武漢地鐵盾構(gòu)下穿京廣鐵路變形影響分析

溫裕春

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工程實踐

武漢地鐵盾構(gòu)下穿京廣鐵路變形影響分析

溫裕春

以武漢地鐵3號線隧道盾構(gòu)下穿京廣鐵路為背景，通過數(shù)值模擬分析了土體加固前后鐵路的沉降變形規(guī)律，同時與實測值進(jìn)行了對比分析。研究表明，通過數(shù)值模擬計算得出的地表沉降變形規(guī)律與實測情況基本一致，在一定區(qū)域內(nèi)采取袖閥管注漿加固能夠有效降低盾構(gòu)施工對鐵路變形的影響。

盾構(gòu)下穿既有鐵路；注漿加固；鐵路沉降；數(shù)值模擬

武漢現(xiàn)有 10 條地鐵線在建，其中有多條地鐵線穿越既有鐵路及建筑物，為了保證鐵路運營的安全，研究及控制盾構(gòu)施工對鐵路變形的影響尤為重要。文獻(xiàn)[1～4]提出了盾構(gòu)下穿會引起土體產(chǎn)生變形或開裂，同時會對鐵路及周邊建筑物造成不同程度的沉降及傾斜；文獻(xiàn)[5]結(jié)合實測分析，提出采取旋噴樁加固可有效減少盾構(gòu)施工對鐵路路基的沉降影響；文獻(xiàn)[6]通過數(shù)值建模分析，研究了盾構(gòu)施工期間不同列車荷載對鐵路變形的影響情況，提出采取列車限速的安全措施；文獻(xiàn)[7]結(jié)合實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析，研究了天津軟土地區(qū)盾構(gòu)穿越對地表及周邊建筑物的影響規(guī)律，并通過敏感性分析得出土層損失是影響地表沉降的關(guān)鍵因素。

武漢地鐵 3 號線穿越的京廣鐵路為國家 2 級鐵路，設(shè)計時速為 200 km/h，3 號線隧道穿越土層為粉砂互層，其抗剪強度較低，易發(fā)生滲透破壞。為了保證盾構(gòu)施工期間京廣鐵路運營的安全，本文采用有限元軟件PLAXIS 分析了土體加固前后的鐵路變形規(guī)律，與鐵路變形實測值進(jìn)行對比，并依此提出合理的加固措施方案，為相關(guān)工程提供借鑒和參考。

1　工程概況

本盾構(gòu)區(qū)段始發(fā)于武漢興業(yè)路站，出站后穿越密集的淌湖村居民區(qū)，然后以 90°夾角下穿京廣線上下行，最后到達(dá)二七路站。盾構(gòu)區(qū)段穿越的京廣鐵路上下行 2 股道均為路基有碴道床，起止里程為右DK23+479.502～右 DK24+583.500，盾構(gòu)隧道埋深為 19 m，左右隧道中心線間距為 14 m，盾構(gòu)外徑為 6 m，內(nèi)徑為 5.4 m，管片厚度為 0.3 m（圖 1）。

本盾構(gòu)區(qū)段位于長江Ⅰ級階地，隧道上部土層情況從上到下依次為雜填土、粉砂、粉砂互層、粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、卵石層。地下水主要為上層滯水和層間承壓水 2 種類型，上層滯水主要賦存于人工填土層及全新統(tǒng)新近堆積層中，含水與透水性不一，地下水位不連續(xù)，無統(tǒng)一的自由水面，水位埋深約為 3 m；承壓水為本區(qū)主要地下水，主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積粉細(xì)砂、含礫中粗砂和粉質(zhì)黏土、粉土與粉砂互層中，含水層上部為微弱透水的黏性土層，底板為滯留系泥巖，局部為砂巖，承壓水頭標(biāo)高為 23.06～25.54 m。

2　盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型建立

根據(jù)圣唯南原理，鐵路沿線上的受力可近似看成是平面上的應(yīng)變分析，一般取盾構(gòu)隧道直徑的 2～5 倍范圍進(jìn)行建模。本工程隧道中心埋深為 19 m，隧道中心間距為 14 m，因此，模型深度取 41 m，寬度取 68 m，土體采用塑形摩爾庫侖屬性進(jìn)行模擬，邊界采用標(biāo)準(zhǔn)約束，數(shù)值模型如圖 2 所示。

溫裕春：武漢地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)事業(yè)部，副總經(jīng)理，高級工程師，湖北武漢 430030

