路基填土對濱海軟土地層盾構(gòu)隧道的影響及防控

劉勝利 肖中林

(1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010; 2.中交海峽建設(shè)投資發(fā)展有限公司，福建 福州 350015)

0 引言

隨著我國各大中城市城區(qū)范圍的不斷擴大，外圍副中心、衛(wèi)星城概念不斷提升，為加強其與城市中心區(qū)的快速聯(lián)系，城市軌道交通快線建設(shè)逐漸成為了城市發(fā)展規(guī)劃中的重要部分。因此，作為一種快速高效的交通手段，城市軌道交通又掀起了新一輪的建設(shè)高潮。目前，北京、廣州、深圳等在軌網(wǎng)規(guī)劃中都有快線系統(tǒng)布局，越來越多的城市也開始重視快線的建設(shè)，而且對軌道交通的出行時空目標也提出了更高要求。盾構(gòu)隧道具有技術(shù)成熟、施工速度快、自動化程度高以及對環(huán)境擾動小等特點，被普遍用于城市地下軌道交通的修建[1]。福州濱?？炀€線路總長62.2 km，采用盾構(gòu)法修建，設(shè)計時速140 km/h，起于蓮花站，終于大數(shù)據(jù)站，沿途工程環(huán)境復(fù)雜，與規(guī)劃福海路線路重疊長度約3.9 km，下穿6處規(guī)劃河道、5座橋涵，另有1.6 km下穿規(guī)劃中央公園路，場地現(xiàn)狀主要為基本農(nóng)田、池塘、道路及民房。

區(qū)段涉及多處土方填挖，其中，規(guī)劃福海路路面標高為6.26 m～9.18 m，現(xiàn)狀地面標高為0.34 m～9.36 m，規(guī)劃路面大部分區(qū)域比現(xiàn)狀地面高1.5 m～4.4 m。規(guī)劃與現(xiàn)狀標高相差較大，根據(jù)既有經(jīng)驗，地鐵隧道建成后在上方進行大規(guī)模的填挖作業(yè)，會造成隧道變形，引起質(zhì)量事故，已有多次相關(guān)工程案例報導(dǎo)。如林永國等[2]給出了上海打浦路越江隧道某一區(qū)段因地面堆載而出現(xiàn)較大沉降的監(jiān)測資料，資料顯示自20世紀70年代初～80年代后期，隧道上方一共經(jīng)歷了四次堆載施工，總的堆載大小達到70 kPa；經(jīng)過四次加載，隧道總的變形已高達110 mm，存在極大的安全隱患。王旭[3]報道了珠江三角洲地區(qū)某盾構(gòu)隧道上方出現(xiàn)大面積堆土案例，堆土高3 m～4 m，后續(xù)處理過程中，雖已及時清運地面堆土，但左、右線隧道仍分別出現(xiàn)22.8 mm,16.2 mm的豎向沉降；根據(jù)后續(xù)的持續(xù)觀測，地面卸載后，左線隧道出現(xiàn)5.6 mm回彈，而右線隧道回彈量為6.4 mm；由于處理及時、得當，堆土區(qū)域隧道并未出現(xiàn)破損。當前，針對該問題的研究主要采用理論分析、數(shù)值計算、模型試驗及現(xiàn)場測試等手段進行。如魏綱等[4]依據(jù)研究成果,將地面堆載對臨近隧道影響的研究方法歸納為:現(xiàn)場實測法、理論分析法、數(shù)值模擬法和模型試驗法。對發(fā)展概況及研究進展進行綜述,提出需進一步研究的課題和研究思路；文獻[5]基于理論研究構(gòu)建了盾構(gòu)隧道—圍巖相互作用解析計算模型，可用于快速計算鄰近施工擾動對既有隧道結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力的影響；施成華等[6-8]則采用數(shù)值分析模擬既有隧道受施工擾動的過程，并探討了不同土體加固方式對控制既有隧道變形的效果。本文以福州濱海快線工程為背景，基于數(shù)值分析手段探討后期地表土方填筑對下臥盾構(gòu)隧道的影響，并分析采用樁板結(jié)構(gòu)控制既有線變形的效能，可為類似工程案例提供參考。

