gòu)刀盤離開(kāi)斷面8 d后沉降變形均趨于穩(wěn)定，路基沉降變形的最終穩(wěn)定與盾構(gòu)機(jī)離開(kāi)斷面的時(shí)間關(guān)系密切；數(shù)值計(jì)算表明，相對(duì)未加固而言，2種加固方式都能減小路基沉降，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，可通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)下行線施工開(kāi)展路基沉降預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；路基沉降；旋噴樁；袖閥管注漿；數(shù)值模擬

隨著城市的不斷發(fā)展，交通擁堵日益嚴(yán)重，地下空間的開(kāi)發(fā)利用日益得到重視，城市地鐵建設(shè)得到了大力發(fā)展。地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路工程項(xiàng)目日益增多，盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路工程屬于高風(fēng)險(xiǎn)工程，軌道變形屬特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源[1]；因此在盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線過(guò)程中，對(duì)鐵路路基變形控制十分重要[2]。對(duì)既有鐵路線路基沉降控制的主要措施有：盾構(gòu)施工前進(jìn)行路基預(yù)加固和施工過(guò)程中2次注漿等方式[3]。目前在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中引起路基沉降變形這方面的研究已取得了一定的成果，路基沉降預(yù)測(cè)有經(jīng)驗(yàn)公式法[4～6]、數(shù)值模擬法[7～8]和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法[9]等。已有工程案例和研究成果顯示盾構(gòu)隧道所處位置埋深、水文地質(zhì)條件、盾構(gòu)施工土倉(cāng)壓力、注漿等均是影響路基沉降的主要因素[10-11]。當(dāng)工程處于復(fù)雜地質(zhì)條件和經(jīng)預(yù)加固處理的工況下，僅僅依靠理論計(jì)算往往出現(xiàn)較大偏差，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比能更好地反應(yīng)路基沉降變形規(guī)律。

以福州地鐵1號(hào)線下穿福州火車站鐵路項(xiàng)目為研究背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)路基沉降變形，分析基于不同鐵路路基加固方式下盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中引起路基在時(shí)間、空間上的沉降變形規(guī)律，通過(guò)比較分析不同加固方式的加固效果。

1 工程概況

本工程位于福州地鐵1號(hào)線羅漢山站-福州火車站站區(qū)間；盾構(gòu)隧道埋深為18.92～11.76 m；線間距為11.00～16.93 m；區(qū)間線路盾構(gòu)隧道下穿火車站西端，共有15條鐵路線，見(jiàn)圖1。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，第1～5軌道地層主要以雜填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土和殘積砂質(zhì)粘性土為主，第6～ 14以及牽出線地層主要為雜填土、淤泥質(zhì)土，殘積礫（粉）質(zhì)粘土，在盾構(gòu)開(kāi)挖面分布少量砂土和中等風(fēng)化花崗巖。在盾構(gòu)開(kāi)挖之前，對(duì)鐵路路基進(jìn)行高壓旋噴樁和袖閥管劈裂注漿加固。第1，4，6，8，11以及牽出線鐵路路基采用旋噴樁方式進(jìn)行加固，旋噴樁有效直徑80 cm，樁間距65 cm，樁長(zhǎng)6～10 m，呈四邊形布置。第1～5股道鐵路路基采用袖閥管劈裂注漿，注漿鉆孔開(kāi)孔直徑為98 mm，間距3.0 m，交錯(cuò)布置，注漿半徑2.0 m，注漿范圍為盾構(gòu)斷面底面至頂面6 m范圍。地層剖面見(jiàn)圖1。

圖1 路基加固區(qū)域地層剖面圖Fig.1 Roadbed strengthening regional geological section

2 路基沉降規(guī)律分析

現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置主要包括：地表沉降及站臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)、接觸網(wǎng)柱基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)及建構(gòu)筑物沉降觀測(cè)。測(cè)點(diǎn)橫向從隧道中心線向兩側(cè)每5 m布置一個(gè)，布置范圍為隧道中心線兩側(cè)20 m。本文主要研究下行線盾構(gòu)隧道引起的鐵路路基沉降變形，選取高壓旋噴樁加固區(qū)域D7，D8典型斷面和以袖閥管注漿加固為主的區(qū)域D2，D4典型斷面進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2所示。

2.1 縱向路基沉降分析

2.1.1 盾構(gòu)中心位置沉降與刀盤所處位置和時(shí)間關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工進(jìn)度，匯總分析盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中時(shí)間、刀盤所處位置和現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制盾構(gòu)中心線位置沉降變形S-t-L關(guān)系圖?？v向路基沉降監(jiān)測(cè)范圍為盾構(gòu)刀盤前方20 m和盾構(gòu)刀盤后方30 m直至沉降趨于穩(wěn)定（沉降變形小于±0.3 mm·d-1）為止。

