富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿頂管箱涵數(shù)值分析研究

辛振省

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富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿頂管箱涵數(shù)值分析研究

辛振省

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

針對(duì)富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿營運(yùn)公鐵兩用頂管箱涵的工況，采用三維模擬計(jì)算分析、理論分析、經(jīng)驗(yàn)類比等方法進(jìn)行研究，提出對(duì)應(yīng)的加固方案和關(guān)鍵施工參數(shù)，經(jīng)過對(duì)施工過程的嚴(yán)密監(jiān)控佐證研究成果的有效性，通過以上研究得出，盾構(gòu)下穿敏感建構(gòu)筑物過程中適合工程實(shí)際的地層加固范圍的計(jì)算方法；用實(shí)踐證明了某些經(jīng)驗(yàn)的偏差；積累了關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)工程的設(shè)計(jì)施工提供了重要的參考。

盾構(gòu)下穿；頂管箱涵；地基加固；監(jiān)控量測(cè)

1 工程概況

某地鐵區(qū)間線路線間距14～15 m，隧道埋深約11.9～20.3 m。區(qū)間穿越京包鐵路里程：K20+940～K21+065，隧道埋深20.1 m。

區(qū)間穿越既有營運(yùn)鐵路與市政道路共用的預(yù)制頂管箱涵，箱涵分東西兩個(gè)頂管箱體，兩涵間距離為3.77 m。為鋼混結(jié)構(gòu)，預(yù)制頂管法施工，西側(cè)結(jié)構(gòu)外包尺寸為43.15 m×8.75 m×29.73 m，東側(cè)結(jié)構(gòu)外包尺寸為43.15 m×7.8 m×31.06 m。箱涵底板厚1.05 m，側(cè)墻厚1.05 m，頂板厚1.0 m。箱體的南北兩側(cè)局部（兩端及兩箱體接口）設(shè)置護(hù)坡樁，樁長為14 m，樁上設(shè)置了29 m長的錨索。箱涵兩端出入口為U形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，47.95 m×8.9（7.95）m×10 m，箱涵底板厚1.0 m，側(cè)墻為梯形厚3.2（2.86）～0.5 m。頂管箱涵為2003年建成，目前正常使用。營運(yùn)鐵路上面現(xiàn)有5條線路正常通行，車輛密度為42輛/天。

盾構(gòu)隧道上覆土厚度約11.9～20.3 m，隧道洞身主要穿越為粉質(zhì)粘土、中粗砂、圓礫卵石。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)斷面大部分為富水砂卵石地層，局部地段弱承壓。

2 三維數(shù)值計(jì)算分析

2.1 模型的建立

針對(duì)勘察報(bào)告所提供的地質(zhì)資料參數(shù)及盾構(gòu)隧道與箱涵的相對(duì)位置建立三維模型如圖1所示，箱涵高度為5.8 m，跨度為20 m，盾構(gòu)開挖直徑為6 m，隧道襯砌厚度為300 mm。根據(jù)圣維南原理，為了使得邊界約束條件不對(duì)開挖真實(shí)情況造成人為的影響，土層模型足夠大，兩側(cè)邊緣各距離隧道外邊緣的距離均大于3倍的開挖直徑，使得本仿真計(jì)算完全依照現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行。為了能詳細(xì)突出盾構(gòu)在開挖推進(jìn)的過程中，整個(gè)仿真模擬過程從距離箱涵外邊緣48 m處開始，兩隧道分布開挖，開挖推進(jìn)間距80 m，開挖及支護(hù)以8 m為一個(gè)循環(huán)，開挖的同時(shí)進(jìn)行支護(hù)，先開挖箱涵下面的隧道，后開挖箱涵側(cè)面的隧道，從而充分體現(xiàn)盾構(gòu)下穿箱涵的完成過程中圍巖土體的力學(xué)場(chǎng)變化及箱涵的變化情況，為施工加固提供充分的依據(jù)，保證施工安全，同時(shí)做到加固有的放矢，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全、高效的目的。模擬過程的地層分布完全按照勘察報(bào)告提供的地層分布于試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)，由于其對(duì)稱性，只對(duì)其一半進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)下穿箱涵剖面尺寸圖（單位：m）