1 工程概況

福州濱?？炀€出蓮花山站向東南行進，經(jīng)濱海西站后沿規(guī)劃福海路下接大數(shù)據(jù)站，其中4.3 km位于規(guī)劃福海路下，如圖1所示。主體隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)掘進方向為大數(shù)據(jù)站往濱海西站。區(qū)間隧道覆土埋深約8.84 m～27.17 m，主要穿越地層為淤泥質(zhì)土②-4-1，(含泥)粉細砂②-4-5、殘積砂質(zhì)黏性土⑤-2、全風(fēng)化花崗巖⑥-1、(含砂)粉質(zhì)黏土③-1-2、粉質(zhì)黏土③-1-1、碎塊狀強風(fēng)化花崗巖⑦-2、中風(fēng)化花崗巖⑧-1、(含泥)粗中砂③-3、(泥質(zhì))粉細砂③-2、粉質(zhì)黏土②-4-2、粉細砂②-2-1。區(qū)段涉及到的土層相關(guān)力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

在地鐵隧道建成后，后期規(guī)劃路面大部分區(qū)域比現(xiàn)狀地面高1.5 m～4.4 m，需要分析后期土方堆載對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響以及提出相應(yīng)的處置措施。

2 土方填筑引起下臥隧道變形

選取典型斷面進行計算分析，模型示意圖如圖2所示。隧道直徑8.3 m，兩隧道之間凈距7.0 m，拱頂埋深16.5 m。地層條件由下而上分別為粉質(zhì)黏土、粉砂(泥質(zhì))、淤泥質(zhì)土、粉細砂(含泥)、粉細砂及雜填土，隧道主要處于淤泥質(zhì)土和粉細砂地層中。地表填土厚度分別按回填1 m,2 m,3 m,4 m和5 m路基5個工況進行計算。

表1 土層相關(guān)力學(xué)參數(shù)

隧道管片混凝土等級為C55，彈性模量為35.5 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。計算中，先進行初始地應(yīng)力平衡，而后進行地鐵盾構(gòu)開挖以及支護結(jié)構(gòu)的施作，再進行地表路基填筑的模擬。圖3為不同填筑厚度下隧道結(jié)構(gòu)的位移云圖。不同工況計算得到的最大沉降如圖4所示。

由圖可知，地表土方填筑會引起下臥盾構(gòu)隧道產(chǎn)生不同程度的沉降，拱頂沉降大于拱底的。隧道結(jié)構(gòu)最大位移隨著填土厚度的增加線性增加。不同填土厚度下引起的最大沉降分別為-17.844 mm，-44.896 mm，-73.036 mm，-99.600 mm及-124.526 mm。根據(jù)規(guī)范[9]要求及以往工程經(jīng)驗，鄰近施工擾動引起既有隧道結(jié)構(gòu)的最大變形的預(yù)警值為10 mm，控制值為20 mm。由此可見，5種填土厚度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形均已超出預(yù)警值，僅在回填厚度為1 m時結(jié)構(gòu)變形尚處于控制值之內(nèi)，給工程順利施工帶來嚴峻考驗。

為此，針對該工程案例，需提供相應(yīng)的處置措施以控制既有隧道的過量變形，減輕地表路基填筑帶來的不利影響。

3 樁板結(jié)構(gòu)控制效果分析

針對該問題，在參考國內(nèi)外相關(guān)工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，考慮采用樁板組合結(jié)構(gòu)分擔(dān)上覆土壓力，從而減輕作用于下臥隧道的荷載，以達到控制隧道變形的目的。整體模型示意圖如圖5所示。