2.1.2 沉降時(shí)空對(duì)比分析

通過(guò)圖2中D2，D4，D7和D8斷面可以看出：

1）盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)刀盤前方10 m土體有較明顯影響，盾構(gòu)刀盤穿越斷面之前，在旋噴樁加固區(qū)域平均累計(jì)沉降量為1.73 mm，占總沉降量的19%～26%。袖閥管注漿加固為主區(qū)域，平均累計(jì)沉降量為1.24 mm，占總沉降量的比例為13%～19%，盾構(gòu)前方路基沉降主要由盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程地下水排除以及土倉(cāng)壓力等引起土體擾動(dòng)，通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得出，在盾構(gòu)刀盤穿越斷面之前，袖閥管注漿加固為主的區(qū)域的累計(jì)沉降量和占總沉降量的比例都較小。

圖2 各斷面隧道中心位置沉降與刀盤位置和時(shí)間關(guān)系Fig.2 Settlement of monitoring point of D2-13、D4-10、D7-9、D8-8 when the cutter are in different location and time

2）盾構(gòu)刀盤后方40 m范圍內(nèi)路基沉降速率較快，累計(jì)沉降量大，旋噴樁加固區(qū)域此階段沉降量為6.02 mm，占總沉降量的72%～93%。袖閥管注漿加固區(qū)域此階段沉降量為4.01 mm，占總沉降量的72%～ 81%。此階段是路基沉降的主要階段，路基沉降原因主要是盾構(gòu)超挖、地下水位下降、注漿壓力不足等，該階段是沉降變形監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。盾構(gòu)刀盤離開(kāi)斷面40 m后各斷面還有較小的沉降變形。

3）構(gòu)機(jī)在離開(kāi)斷面8 d后路基沉降趨于穩(wěn)定。對(duì)應(yīng)的位置分別為盾構(gòu)機(jī)離開(kāi)斷面45，47，96 m和80 m。由此可以看出，路基沉降變形的最終穩(wěn)定與盾構(gòu)機(jī)離開(kāi)斷面的時(shí)間有較直接關(guān)系。

4）盾構(gòu)刀盤距斷面0～10 m為盾構(gòu)機(jī)盾尾脫出階段，此階段沉降變化速率快，引起沉降的主要原因?yàn)榇嬖? cm的盾尾間隙。由圖中數(shù)據(jù)可以計(jì)算出D2，D4，D7，D8盾構(gòu)推進(jìn)平均速度分別為5，6.6，15，4.5 m·d-1，沉降量分別增加1.61，1.29，1.09，2.01 mm。由此得出，盾構(gòu)機(jī)以較快速度通過(guò)斷面時(shí)對(duì)路基沉降影響減小。

2.2 橫向路基沉降分析

運(yùn)用MIDAS/GTS有限元分析軟件建模，以探討盾構(gòu)單線隧道開(kāi)挖情況下鐵路路基沉降變形規(guī)律。模擬方案分為未加固、袖閥管注漿加固和旋噴樁加固3種工況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和相關(guān)勘探資料，各土層及土體物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)取值Table.1 The parameter of numerical simulation

模型尺寸為83 m×36 m，盾構(gòu)埋深為13 m，巖土采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)，盾構(gòu)管片及注漿采用彈性模型，數(shù)值計(jì)算模型兩側(cè)采用X方向約束，底部采用X-Y方向約束，上部無(wú)約束。

假定土層均為等厚層；旋噴樁復(fù)合地基加固區(qū)增強(qiáng)體視作一個(gè)整體，加強(qiáng)區(qū)土體復(fù)合模量按Esp=mEp+ (1-m)Es計(jì)算，其中Esp為復(fù)合土層的壓縮模量，m為樁體面積置換率，Ep為樁的壓縮模量，Es為樁間土的壓縮模量，m取20%；不考慮地下水位的影響，不考慮盾構(gòu)掘進(jìn)后地層的次固結(jié)沉降；以路基所在位置的地表沉降作為路基沉降量。

選取典型斷面進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，由于D2和D4斷面，D7和D8斷面位置接近，工程地質(zhì)條件相似，本文以袖閥管注漿區(qū)域模擬結(jié)果近似表示D2與D4斷面沉降變形量，旋噴樁加固區(qū)域模擬結(jié)果近似表示D7 和D8斷面沉降變形量。具體數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)值模擬隧道貫通后路基沉降變形結(jié)果Fig.3 Numerical simulation settlement value after the tunnel through the embankment

由不同工況下數(shù)值模擬計(jì)算云圖可以得到，沉降量以盾構(gòu)中心線上方，在兩側(cè)呈對(duì)稱趨勢(shì)。未加固、袖閥管注漿和旋噴樁加固時(shí)的最大沉降量分別為8.91，6.83 mm和8.22 mm。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出在未加固情況下沉降量大，其中袖閥管注漿加固效果更理想，這是由于袖閥管注漿加固形成的注漿帷幕能增加路基整體的強(qiáng)度，而旋噴樁加固的效果主要體現(xiàn)在隔水的作用，減少施工過(guò)程中因地下水位變化過(guò)大而引起路基的沉降。

總結(jié)以上4個(gè)典型橫斷面現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出盾構(gòu)穿越斷面之前、穿越斷面之后（盾構(gòu)脫尾）及路基橫斷面最終沉降曲線，并將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4。

