陳小娟

(南京地下鐵道有限責(zé)任公司)

南京地鐵三號(hào)線白雨區(qū)間下穿寧蕪鐵路沉降控制分析

陳小娟

(南京地下鐵道有限責(zé)任公司)

南京地鐵三號(hào)線白雨區(qū)間需下穿運(yùn)營(yíng)中的寧蕪鐵路，寧蕪鐵路為碎石道床，為保證隧道施工過(guò)程中鐵路的安全，通過(guò)大型非線性有限元Abaqus分析了盾構(gòu)穿越過(guò)程中的沉降特性，得出模擬分析道床沉降結(jié)果并提出穿越過(guò)程對(duì)沉降變形的工程控制措施。

寧蕪鐵路;模擬分析;沉降變形;控制措施

1 工程概況

南京地鐵三號(hào)線線路在雨花門站前先后下穿寧蕪鐵路，地鐵區(qū)間隧道在該段擬采用盾構(gòu)法施工，在施工過(guò)程中，要采取有效措施，確保鐵路結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)營(yíng)。

通過(guò)有限元計(jì)算分析方法，推斷出地鐵施工過(guò)程的影響程度，并結(jié)合我國(guó)當(dāng)前盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)中的鐵路或者地鐵隧道的工程實(shí)例所采取的措施，經(jīng)綜合分析比較后，提出有針對(duì)性的鐵路保護(hù)措施。

2 地質(zhì)概況

根據(jù)勘察揭示的地層結(jié)構(gòu)和地下水的賦存條件，本段地下水類型主要為松散地層中的孔隙水，其次為基巖裂隙水。

2.1 松散地層的孔隙水

松散地層中的孔隙水是本段地下水的主要類型，根據(jù)其埋藏條件和水力性質(zhì)，可以劃分為上層滯水、淺層潛水、弱承壓水。

(1)上層滯水。

勘探揭示，上層滯水主要分布于人工填土層。

(2)淺層潛水。

勘探揭示，淺層潛水主要分布秦淮河古河道漫灘、坳溝范圍，含水層包括人工填土層、中—晚全新世沖淤積成因的砂性土層和軟弱粘性土層。

2.2 基巖裂隙水

分布于江寧路中段、晨光巷一帶的安山巖中，淺部巖層風(fēng)化強(qiáng)烈，已呈砂土混碎塊狀，部分地段中風(fēng)化巖巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在裂隙水。

土層及巖層的基本物理力學(xué)參數(shù)如下:第1層為雜填土，含水量為31%，土重度為 19.4 kN/m3，孔隙比為 0.780，塑性指數(shù)為 13.8，粘聚力為 29.1 kPa，內(nèi)摩擦角為 13.5°;第2層為素填土，含水量為27.2%，土重度為19.4 kN/m3，孔隙比為 0.781，塑性指數(shù)為 14.6，粘聚力為 25.0kPa，內(nèi)摩擦角為16.1°;第3 層為粉質(zhì)粘土，含水量為 28.0%，土重度為19.5 kN/m3，孔隙比為 0.779，塑性指數(shù)為 14.4，粘聚力為25.0 kPa，內(nèi)摩擦角為 15.1°;第 4 層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，含水量為36.2%，土重度為18.5 kN/m3，孔隙比為1.006，塑性指數(shù)為 14.4，粘聚力為 17.9 kPa，內(nèi)摩擦角為 11.1°;第 5 層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖泥巖，粘聚力為39.0 kPa，內(nèi)摩擦角為 20.2°。

3 盾構(gòu)隧道上方地層沉降成因

地表變形是由于盾構(gòu)法施工而引起隧道周圍土體的松動(dòng)和沉陷，它直觀表現(xiàn)為沉降或隆起。受其影響隧道附近地區(qū)的構(gòu)筑物將產(chǎn)生變形、沉降或變位，以至使構(gòu)筑物機(jī)能遭受破損或破壞。

3.1 土體損失

隧道的挖掘土量常常由于超挖等原因而比按照隧道斷面積計(jì)算出的土量大得多，這樣，就使隧道與襯砌之間產(chǎn)生空隙。在軟粘土中空隙會(huì)被周圍土壤及時(shí)填充，引起地層運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生施工沉降(也稱瞬時(shí)沉降)。

3.2 固結(jié)沉降

由于盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用，對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，使隧道周圍地層產(chǎn)生正、負(fù)超孔隙水壓力，從而引起地層沉降稱為固結(jié)沉降。

3.3 長(zhǎng)期延續(xù)沉陷

指盾構(gòu)通過(guò)后在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍延續(xù)著的沉降。

4 模擬分析結(jié)果

采用大型有限元通用軟件Abaqus進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用摩爾—庫(kù)侖模型模擬土層，采用線彈性模型模擬管片，土層的破壞準(zhǔn)則是張拉剪切組合的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。計(jì)算結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 地應(yīng)力平衡階段整體地應(yīng)力分布

