盾構(gòu)上方填方道路軟基淺層處理方式研究

劉 東，楊紹猛

[1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)浙江市政設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310000；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310000]

0 引 言

城市基礎(chǔ)設(shè)施日趨完善，地鐵區(qū)間隧道等地下構(gòu)筑物密度不斷加大，新建城市道路難免上跨既有地鐵盾構(gòu)，國際隧道協(xié)會(huì)（ITA）2000年在《盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)指導(dǎo)》[1]中將隧道豎向變形對隧道的影響寫入荷載類別中的特殊荷載。美國交通運(yùn)輸研究協(xié)會(huì)在年度報(bào)告[2]中指出，軟土地層中的隧道破壞主要是由于軟土變形產(chǎn)生的。盾構(gòu)上方大面積加載或卸載是軟土變形的重要原因。

盾構(gòu)上方軟基處理及路基填挖，使得盾構(gòu)上方豎向荷載變化并產(chǎn)生土體擾動(dòng)，導(dǎo)致既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，危及隧道安全。對于涉地鐵路段，工況及地質(zhì)特點(diǎn)存在差異，地鐵相關(guān)單位往往提出不同的荷載控制要求，使得較高填方并存在軟土的路基難以采用常規(guī)方式處理。目前，關(guān)于上跨既有盾構(gòu)隧道的道路軟基處理方式及其受力變形特點(diǎn)的研究還比較少，為保證道路質(zhì)量和隧道結(jié)構(gòu)安全，有必要對地鐵盾構(gòu)上方軟基處理方式進(jìn)行研究。

以杭州地鐵5號線上方施工某城市道路為工程依托，首先討論了常用軟基處理方式及原理，然后建立力學(xué)模型對軟基處理方式受力及變形規(guī)律進(jìn)行分析，最后結(jié)合工程實(shí)例采用有限元分析軟件ABAQUS建模分析，將分析結(jié)果與推導(dǎo)公式計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。成果為既有盾構(gòu)上方填方道路軟基處理方式提供參考。

1 常規(guī)軟基處理方式及原理

道路軟土地基處理方法可按地基處理層位、方法等進(jìn)行分類。常見的軟基處理方法見表1。軟基處理主要解決承載力和變形兩個(gè)問題，無論采用何種處理方式，歸根結(jié)底都是通過一定的措施來減輕路基自重、提高地基承載力或減小沉降量。

表1 常規(guī)軟基處理方法

泡沫輕質(zhì)土在建設(shè)工程中被廣泛應(yīng)用[3]，具有重量輕、流動(dòng)性好、強(qiáng)度易控制和保溫隔熱等優(yōu)點(diǎn)。泡沫輕質(zhì)土重量較輕，同時(shí)具有較高的屈服應(yīng)力，當(dāng)施加荷載不超過其屈服應(yīng)力時(shí)，材料呈彈性變形且變形量很小[4]。城市道路工程中，泡沫土上方加載大多在100kPa以內(nèi)，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力。因此，在道路改擴(kuò)建或路基換填中使用泡沫土材料，產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，能夠有效減小道路下方原狀土的沉降變形，同時(shí)材料自身變形量很小，進(jìn)而有效控制路基沉降。

2 盾構(gòu)上方軟基處理計(jì)算分析

2.1 盾構(gòu)上方軟基處理控制要點(diǎn)

地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形主要控制值為最大允許變形值和最大允許變形速率[5]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，為了控制新建構(gòu)筑物對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，對于淺層軟基處理，一般采用荷載和軟土變形兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行控制，不同地質(zhì)條件及工況下，具體控制指標(biāo)不盡相同，但本質(zhì)上都是從限制大面積加載或卸載、控制盾構(gòu)上方軟土變形兩個(gè)方面進(jìn)行控制，以降低新建工程對既有盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的不利影響，保證地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及地鐵運(yùn)營安全。

2.2 盾構(gòu)上方軟基處理方案

在上部土體松散軟弱的情況下，施工擾動(dòng)會(huì)惡化隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[6]，盾構(gòu)區(qū)間上方卸載量越小，對保護(hù)下方既有隧道越有利，及時(shí)加載配重能保護(hù)下方的既有隧道不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞[7]。攪拌樁等深層處理方式擠土和擾動(dòng)作用明顯，導(dǎo)致土體中產(chǎn)生較大超孔隙水壓力和位移[8]。

