富水砂層盾構(gòu)下穿股道樁筏加固控制效果研究

林寶剛， 李 飛， 李 磊， 鐘久強(qiáng)， 羅如平

(1.中鐵四局集團(tuán)城市軌道交通工程分公司，安徽 合肥 230023;2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，地鐵下穿火車站場股道工程日益增多，盾構(gòu)下穿施工不僅會(huì)影響到站場內(nèi)附屬建(構(gòu))筑物安全，還會(huì)引起鐵路股道的差異沉降，當(dāng)下穿施工誘發(fā)的不均勻沉降或左右軌差異沉降過大時(shí)，將對(duì)列車行車及乘客生命安全造成嚴(yán)重威脅?，F(xiàn)有盾構(gòu)下穿火車站場股道的研究大多基于現(xiàn)場監(jiān)測資料實(shí)時(shí)分析股道變形規(guī)律，在不超過預(yù)警值的前提下，制定對(duì)盾構(gòu)下穿工程的相應(yīng)控制措施[1-5]。一般可分為理論公式和模型試驗(yàn)法，理論公式法對(duì)場地作過多簡化，往往與實(shí)際復(fù)雜工況出入較大，尚存局限性；模型試驗(yàn)法由于其尺寸效應(yīng)的存在及相關(guān)消耗巨大，應(yīng)用研究較少。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬不僅能夠考慮實(shí)際各類地層性質(zhì)的影響，且可對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行精細(xì)化模擬，較為全面地反映地層變形特征與沉降規(guī)律，基于此已有學(xué)者得到了許多有價(jià)值的研究成果[6-10]，馬相峰等[11]基于FLAC3D分析了砂卵石地層注漿加固對(duì)雙線盾構(gòu)下穿鐵路沉降控制的有效性，齊勇等[12]等通過SAP2000研究了便梁與注漿加固方案對(duì)盾構(gòu)下穿既有鐵路的沉降控制效果。然而，目前關(guān)于盾構(gòu)下穿股道的精細(xì)化數(shù)值模擬仍較少，且往往采用摩爾庫倫本構(gòu)，本文以南昌地鐵下穿南昌火車站為例，通過Plaxis 3D精細(xì)化建模，采用更好反映土體開挖卸荷作用的HSS本構(gòu)模型，研究盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)火車股道的影響，并對(duì)比分析有無樁筏加固措施對(duì)盾構(gòu)隧道下穿火車股道的影響，為同類工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

1 工程概況

丁公路南站-南昌火車站區(qū)間隧道呈東西走向，區(qū)間隧道呈長條形，道路沿線建構(gòu)筑物密布，地下管線復(fù)雜。區(qū)間底板設(shè)計(jì)標(biāo)高為3.86～6.34 m，區(qū)間隧道施工擬選用土壓式平衡盾構(gòu)，管片采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片的外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，厚度為300 mm，盾構(gòu)隧道埋深為10.1 m，所處地層為圓礫層。區(qū)間隧道與火車股道相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示，其中左線先于右線開挖，時(shí)隔一月后右線開始掘進(jìn)，本文主要研究左線盾構(gòu)開挖對(duì)股道沉降影響。

圖1 區(qū)間隧道下穿火車站段相對(duì)位置

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值分析模型的建立

2.1 土層分布及材料參數(shù)

表2 材料參數(shù)

本文地下水埋深設(shè)置為-5 m，模型土層共計(jì)6層，土層序號(hào)從上至下①～⑥依次為填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、圓礫、礫砂及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，土層分布及模型橫截面如圖 2所示，為便于分析，3條股道從左至右依次編號(hào)記為1、2、3號(hào)股道。

圖2 土層分布及模型橫截面

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

三維有限元分析模型如圖3所示。模型采用四面體網(wǎng)格劃分，總計(jì)單元數(shù)量約90 000，初始應(yīng)力場為重力場。在管片與土體、盾體與土體間設(shè)置界面單元，用于模擬土體與管片盾體之間相互作用。由于盾構(gòu)開挖為軸對(duì)稱模型，為減少計(jì)算時(shí)間，取半邊對(duì)稱模型進(jìn)行分析，盾構(gòu)開挖直徑為6 m，由于盾構(gòu)開挖一般影響范圍為3～5倍開挖直徑，同時(shí)出于完整考慮盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路股道全過程并減少邊界條件影響，取模型尺寸為85 m×35 m×23 m(長×寬×高)，模型上表面設(shè)置為位移自由，側(cè)面約束法向位移，底部同時(shí)約束x，y，z三個(gè)方向位移。