圖2 開(kāi)挖完成后整體豎向位移

經(jīng)上述模擬分析可以看出，在盾構(gòu)隧道雙線全部通過(guò)鐵路斷面后地面沉降約為4 mm。

5 對(duì)鐵路保護(hù)的處理措施

5.1 加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)是施工效果的直接反映，是地鐵盾構(gòu)施工中對(duì)重要建筑物進(jìn)行保護(hù)的重要手段。所謂信息化施工是指通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋分析，判斷當(dāng)前的施工狀況是否科學(xué)合理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程中存在的問(wèn)題，為采取有效的防范措施提供基礎(chǔ)信息，指導(dǎo)施工安全順利進(jìn)行。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括:(1)垂直沉降;(2)水平位移;(3)軌道左右兩側(cè)高差;(4)土體位移。

5.2 優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)施工對(duì)周邊土層影響程度受控因素很多，如土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度、總推力、出土量、刀盤轉(zhuǎn)速、注漿量和注漿壓力等施工參數(shù)，針對(duì)優(yōu)化施工參數(shù)選擇主要施工措施可以歸納如下。

控制出碴量:通過(guò)加氣保壓使土倉(cāng)內(nèi)壓力值保持恒定，盡量將其波動(dòng)值控制在最小范圍內(nèi)以確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定;嚴(yán)格控制出土量，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有地層特點(diǎn)嚴(yán)格控制出碴量。

加強(qiáng)碴土改良:適當(dāng)增加泡沫劑及水的用量，根據(jù)掘進(jìn)情況及時(shí)調(diào)整加入量。

控制掘進(jìn)速度:盾構(gòu)下穿時(shí)，嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度，避免出現(xiàn)速度的較大波動(dòng)，將對(duì)地層的擾動(dòng)降至最小。

5.3 嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)

對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行嚴(yán)格的線形控制和姿態(tài)控制，姿態(tài)調(diào)整不宜過(guò)大、過(guò)頻，減少糾偏，特別是較大糾偏，姿態(tài)調(diào)整控制在±5 mm范圍內(nèi)，以避免對(duì)土體的超挖和擾動(dòng)。

5.4 對(duì)道床路基進(jìn)行加固處理

在盾構(gòu)通過(guò)前對(duì)道床下部土體進(jìn)行注漿加固，道床兩側(cè)沿鐵路兩側(cè)進(jìn)行旋噴樁加固。在盾構(gòu)通過(guò)時(shí)視具體情況對(duì)鐵路基礎(chǔ)進(jìn)行跟蹤注漿。

5.5 確保同步及二次注漿的注漿量及注漿壓力

確保同步注漿質(zhì)量和數(shù)量，防止地層變形、提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、改善結(jié)構(gòu)受力情況，防止較大沉降的發(fā)生，確保管片圍巖間隙及時(shí)充填密實(shí)，同時(shí)結(jié)合下穿段具體地質(zhì)情況確保注漿量及注漿壓力。

5.6 快速通過(guò)

眾所周知，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中洞身圍巖塑性區(qū)的發(fā)展是具有一定滯后性的。換言之，在圍巖塑性區(qū)得到完全發(fā)展之前迅速通過(guò)后，隨即向尚未為軟土變形所填充的管片背后空隙中充分注漿，如此一來(lái)可有效控制隧道上方覆土沉降。然而要引起重視的是快速的通過(guò)并不是指單純的加大盾構(gòu)推力，加快掘進(jìn)速度，而是指通過(guò)快速的完成管片拼裝的方式來(lái)減少盾構(gòu)停機(jī)的時(shí)間。

5.7 建立專項(xiàng)安全施工方案、專項(xiàng)安全應(yīng)急預(yù)案

為了及時(shí)、有序、有效地控制施工過(guò)程中可能發(fā)生的安全事故，根據(jù)《中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法》等相關(guān)條例的要求，結(jié)合施工實(shí)際，制定了專項(xiàng)安全施工方案和專項(xiàng)安全應(yīng)急預(yù)案。

5.8 對(duì)盾構(gòu)通過(guò)期間的鐵路保護(hù)

根據(jù)過(guò)往的工程經(jīng)驗(yàn)建議按如下限制進(jìn)行控制:

(1)鐵路軌面沉降最大允許值:-10 mm;

(2)相鄰兩股鋼軌不均勻沉降最大允許值:6 mm;

(3)相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過(guò)5 mm。

上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一旦超過(guò)限值時(shí)，需對(duì)軌道進(jìn)行調(diào)整或采取限速措施。

5.9 鐵路沉降后的處理措施

通過(guò)墊渣起道作業(yè)，調(diào)整碎石道床高度，可有效解決鐵路沉降問(wèn)題。

6 結(jié)論

(1)目前國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工技術(shù)能夠保證在鐵路運(yùn)營(yíng)與安全不受影響的前提下順利完成下穿鐵路隧道的施工。

(2)有限元及理論公式的計(jì)算表明，考慮目前對(duì)地層損失及擾動(dòng)所能達(dá)到的的技術(shù)水平，下穿鐵路隧道期間引起的地面沉降不超過(guò)5 mm時(shí)，能夠確保鐵路運(yùn)營(yíng)與安全不受影響。

［1］呂培林，周順華.軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28(2).

［2］佘才高.地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路的安全措施［J］.城市軌道交通研究，2009，12(4).

U416.1

C

1008-3383(2012)02-0014-02

2011-12-10

陳小娟(1984-)，女，江蘇鹽城人，本科，助理工程師，主要從事工程管理工作。