通過開挖換填泡沫輕質(zhì)土，適當(dāng)卸載；采用泡沫輕質(zhì)土路基，減少道路結(jié)構(gòu)自重。以上措施可增加盾構(gòu)上方道路填方高度，應(yīng)根據(jù)具體荷載控制要求，對允許開挖換填厚度、路基允許最大填高進(jìn)行計(jì)算。

2.3 處理方案計(jì)算模型建立

處理方案模型簡圖如圖1所示。假設(shè)盾構(gòu)上方大面積加載或卸載的限值為akPa，盾構(gòu)頂部至路基頂范圍軟土變形限值為[s]m。盾構(gòu)頂部距離地面距離為H，每一層壓縮模量分別為ES1，ES2，…，ESn，層厚為h1，h2，…，hn，路面結(jié)構(gòu)加權(quán)平均重度為，厚度為hl，設(shè)計(jì)路基填方高度為hd，泡沫輕質(zhì)土重度為，現(xiàn)狀土加權(quán)平均重度為。一般情況下

圖1 計(jì)算模型簡圖

換填厚度為hw時(shí)，卸載荷載大小為hw，應(yīng)滿足hw≤a，整理后得淺層處理允許換填厚度hw計(jì)算公式（1）：

是的，每個(gè)男孩心中都有一個(gè)英雄夢。有時(shí)，他們無知無畏，把“好斗”“好勝”當(dāng)作“壯舉”，如果我們耐心、機(jī)智巧妙地與其周旋，往往也能讓他們成為真正的英雄！

設(shè)允許路基最大填方高度為hdmax，則盾構(gòu)上方總的附加應(yīng)力為整理后得允許路基最大填方高度計(jì)算公式（2）：

當(dāng)路基設(shè)計(jì)高度hd滿足hd≤hmax時(shí)，盾構(gòu)上方總的附加應(yīng)力為結(jié)合公式（1），整理得換填厚度hw計(jì)算公式（3）：

式中：hq為清表厚度。

當(dāng)hq≥hdmax時(shí)，需要采取其他措施進(jìn)行處理，限于篇幅本文不進(jìn)行討論。

路基淺層處理后，盾構(gòu)上方軟土變形量sd可通過式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：ΔP為附加荷載為盾構(gòu)上方原狀土加權(quán)平均壓縮模量為盾構(gòu)上方巖土分層數(shù)。

綜上所述，盾構(gòu)上方軟基淺層處理時(shí)，首先根據(jù)式（2）確定盾構(gòu)上方允許最大填方高度hdmax，當(dāng)設(shè)計(jì)路基填方高度hd≤hdmax時(shí)，根據(jù)式（3）計(jì)算需要破除原狀土換填泡沫輕質(zhì)土的厚度hw取值范圍，初步確定換填厚度，根據(jù)式（4）驗(yàn)算盾構(gòu)上方軟土變形量sd是否滿足sd≤[s]，換填厚度確定后，根據(jù)軟基處理方案復(fù)核道路自身地基承載力及工后沉降是否滿足規(guī)范要求，若不滿足則增大換填厚度直hw，若hw增大至hwmax仍不能滿足所有要求，則需要考慮深層或其他特殊軟基處理方式。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程及地質(zhì)概況

杭州某城市道路局部路段位于杭州地鐵5號線某盾構(gòu)區(qū)間上方，盾構(gòu)頂部距離現(xiàn)狀地面約17m，道路寬度36m。該段道路采用填方路基，需考慮大面積加載對既有盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響。

地面以下30m范圍內(nèi)場地主要分9個(gè)土層，每層巖土厚度及特性見表2。

表2 地面以下30m范圍內(nèi)主要巖土分布表

3.2 軟基處理方案

本工程盾構(gòu)上方大面積加載或卸載的限值a=20kPa，盾構(gòu)頂部至路基頂范圍軟土變形限值為[s]=0.10m。盾構(gòu)頂部距離地面距離H=17m，巖土分層厚度及每一層壓縮模量見表3，路面結(jié)構(gòu)加權(quán)平均重度為=22kN/m3，厚度為hl=0.36m，設(shè)計(jì)路基填方高度為hd=2m，根據(jù)材料物理力學(xué)參數(shù)表，泡沫輕質(zhì)土重度為=10.50kN/m3，現(xiàn)狀土加權(quán)平均重度為=18.70kN/m3=4.29MPa。將上述參數(shù)代入式（1）~（4）中計(jì)算得出，需要破除原狀土換填泡沫輕質(zhì)土的厚度hw=1.10m，sd=7.72cm＜[s]。同時(shí)，該方案地基承載力及工后沉降均可滿足要求。