圖4 各斷面不同情況下路基變形曲線圖Fig.4 Settlement curves of D2，D4，D7 and D8

通過(guò)以上典型斷面沉降對(duì)比曲線圖可以看出：

1）盾構(gòu)隧道施工對(duì)隧道中心線兩側(cè)10 m范圍路基橫向沉降影響較大，超過(guò)最大沉降量的50%，中心線兩側(cè)15 m范圍沉降超過(guò)總沉降量的30%。袖閥管注漿區(qū)域的D2，D4斷面最大沉降量為7.41 mm；旋噴樁加固區(qū)域的D7，D8斷面最大沉降量為9 mm，旋噴樁加固區(qū)域最大沉降量偏大，這與數(shù)值模擬結(jié)果的6.83 mm和8.22 mm相差不大，造成這種差異主要是數(shù)值模擬考慮均勻的土層厚度，未考慮地下水和土層的次固結(jié)等原因。

2）數(shù)值模擬所得路基沉降規(guī)律和實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，可以說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果可靠。通過(guò)加固和未加固的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以得到，袖閥管加固情況和旋噴樁加固分別可以減少23.3%和7.7%的路基沉降，由此可以得出2種加固方式都能減小路基的沉降，其中袖閥管加固效果更好。

3）基于2種不同的加固條件下，盾構(gòu)施工對(duì)刀盤前部鐵路路基橫向沉降影響結(jié)果相似，沉降量小于2 mm；盾構(gòu)脫尾階段注漿加固區(qū)域最大沉降量為2.56 mm，旋噴樁加固區(qū)域最大沉降量4.31 mm；而盾構(gòu)脫尾之后兩者沉降分別增加了4.92 mm和6.27 mm。由此可以看出，在盾構(gòu)脫尾前后，袖閥管注漿加固區(qū)域沉降量都偏小。

3 主要結(jié)論

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)施工下穿福州火車站項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比分析，探討了基于不同鐵路路基加固方式下盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中路基沉降在時(shí)間、空間上的沉降變形規(guī)律，得到主要結(jié)論：

1）通常盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)刀盤前方10 m路基沉降有顯著影響，刀盤后方40 m范圍內(nèi)路基沉降較大，特別是10 m范圍內(nèi)盾構(gòu)脫尾階段路基沉降變化速率快；在橫向上（鐵路方向），沿隧道中心兩側(cè)10 m范圍內(nèi)的路基沉降明顯，最大沉降位置在盾構(gòu)中心線上方。

2）路基沉降變形的最終穩(wěn)定與盾構(gòu)離開(kāi)斷面位置的時(shí)間有直接關(guān)系，通常盾構(gòu)機(jī)勻速、較快速通過(guò)有利于減小對(duì)鐵路路基沉降的影響。

3）使用袖閥管注漿和旋噴樁對(duì)路基的加固效果主要體現(xiàn)在盾構(gòu)脫尾階段和最終沉降數(shù)值。數(shù)值計(jì)算表明，袖閥管加固情況和旋噴樁加固均能減少路基沉降，其中袖閥管注漿加固方案更為有效。

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（責(zé)任編輯 劉棉玲）

Analysis on Roadbed Settlement of Tunnel-under Crossing Railway Station under the Condition of Roadbed Reinforcement

Zheng Mingxin1，Gao Qize1，Ou Yanglin2，Yuan Qian1，Liu Jiahua1
（1.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China；2.Southwest China Construction Survey and Design Institute Corporation Limited ,Chengdu 610053,China）

Abstract：This study presents the law of roadbed settlement and deformation in railway construction in the case of Fuzhou Metro Line 1 traversing Fuzhou Railway Station. The comparison of on-site monitoring data and numerical stimulation data was made in the study to analyze the settlement and deformation law under the condition of the jet grouting pile and the sleeve valve tube grouting reinforcement.The analysis indicates that longitudinal effect of shield on roadbed ranging from 10 m to 20 m in the front of the cutter head and 40 m behind the cutter head; and the horizontal effect range is 20 m from central line on both sides. The plastic valve pipe grouting area of plastic valve pipe grouting is comparatively smaller than jet grouting area whether in the process of shield tunnel construction or after the construction, thus the construction effect of plastic valve pipe grouting is better. For two reinforcements, the railway roadbed tends to be stable after 8 days when the shield cutter head left the cross section, and the stability and the settlement of the roadbed are directly related to the time of settlement deformation; Numerical stimulation shows that the embankment settlement could be reduced by both of reinforcements, and numerical stimulation statistics is in conformity with measured data and the sleeve valve tube grouting reinforcement effect is better.

Key words：shied tunnel；roadbed settlement；jet grouting piles；plastic valve pipe grouting；numerical stimulation

中圖分類號(hào)：U455；TU941

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-0523（2016）03-0087-07

收稿日期：2015－11－30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51568022）；江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜?jì)劃項(xiàng)目（KJLD13036）

作者簡(jiǎn)介：鄭明新（1966—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槁坊c邊坡工程。