圖1　隧道與京廣鐵路平縱斷面圖

圖2　盾構(gòu)隧道數(shù)值模型

2.2 計算參數(shù)的選定

為了滿足計算需求，結(jié)合地質(zhì)資料，在盾構(gòu)影響范圍內(nèi)選取了 6 類土體進(jìn)行整合，如表 1 所示。計算中，假定注漿材料能夠及時填充盾構(gòu)施工產(chǎn)生的盾尾空隙，因此，將空隙層厚度忽略不計，而管片和注漿層均用彈性材料來計算，具體參數(shù)如表 2 所示。

表1　土質(zhì)參數(shù)表

表2　支護(hù)參數(shù)表

2.3計算步驟及工況

首先計算出模型的初始水壓平衡應(yīng)力狀態(tài)，然后將左線隧道內(nèi)的土體“凍結(jié)”，設(shè)置成干類組，“激活”管片和注漿層并進(jìn)行計算，再對右線隧道進(jìn)行重復(fù)操作得出各個階段的變形結(jié)果。計算工況分為土體加固前和加固后 2 種情況，通過計算得出地表的沉降及水平位移變化差值及規(guī)律。

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1加固前模擬結(jié)果分析

（1）圖 3 和圖 4 為未采取加固措施的情況下，左線盾構(gòu)施工完成后形成的地層沉降位移云圖和地層水平位移云圖。從圖 3 可以看出，左線隧道拱頂?shù)某两抵禐?16.4 mm，最大地表沉降點的位置在左線隧道正上方，沉降值為 8.2 mm，右線隧道拱頂?shù)某两抵禐?4.3 mm，右線隧道右上方地表由于受到水平位移影響略微隆起，隆起值為 1.2 mm，整體沉降影響寬度范圍約為 32 m。從圖 4 可知，左線隧道正上方的地表水平位移值為 2.4 mm，右線隧道正上方的地表水平位移值為－1.8 mm，整體水平位移基本呈現(xiàn)左邊為正右邊為負(fù)的情況，影響寬度范圍約為 29 m，且分界點鄰近左線隧道正上方。

圖3　加固前左線貫通地層沉降位移云圖

圖4　加固前左線貫通地層水平位移云圖（單位：mm）

圖5　加固前雙線貫通地層沉降位移云圖（單位：mm）

圖6　加固前雙線貫通地層水平位移云圖（單位：mm）

（2）圖 5 和圖 6 為雙線隧道施工完成后形成的地層沉降位移云圖和地層水平位移云圖。從圖 5 可看出，地表的沉降影響寬度范圍增加到了 44 m，地表最大沉降點的位置也移到了兩隧道中間線的正上方，其值為 15.3 mm，其中左線隧道正上方地表的沉降值變?yōu)?1.8 mm，增加了 3.6 mm，左線隧道拱頂?shù)某两抵祫t增加到了18.3 mm；而右線隧道正上方地表的沉降值與左線接近，沉降值為 11.5 mm，右線隧道拱頂?shù)某两抵祫t增加到了 17.6 mm。從圖 6 可知，地表水平位移的分界點移到了兩隧道中間線的正上方附近，且水平位移的影響范圍增加到了 40 m，其中左線隧道正上方的地表水平位移值變?yōu)?6.3 mm，右線隧道正上方的地表水平位移值變?yōu)椋?.4 mm。

（3）圖 7 為左線施工完成后及雙線貫通后的地表沉降槽變化曲線。從圖 7 可知，計算出的沉降槽曲線形態(tài)基本符合 PECK 沉降理論，其中最大沉降值為 18.3 mm，由規(guī)范可知，鐵路的沉降報警值為 20 mm，雖然并未超過警戒值，但是考慮到列車的動荷載及其他施工參數(shù)變化的影響，有必要采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧┍ＷC鐵路運營安全。

3.2 加固及加固后模擬結(jié)果分析

3.2.1土體加固

由于鐵路周圍有很多構(gòu)筑物和橋涵，因此，不便利用旋噴技術(shù)進(jìn)行加固。綜合考慮各方面因素，提出采用閥袖管進(jìn)行注漿加固，其最大優(yōu)點是能重復(fù)進(jìn)行注漿，且注漿速度易受控制。通過采用地質(zhì)鉆機(jī)對處于盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的部分鐵路區(qū)域進(jìn)行鉆孔并埋設(shè)袖閥管便可進(jìn)行注漿，注漿時壓力控制在 0.3 MPa 左右，進(jìn)行加固的寬度為隧道外 6 m，長度為鐵路外 6 m，加固深度至盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂部。圖 8 為加固的平面及縱斷面示意圖。

