郭文琦，陳 兵

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

近年來(lái)，隨著我國(guó)地鐵的大量建設(shè)和盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)法在地鐵建設(shè)中成為首選的工法[1]。同時(shí)，由于地鐵、樁基等交通基礎(chǔ)設(shè)施的大量建設(shè)，使得兩者近接的情況愈發(fā)常見(jiàn)[2-3]。

針對(duì)地鐵隧道與其他建筑物接近施工的情況，學(xué)者們進(jìn)行了一系列研究。丁智等[4]通過(guò)模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)與地鐵隧道近接施工的相互影響及控制保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。陳卓等[5]通過(guò)FLAC3D三維數(shù)值模型，分析計(jì)算了地鐵車(chē)站隧道群近接橋梁結(jié)構(gòu)施工引起的附加變形及受力，并且對(duì)橋梁加固措施的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。沈建文等[6]以盾構(gòu)隧道穿越橋樁實(shí)際工程為依托，通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算方法模擬了盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨近橋樁的樁體沉降、樁體側(cè)移、地表沉降的影響，并將結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。單生彪等[7]通過(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)算不同注漿壓力和不同近接距離下盾構(gòu)隧道施工的過(guò)程，并且分析了襯砌結(jié)構(gòu)近接橋樁的施工力學(xué)響應(yīng)。毛新穎等[8]通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)盾構(gòu)到達(dá)公路隧道前、穿越過(guò)程中、盾尾離開(kāi)公路隧道的全過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得出了盾構(gòu)下穿近接公路隧道的影響規(guī)律。

現(xiàn)有的研究主要集中在隧道接近建筑物施工對(duì)建筑物的影響。本文以佛山地鐵2號(hào)線(xiàn)工程為依托，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法，研究了盾構(gòu)隧道周?chē)馏w在不同注漿加固方式下施工對(duì)地層沉降及樁基變形的影響。

1 工程概況

佛山地鐵2號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道下穿文登河公路涵，公路涵樁基的松木樁樁長(zhǎng)5 m，樁徑0.12 m，樁身間距0.48 m。隧道位于粉細(xì)砂、中粗砂地層，距離樁基凈距為7.6 m，隧道埋深約16.8 m，覆蓋層從上至下主要為：素填土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)中粗砂、中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。根據(jù)沿線(xiàn)建構(gòu)筑物保護(hù)分類(lèi)原則的規(guī)定，需做主動(dòng)加固處理，通過(guò)合理的施工方案和施工組織控制地層位移，并采取信息化設(shè)計(jì)和信息化施工的措施。采用洞內(nèi)注漿加固方式進(jìn)行加固，同時(shí)也能改善開(kāi)挖面土體性質(zhì)，有利于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定和盾構(gòu)姿態(tài)的控制。區(qū)間隧道與文登公路涵的松木樁平面上基本呈正交，區(qū)間隧道與樁基剖面關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 區(qū)間隧道與樁基剖面關(guān)系景

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程采用在開(kāi)挖邊界上釋放節(jié)點(diǎn)荷載的方式進(jìn)行模擬。建筑物樁基所受荷載包括建筑物自重、樓面荷載等恒載及活載，在建模中，不考慮基礎(chǔ)及其以上部分，本文研究的是盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的附加應(yīng)力和附加位移對(duì)樁基的影響，故計(jì)算時(shí)不考慮作用在樁基礎(chǔ)頂面上的豎向均布面力。建模過(guò)程中，土體、管片及樁基選用Solid45三維實(shí)體單元模擬。模型上邊界為地面，左、右、下邊界滿(mǎn)足與隧道凈距均大于等于3D要求，其長(zhǎng)寬高分別為48 m×24 m×37 m。襯砌管片厚0.3 m，幅寬1.2 m，隧道埋深約16.8 m。

為了減小下穿對(duì)文登河公路涵樁基的影響，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制地層損失率以及盾構(gòu)推進(jìn)壓力等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，盾構(gòu)通過(guò)前對(duì)開(kāi)挖斷面周?chē)馏w進(jìn)行適量預(yù)注漿加固，同時(shí)為了減小砂土地層對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖的影響，對(duì)砂土地層進(jìn)行了注漿加固處理，注漿加固區(qū)域如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)周?chē)馏w注漿加固

2.2 模型材料參數(shù)

按照地質(zhì)縱斷面圖，有限元模型中自上而下取五種不同土(巖)層進(jìn)行計(jì)算，自上而下分別為素填土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)中粗砂、中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。采用不同的材料分別模擬地層、樁基礎(chǔ)、注漿加固區(qū)、管片襯砌。模型選取管片材料參數(shù)及隧道所穿越地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算采用土體及襯砌材料參數(shù)

3 結(jié)果分析

本試驗(yàn)中共對(duì)四種盾構(gòu)隧道周?chē)馏w進(jìn)行研究，分別是原狀土和每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥200 kg、300 kg、400 kg的改良土。

3.1 地層沉降分析

左洞開(kāi)挖后地表參考面沉降曲線(xiàn)和雙洞開(kāi)挖后地表參考面沉降曲線(xiàn)分別如圖3和圖4所示。

圖3 左洞開(kāi)挖后地表參考面沉降曲線(xiàn)

圖4 雙洞開(kāi)挖后地表參考面沉降曲線(xiàn)

左洞開(kāi)挖后，對(duì)于未進(jìn)行加固改良的原狀土，隧道正上方地表地層沉降值為25.6 mm。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥200 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為17.6 mm。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥300 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為14.5 mm。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為10.2 mm，比未加固地層減小了15.2 mm。

雙線(xiàn)貫通后，對(duì)于未進(jìn)行加固改良的原狀土，兩隧道中間正上方地表地層沉降值為35.6 mm。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥200 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為23.8 mm。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥300 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為15.2 mm。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為12.9 mm，比未加固地層減小了63.76 %。如圖4所示，說(shuō)明注漿加固能有效減小地表沉降。

3.2 樁基變形分析

將四種盾構(gòu)隧道周?chē)馏w下樁基的變形結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 加固前后樁基位移最大值對(duì)比 mm

由表2可知，對(duì)于未進(jìn)行加固改良的原狀土，樁基最大X方向位移為5.3 mm，最大Y方向位移為36.6 mm。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥200 kg的改良土，樁基最大X方向位移為3.8 mm，最大Y方向位移為24.2 mm。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥300 kg的改良土，樁基最大X方向位移為3.1 mm，最大Y方向位移為18.7 mm。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，樁基最大X方向位移為2.4 mm，比未加固地層減少了54.72 %，最大Y方向位移為13.8 mm，比未加固地層減少了62.3 %。因此，注漿加固可顯著減小樁基的變形。

4 結(jié)論

本文以佛山地鐵2號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道工程為依托，通過(guò) ANASYS軟件盾構(gòu)隧道下穿文登河公路涵樁基的工況進(jìn)行了建模計(jì)算，并對(duì)比了不同加固方式下地表沉降和樁基的變形，得到以下有益結(jié)論：

(1)與未加固的土體相比，對(duì)砂土地層進(jìn)行注漿加固處理后，隧道正上方處地表沉降量顯著減少。雙線(xiàn)貫通后，對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降比未加固地層減小63.76 %。

(2)對(duì)砂土地層注漿加固可顯著減小上方公路涵樁基的變形。對(duì)于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，樁基最大水平位移比未加固地層減小54.72 %，樁基最大豎向位移比未加固地層減小62.3 %。

(3)為減小本工程中盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近公路涵樁基的影響，建議本工程中砂土地層地基加固采用每1 m3摻入400 kg超細(xì)水泥的加固方案。