模型中，在2條平行隧道之間設(shè)置3排樁基礎(chǔ)，每排6根，樁基直徑1.5 m。樁頂設(shè)置梁板結(jié)構(gòu)承受部分上覆土壓力的作用，縱梁截面尺寸為2.0 m×1.5 m，板厚0.6 m。樁板結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土等級C35，計算中彈性模量取為31.5 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。計算過程中先完成初始地應(yīng)力平衡，而后完成既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)施工，再完成樁板體系施工，最后進行地表不同厚度填土影響分析。

圖6，圖7分別為不同填筑厚度引起地下結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖及隧道最大位移與填土厚度的關(guān)系曲線。由圖可知，地下結(jié)構(gòu)的變形隨著地表填土厚度的增加而增加，未進行土方填筑時，在原位應(yīng)力場作用下導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)最大位移僅為-3.570 mm，填筑厚度為1 m～5 m時引起的最大變形分別為-6.996 mm，-10.766 mm，-14.254 mm，-17.311 mm及-17.311 mm。相較于未施作樁板結(jié)構(gòu)的情況(見圖4)，可以看出在樁板結(jié)構(gòu)的保護下，地表填土對既有隧道的影響較為有限，且最終趨于穩(wěn)定值，引起的隧道位移均未超出控制值，控制效果良好。

表2～表4為不同回填厚度下板、梁、樁結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力計算結(jié)果。由表可知，隨著填土厚度的增加，板樁體系的內(nèi)力亦增加，但當填土厚度超過4 m時，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力趨于穩(wěn)定值。板結(jié)構(gòu)的軸力較小而承受的彎矩和剪力較大，最大軸力、彎矩和剪力分別為210 kN，1 279 kN·m，1 116 kN；梁結(jié)構(gòu)主要承受彎矩和剪力，Z方向的彎矩值顯著，而剪力主要沿Y方向，最大軸力、彎矩和剪力分別為772 kN，5 171 kN·m，19 066 kN；樁結(jié)構(gòu)承受較大的Z方向的軸力，同時彎矩值和剪力值亦具有較高水平，最大軸力、彎矩和剪力分別為28 204 kN，1 346 kN·m，2 693 kN。在設(shè)計時，板、梁、樁應(yīng)按最大內(nèi)力進行設(shè)計。該部分的研究成果可為樁板體系的合理設(shè)計提供基礎(chǔ)。

表2 板結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果

表3 梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果

表4 樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果

4 結(jié)論

文章結(jié)合福州濱海快線蓮花山站—大數(shù)據(jù)站工程實際，基于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》控制標準，采用數(shù)值模擬研究地表后期規(guī)劃路基填筑對下臥深厚軟土地層盾構(gòu)隧道的影響，闡述了其在上方路基填筑下的變形規(guī)律，并進一步對超過控制標準的常規(guī)方案進行優(yōu)化和分析，得出以下主要結(jié)論：

1)因地鐵盾構(gòu)隧道洞身軟土地層長期固結(jié)沉降，對深厚軟土地層盾構(gòu)隧道上方規(guī)劃路基填筑影響規(guī)律進行分析，發(fā)現(xiàn)未采取措施則填筑過厚會導(dǎo)致隧道沉降超過地鐵保護控制值，因此有必要采取保護措施。2)針對地鐵保護需求及周邊開發(fā)需要，提出了上方樁板體系保護方案，經(jīng)過比選其最不利工況，即在最大填筑厚度5 m作用下，隧道最大位移為-17.311 mm，仍處于控制值以內(nèi)，可見樁板結(jié)構(gòu)能有效承擔(dān)來自地表堆土的超載作用，防控效果顯著，滿足規(guī)范要求。3)濱海地段有必要提前考慮規(guī)劃道路填土堆載影響，軟土地段提前采取真空預(yù)壓或地面加固等方案，降低后期對地鐵結(jié)構(gòu)的不利影響。4)本文提出的加固方案可供類似地層的地鐵隧道上方路基處理工程參考。