3.2.2加固后模擬結(jié)果分析

圖 9 和圖 10 分別為對土體進(jìn)行加固措施后，雙線隧道施工完成后形成的地層沉降位移云圖和地層水平位移云圖。從圖 9 可看出，地表的最大沉降值為 7.8 mm，比未采取加固措施時減少了 7.5 mm，其中左線隧道和右線隧道正上方的地表沉降值分別為 5.6 mm 和 5.3 mm，均比未加固時減少了 6 mm 左右，2 隧道拱頂?shù)某两抵捣謩e為 12.7 mm和 12.4 mm，也降低了 30% 左右。從圖 10 可看出，水平位移的影響寬度范圍為 35 m，縮小了 10% 左右，左線隧道正上方的地表水平位移值為 4.8 mm，右線隧道正上方的地表水平位移值為 -5.1 mm。說明通過袖閥管進(jìn)行注漿加固能夠有效減少盾構(gòu)施工對地表變形的影響。

圖7　加固前地表沉降槽變化曲線

圖8　加固區(qū)域平縱斷面圖

4　實地監(jiān)測

4.1監(jiān)測布點

監(jiān)測布點的方式是在 2 條隧道中間位置，以及盾構(gòu)隧道左、右線中心線正上方，盾構(gòu)隧道邊緣左、右線外側(cè) 5、10、15、25 m 的對應(yīng)鐵路軌道上各布置 1 個觀測點，分別以 I0 和 J0 為中心點向兩邊依次命名，形成 2 條沿隧道橫向的測線 I、J，如圖 11 所示。觀測點由可轉(zhuǎn)動的棱鏡和鐵片組成，如圖 12 所示。同時，在附近尋找一個不在盾構(gòu)影響范圍的區(qū)域內(nèi)搭建一個高 2.8 m、長寬為 0.6 m的觀測墩，搭上防雨棚后再架設(shè)儀器，如圖 13 所示，監(jiān)測儀器選用的是 SOKKIA-NET05 全自動全站儀。

4.2監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬對比

圖14 為地表沉降實測曲線與數(shù)值模擬曲線對比圖。由圖 14 可知，地表沉降實測曲線與數(shù)值模擬曲線形態(tài)相近，地表最大沉降實測值比數(shù)值模擬值要略微大些，其最大差值約為 1 mm，說明通過袖閥管注漿加固能夠有效控制地表沉降量，保證鐵路運營的安全。

5　結(jié)論

（1）隧道施工引起的土層損失會對地表產(chǎn)生較大的沉降及位移，且沉降變形形態(tài)基本符合 PECK 理論曲線。

（2）通過有限元模擬，選取了土體加固和不加固2 種工況進(jìn)行計算，分析得出了進(jìn)行注漿加固能夠有效降低地表及隧道拱頂?shù)某两盗浚瑫r也能減小地表沉降及水平位移的影響寬度范圍。

（3）將采取加固措施后的實測值與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，實測的最大地表沉降量比數(shù)值模擬的略大，但最終沉降變化形態(tài)均相似，且沉降值滿足鐵路沉降警戒值要求，說明對土體進(jìn)行加固能夠減小盾構(gòu)施工對地表沉降變形的影響，可保證鐵路的運營安全。

圖9　加固后雙線貫通地層沉降位移云圖（單位：mm）

圖10　加固后雙線貫通地層水平位移云圖（單位：mm）

圖11　監(jiān)測點平面布置圖

圖12　觀測點示意圖

圖13　觀測墩示意圖

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圖14　鐵路沉降監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比曲線

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Analysis of Infl uence of Deformation by Wuhan Metro
Shield under Passing Beijing-Guangzhou Railway

Wen Yuchun

Taking the shield tunnel under passing Beijing-Guangzhou railway line by the Wuhan metro line 3 as an example, through numerical simulation and analysis of the soil before and after reinforcement as well as the railway line settlement deformation patterns, the paper compares and analyzes the measured values. The research shows that the surface settlement deformation patterns worked out through numerical simulation calculation are basically the same as the fi eld test. In a certain region, sleeve valve pipe grouting strengthening work can effectively reduce the railway deformation effects caused by shield construction.

shield tunneling under passing existing railway line, grouting reinforcement, railway settlement, numerical simulation

449.82

2015-09-23責(zé)任編輯 朱開明