圖3 三維有限元分析模型

襯砌及盾構(gòu)機(jī)采用板單元模擬，在分析樁筏基礎(chǔ)對(duì)盾構(gòu)開挖引起火車股道沉降影響時(shí)，實(shí)際情況中的樁筏基礎(chǔ)建立在地面以下，筏板采用實(shí)體單元，x方向長48 m，y方向?qū)?5 m，z方向厚1.5 m，埋深3.5 m；樁基采用Embedded Beam梁單元，樁長18 m，超隧道拱底6 m，共設(shè)置4排樁，每排樁數(shù)為6，樁數(shù)共計(jì)24根；共取3條股道進(jìn)行分析，間距為1.5 m。

高速鐵路列車設(shè)計(jì)活載應(yīng)采用ZK活載，添加ZK列車豎向靜力活載，模型中考慮ZK特種活載均勻分布于路基上方的情況。軌道荷載為P=45 kN/m，活載為Q=250 kN/1.6 m=156.25 kN/m，分布寬度為d=3.2 m，得到地面壓力為q=(P+Q)/d=62.89 kPa，為安全起見，地面施加荷載選用65 kPa的面壓力。

為更好地模擬左線盾構(gòu)開挖分步施工引起的股道沉降規(guī)律，對(duì)盾體設(shè)置面收縮以模擬實(shí)際盾體在縱向上的直徑變化，模擬時(shí)隧道分步開挖，每步掘進(jìn)2.4 m，共22個(gè)施工步，總計(jì)掘進(jìn)52.8 m。掌子面壓力取靜止水土壓力，沿中軸線每延米增大15 kPa，盾尾注漿壓力取水壓力外加100 kPa。隧道開挖順序與實(shí)際工程順序相一致，開挖在時(shí)間上不重疊，直至結(jié)束，詳細(xì)模擬步驟及各壓力取值參考文獻(xiàn)[13,14]的研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 無樁筏加固股道沉降分析

為消除邊界條件影響，左線盾構(gòu)一次性掘進(jìn)7環(huán)至始發(fā)點(diǎn)x坐標(biāo)為-1.25 m，再次掘進(jìn)5環(huán)后位于1號(hào)股道正下方，掘進(jìn)7環(huán)后位于2號(hào)股道正下方，掘進(jìn)9環(huán)后位于3號(hào)股道正下方，終點(diǎn)坐標(biāo)為34.75 m。為驗(yàn)證模型，選取左側(cè)股道對(duì)應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)位置的左右軌道沉降值，與實(shí)際監(jiān)測值作對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同開挖面距離下1號(hào)股道沉降模擬值與監(jiān)測值對(duì)比

由圖 4可知，股道最大沉降預(yù)警值為6 mm，模擬與監(jiān)測值均未超過該值，且沿左右股道長度方向沉降值曲線走勢與監(jiān)測值相比吻合較好，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，模擬值與監(jiān)測值吻合程度趨于升高，因此認(rèn)為所建模型有效。1號(hào)股道沉降值隨著盾構(gòu)推進(jìn)逐漸增大，最大沉降約4.6 mm，左右軌沉降差最大為0.33 mm，均小于紅色預(yù)警值。

如圖5所示，橫坐標(biāo)為股道中心線距盾構(gòu)開挖面距離，縱坐標(biāo)為股道沉降值，灰色區(qū)域表示開挖面未到達(dá)股道，因此距離為負(fù)，2號(hào)股道沉降值隨著盾構(gòu)的推進(jìn)逐漸增大，最終穩(wěn)定在4.8 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.35 mm，兩者均小于6 mm的紅色預(yù)警值。

圖5 不同開挖面距離下2號(hào)股道左右軌沉降模擬值

如圖6所示，3號(hào)股道沉降值隨著盾構(gòu)的推進(jìn)逐漸增大，最終穩(wěn)定在5.2 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.41 mm，兩者均小于6 mm的紅色預(yù)警值。最大沉降隨著股道離盾構(gòu)開挖面距離的增大而增大，排列順序?yàn)?號(hào)>2號(hào)>1號(hào)，沉降出現(xiàn)累積增大趨勢，因此離初始開挖面距離越遠(yuǎn)的股道，越需要對(duì)其進(jìn)行可靠的安全評(píng)估，防范工程事故的發(fā)生。