圖2 盾構(gòu)下穿箱涵的三維仿真模型

2.2 數(shù)值計(jì)算分析

針對(duì)勘察報(bào)告所提供的地質(zhì)資料參數(shù)及盾構(gòu)隧道與箱涵的相對(duì)位置建立三維模型，箱涵高5.8 m，跨度為20 m，盾構(gòu)開挖直徑為6 m，隧道襯砌厚度為300 mm。由于兩隧道盾構(gòu)開挖在推進(jìn)方向存在80 m間距，因此下面將從盾構(gòu)未掘進(jìn)開始總共分階段進(jìn)行分析說明。依次為盾構(gòu)機(jī)1掘進(jìn)下穿頂管箱涵，盾構(gòu)機(jī)2掘進(jìn)下穿箱涵兩個(gè)階段進(jìn)行分析。

2.2.1 第一臺(tái)盾構(gòu)開挖至箱涵下方施工

盾構(gòu)在開挖至箱涵后，由于箱涵上方鐵路的載荷突然增加，箱涵處的地層應(yīng)力向盾構(gòu)開挖方向釋放，形成十分明顯的應(yīng)力釋放痕跡，同時(shí)，由于隧道的開挖，起到一個(gè)卸壓的作用，可以看作一個(gè)卸壓孔，因此鐵路載荷使得箱涵中間的支撐墻所受的應(yīng)力明顯加大，形成應(yīng)力集中，這是從數(shù)值計(jì)算得出的較為合理的規(guī)律，為后期加固施工提供了有力的依據(jù)。第二臺(tái)盾構(gòu)下穿箱涵過程中應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)分布情況如圖3所示。

盾構(gòu)在箱涵下方施工開挖時(shí)，位移范圍逐漸擴(kuò)大，盾構(gòu)隧道的頂部位移無論是范圍還是量值都明顯增大，且箱涵下方土體位移隨著盾構(gòu)開挖推進(jìn)相應(yīng)的沿縱向向前發(fā)展，從模擬數(shù)據(jù)看出盾構(gòu)正上方地表下沉9～13 mm。整個(gè)位移場(chǎng)的最大位移仍然發(fā)生在盾構(gòu)后方路面。

當(dāng)盾構(gòu)開挖至箱涵下方時(shí)，從模擬結(jié)果的破壞區(qū)分布與發(fā)展來看，塑性區(qū)與一般施工段相比差別很大，規(guī)律也十分明顯，破壞在隧道周邊的分布有所增大，尤其頂部范圍有明顯的增大，塑性區(qū)向著箱涵下方發(fā)展延伸，主要是由于箱涵下土層壓應(yīng)力明顯增大，應(yīng)力釋放明顯。從目前工況看，塑性區(qū)還沒有發(fā)展到箱涵下方地表。

2.2.2 第二臺(tái)盾構(gòu)開挖下穿箱涵施工

第二臺(tái)盾構(gòu)下穿箱涵過程中應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)分布情況如圖4所示。

圖4 第二臺(tái)盾構(gòu)下穿箱涵過程中應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)分布情況

從隧道2掘進(jìn)至箱涵下直至穿越箱涵整個(gè)過程的應(yīng)力云圖可以看出，隧道2穿越箱涵時(shí)，與隧道1穿越箱涵時(shí)的應(yīng)力比較，應(yīng)力明顯增加，主要是由于上面的鐵路載荷的影響所致，所以，再次進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。同時(shí)，箱涵中間的支撐墻應(yīng)力集中有明顯的減弱，這是由于隧道2的開挖使應(yīng)力進(jìn)一步釋放，從而將部分力轉(zhuǎn)移到隧道1與隧道2之間的土體中。此時(shí)，兩隧道中間的土體所受力將加大，在進(jìn)行支護(hù)時(shí)應(yīng)有意識(shí)地加強(qiáng)支護(hù)。

隧道2穿越箱涵時(shí)，與隧道1掘進(jìn)全過程及隧道2穿越箱涵前的位移比較，此時(shí)位移有明顯增加，主要還是由于鐵路載荷、公路載荷及土體重力影響所致，同時(shí)，最大位移的分布區(qū)域明顯增加，從剛開始最大位移發(fā)生在公路中間向隧道測(cè)延伸擴(kuò)大，而鐵路路基最大位移的區(qū)域也同樣在增加，從靠近盾構(gòu)測(cè)向遠(yuǎn)離盾構(gòu)測(cè)偏移。此時(shí)，應(yīng)做好監(jiān)測(cè)工作，不能有任何疏忽。從地表整體塑性區(qū)發(fā)展與分布圖來看，縱向箱涵底部塑性區(qū)發(fā)展亦是隨著隧道2盾構(gòu)推進(jìn)而相應(yīng)地向前發(fā)展，破壞區(qū)發(fā)展最為快速、劇烈，主要由于盾構(gòu)二次擾動(dòng)過后露出管片，超挖空隙暴露，給地層的應(yīng)力重分布及地層位移破壞創(chuàng)造了條件。