表3 材料物理力學(xué)參數(shù)表

4 有限元數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值分析模型及材料參數(shù)

地鐵盾構(gòu)外徑6.2m，盾構(gòu)片結(jié)構(gòu)厚度0.3m，兩個(gè)盾構(gòu)間距7m，盾構(gòu)頂部距離現(xiàn)狀地面17m。根據(jù)上文計(jì)算，開挖換填厚度1.1m，泡沫輕質(zhì)土填方路基厚度2m。土體模型寬度50m，高度30m，計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分如圖2所示。模型左右兩面約束其水平位移，底面約束其豎向位移，上表面為自由邊界。土體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型。

圖2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分示意圖

為簡化模型，對物理力學(xué)參數(shù)相近的土層進(jìn)行合并，土層的模型參數(shù)取相應(yīng)土層內(nèi)參數(shù)的加權(quán)平均值。合理簡化后土體分6層，自上而下依次為填土、黏土、淤泥土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉、粉質(zhì)黏土，加權(quán)平均厚度分別為2.0m、2.0m、3.0m、9.5m、9.0m、4.5m。

材料物理力學(xué)參數(shù)見表3（9種材料：1填土、2黏土、3淤泥土、4黏土、5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、6粉質(zhì)黏土、7盾構(gòu)襯、8泡沫輕質(zhì)土、9路面結(jié)構(gòu)）。

4.2 施工過程模擬

利用有限元分析軟件ABAQUS對盾構(gòu)上方軟基處理及路基填筑，進(jìn)行多步仿真分析，如圖3所示。分析過程如下：

圖3 軟基處理及道路填筑過程模擬示意圖

（1）平衡初始地應(yīng)力場，得到軟基處理及路基填筑前的初始應(yīng)力狀態(tài)；

（2）殺死開挖土體單元，模擬現(xiàn)狀需換填土體的開挖；

（3）激活與開挖土面積相同的泡沫輕質(zhì)土單元，模擬泡沫輕質(zhì)土的換填；

（4）激活地面線以上泡沫輕質(zhì)土路基，模擬路基填筑；

（5）激活路面結(jié)構(gòu)單元，模擬路面結(jié)構(gòu)填筑。

4.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

本文通過豎向位移對土體進(jìn)行變形規(guī)律分析，通過等效變形對盾構(gòu)管片變形進(jìn)行分析，考慮到兩個(gè)盾構(gòu)管片應(yīng)力及變形完全對稱，僅選取一個(gè)盾構(gòu)管片（右側(cè)）進(jìn)行分析。

道路施工完成后，由土體豎向變形及盾構(gòu)管片等效變形云圖（如圖4、圖5所示），可知盾構(gòu)管片最大等效變形為1.13cm，土體最大變形發(fā)生在開挖面附近，豎向位移為6.21cm(↓)，與通過上文推導(dǎo)公式計(jì)算的sd值7.72cm較為接近，存在差異主要由于計(jì)算公式未考慮土體塑性變形的影響。數(shù)值模擬得到的變形值與公式計(jì)算得到的結(jié)果基本吻合，說明建立的數(shù)值模型能夠較好地反映施工過程土體擾動(dòng)規(guī)律。

圖4 最終土體豎向變形云圖

圖5 最終盾構(gòu)管片等效變形云圖

5 結(jié)語

本文提出了盾構(gòu)上方填方路基淺層處理方案并推導(dǎo)出相關(guān)定量計(jì)算公式。依托工程實(shí)例，推導(dǎo)公式計(jì)算結(jié)果與有限元數(shù)值分析結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文計(jì)算方法及推導(dǎo)公式的合理性。按照本文提出的定量分析方法及計(jì)算公式確定的處理方案，可有效控制道路軟基處理施工造成的盾構(gòu)上荷載變化和變形，降低對既有盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的影響。