圖6 不同開挖面距離下3號(hào)股道左右軌沉降模擬值

綜上分析可知3號(hào)股道沉降值最大，基于此探討最危險(xiǎn)3號(hào)股道距不同開挖面距離下，左右股道長度方向沉降值對(duì)比。如圖7所示，無論是左股道或右股道，沉降最大值均出現(xiàn)在盾構(gòu)刀盤正上方即對(duì)應(yīng)股道長度方向x=0 m處，約5.3 mm。最大差異沉降隨著開挖面的推進(jìn)先增大后減小，最大值出現(xiàn)在距開挖面0 m左右位置，為0.46 mm，距開挖面12 m后沉降差趨于穩(wěn)定。可能的原因是盾構(gòu)刀盤正上方對(duì)應(yīng)土體擾動(dòng)最大，當(dāng)盾構(gòu)越過股道后由于襯砌的鋪裝及同步注漿使得土體沉降開始減弱，直至趨于穩(wěn)定。

圖7 無樁筏加固不同開挖面距離下沿3號(hào)股道左右軌長度方向沉降模擬值

3.2 有樁筏加固股道沉降分析

為對(duì)比盾構(gòu)隧道下穿火車股道情況下樁伐基礎(chǔ)對(duì)股道的保護(hù)作用，本節(jié)分析了在樁筏基礎(chǔ)加固下，沉降最大的3號(hào)股道距不同開挖面距離下火車股道的沉降分布規(guī)律及差異沉降曲線，除增加樁筏基礎(chǔ)保護(hù)外，其他條件均與無樁筏基礎(chǔ)工況一致。

如圖8所示為3號(hào)股道不同開挖面距離下監(jiān)測點(diǎn)沉降分布，左右軌沉降值均隨盾構(gòu)開挖面的推進(jìn)先增大后減小，最大沉降值不超過1.4 mm，左右軌最大差異沉降為0.081 mm，出現(xiàn)在距開挖面約4.8 m處，該值遠(yuǎn)小于未加樁筏基礎(chǔ)情況下股道沉降，最大沉降值約為未進(jìn)行地基加固工況下的1/4左右。

圖8 有樁筏加固3號(hào)股道左右軌沉降模擬值

如圖9所示為3號(hào)股道距不同開挖面距離下，左右股道長度方向沉降值對(duì)比曲線。由圖可知，無論是左股道或右股道，沉降最大值均出現(xiàn)在盾構(gòu)刀盤正上方即對(duì)應(yīng)股道長度方向x=0 m處，約1.1 mm，且左右軌最大沉降差值也出現(xiàn)在此處，約為0.085 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未加固方案，沉降值隨著開挖面的推進(jìn)逐漸增大，沉降差隨著開挖面的推進(jìn)先增大后減小，距開挖面12 m后沉降差趨于穩(wěn)定。

圖9 有樁筏加固3號(hào)股道左右軌長度方向沉降模擬值

4 結(jié)論

(1)股道沉降值隨著盾構(gòu)開挖面的臨近逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，同一股道左右軌沉降差值呈先增大后減小的趨勢，無樁筏基礎(chǔ)下最大沉降均值約5.2 mm，采用樁筏基礎(chǔ)后減小為1.4 mm；無樁筏基礎(chǔ)下最大沉降差均值約0.46 mm，采用樁筏基礎(chǔ)后縮小至0.085 mm。

(2)無樁筏基礎(chǔ)時(shí)股道最大沉降隨股道離開挖面初始距離的增大而增大，呈現(xiàn)累積效應(yīng)，采用樁筏基礎(chǔ)加固后該值變化微小，股道最大沉降出現(xiàn)在隧道開挖面正上方，因此實(shí)際施工時(shí)應(yīng)注意下穿隧道開挖面正上方對(duì)應(yīng)區(qū)域股道沉降變化情況，做好相應(yīng)監(jiān)測工作。

(3)采用樁筏基礎(chǔ)對(duì)火車股道下方土體進(jìn)行加固可有效減小下穿隧道開挖引起的股道沉降，因此對(duì)于土質(zhì)較差或周邊環(huán)境復(fù)雜地區(qū)，為保證沉降在合理可控范圍內(nèi)，確保對(duì)周邊環(huán)境影響最小，可考慮采用樁筏基礎(chǔ)對(duì)地基進(jìn)行加固，從而確保下穿隧道的順利施工及上部股道安全運(yùn)營。