3 盾構(gòu)下穿施工預(yù)加固范圍計(jì)算及措施

3.1 盾構(gòu)下穿影響范圍確定

采用理論計(jì)算并結(jié)合盾構(gòu)下穿施工三維數(shù)值計(jì)算分析，預(yù)估盾構(gòu)下穿頂管箱涵的整個(gè)過程中可能發(fā)生破壞的區(qū)域。隧道施工影響范圍為開挖面沿著50°線向上延伸至地面，即可得到需要加固的范圍。該處盾構(gòu)預(yù)開挖隧道頂部埋深20.1 m，隧道凈距為8 m，隧道直徑6.0 m。

南北方向預(yù)加固范圍為：=14+（20.5+6.0+1.25）×tan50°×2=80.14 m，取81 m。

東西向影響范圍如下：=88.22+（20.5+6.0）tan50°×2=151.38 m，取152 m。

扣軌加固保護(hù)范圍示意圖如圖5所示。

3.2 加固措施-道床保護(hù)技術(shù)

在現(xiàn)有軌道的兩軌枕之間，進(jìn)一步加枕木，然后枕木和現(xiàn)有軌道要加墊塊，以保證軌道受壓力后，能夠及時(shí)均勻地把壓力傳遞到枕木上，枕木的長度以兩端超過原軌枕30 cm為準(zhǔn)。為了進(jìn)一步增強(qiáng)加固枕木的整體性并使道床均勻受力，沿軌道方向，兩側(cè)用剛度較大的扣軌法把枕木連起來，如圖6所示。

圖5 扣軌加固保護(hù)范圍示意圖（單位：m）

圖6 道床保護(hù)加固

3.3 加固措施——道床下深層地層加固

盾構(gòu)施工前，預(yù)計(jì)影響范圍內(nèi)的道床下地層采用袖閥式二重管進(jìn)行地層深層注漿加固，采用高壓力把漿液注（壓）入巖土層內(nèi)部，以提高地層的承載力和強(qiáng)度。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

盾構(gòu)下穿營運(yùn)鐵路頂管箱涵在本工程屬特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，穿越營運(yùn)鐵路的過程中加強(qiáng)盾構(gòu)推進(jìn)過程中的監(jiān)控測(cè)量，及時(shí)向設(shè)計(jì)、施工方反饋周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化信息，使之能迅速調(diào)整、優(yōu)化施工方法，確保工程和鐵路行車安全。主要監(jiān)測(cè)對(duì)象有穿越段盾構(gòu)區(qū)間以及下穿范圍內(nèi)的地表、箱涵、軌道、擋土墻。具體如圖7所示。

監(jiān)測(cè)結(jié)果為：隧道穿越頂管箱涵過程中，掌子面前方約20 m內(nèi)的土體開始有擾動(dòng)下沉，屬于收斂性下沉，基本穩(wěn)定在1 mm/d。地層位移速度有正有負(fù)，說明土體有隆起和下沉，一般掌子面前方5 m內(nèi)會(huì)有少許隆起，刀盤通過后開始下沉。根據(jù)本次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析此次加固方案效果明顯，方法得當(dāng)。

圖7 軌道及箱涵監(jiān)測(cè)

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及前期理論分析和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，盾構(gòu)土艙壓力應(yīng)該根據(jù)附加荷載及地層壓力計(jì)算得到，本工程設(shè)定的土艙壓力0.236 MPa是合適的，因此現(xiàn)在業(yè)內(nèi)采用的過建筑物的過程中要“輕推慢跑”的說法是沒有理論依據(jù)的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)得到，下穿過程中土體擾動(dòng)波及范圍是以45°+向上延伸，并非以45°，加固范圍和監(jiān)測(cè)范圍按照此范圍進(jìn)行確定是合理的，相比常規(guī)的45°進(jìn)行影響范圍確定和加固方法材料和工期較明顯，經(jīng)濟(jì)效益突出。從整個(gè)施工過程看，同步注漿漿液的注漿量為超挖空隙的1.5倍是合理的，漿液初凝時(shí)間以4～6 h為佳，同步注漿壓力設(shè)置在0.21～0.26 MPa，能在很大程度上減少地層沉降。

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2095－6835（2019）02－0151－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.151

辛振?。?980—），男，2007年畢業(yè)于北京科技大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，碩士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事隧道及地下工程和科研工作。

〔編輯：張思楠〕