葉 亮

（廣州市地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

沿海地區(qū)機(jī)場(chǎng)處于新近吹填海砂區(qū)，淤泥土較多，機(jī)場(chǎng)航站樓通過(guò)地鐵或市域城際線與市區(qū)連接，連接線路由穿越機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)，一般采用盾構(gòu)法隧道下穿。目前針對(duì)此類(lèi)淤泥土地區(qū)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)地基處理施工對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響控制尚無(wú)相關(guān)保護(hù)辦法。本文采用三維數(shù)值手段模擬了上述施工過(guò)程對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響規(guī)律。

1 軟基處理工程概況

軟基處理工程施工區(qū)位于機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)內(nèi)，其中地鐵安保區(qū)位于6標(biāo)段場(chǎng)地內(nèi)，有地鐵11號(hào)線機(jī)場(chǎng)北停車(chē)場(chǎng)、擬建地鐵20號(hào)線等地鐵設(shè)施。地鐵11號(hào)線停車(chē)場(chǎng)已建成運(yùn)營(yíng)；地鐵20號(hào)線機(jī)場(chǎng)北站～重慶路站區(qū)間的隧道已通，尚未鋪軌；地鐵20號(hào)線車(chē)輛段尚未建成。根據(jù)建設(shè)時(shí)序，地鐵20號(hào)線車(chē)輛段出入段線開(kāi)通將先于6標(biāo)段場(chǎng)地地基處理項(xiàng)目施工。本文僅針對(duì)地鐵20號(hào)線機(jī)場(chǎng)北站～重慶路站區(qū)間、車(chē)站及車(chē)輛段出入段線隧道進(jìn)行研究。

1.1 地質(zhì)概況

根據(jù)工程勘察報(bào)告，場(chǎng)地地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)海陸交互相層（Q4mc）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、第四系晚更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）、第四系殘積層（Q2el）、震旦系（Z）混合花崗巖。軟基處理的主要對(duì)象為第四系淤泥層。

1.2 軟基處理施工方案

本工程6標(biāo)段場(chǎng)地現(xiàn)狀地面標(biāo)高2.5～10.0 m，根據(jù)設(shè)計(jì)文件，軟基施工方案步驟如下：1）場(chǎng)地現(xiàn)狀高于2.5 m的素填土區(qū)，整平至2.5 m標(biāo)高后作為攪拌樁工作面；2）工作面標(biāo)高以下有生活垃圾的區(qū)域，全部生活垃圾層換填素土至2.5 m標(biāo)高；工作面標(biāo)高以下有建筑垃圾如石塊、混凝土塊、磚塊等，翻挖排除建筑垃圾后補(bǔ)填素土，填土頂面采用18 t重壓路機(jī)靜壓6遍，壓實(shí)后的填土面標(biāo)高按2.5 m控制，作為攪拌樁工作面；3）攪拌樁直徑D800 mm，間距1.4×1.4 m，正方形布樁；4）場(chǎng)地的攪拌樁設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高2.5 m；工作面高于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高時(shí)，高出部分為空樁，攪拌樁完工后挖除樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上的土層；5）樁頂鋪設(shè)土工格柵1層、碎石墊層厚0.3 m，碾壓填土至交工面標(biāo)高4.0 m。

2 軟基處理施工對(duì)隧道影響

2.1 地基處理施工對(duì)隧道影響因素

地基處理施工主要通過(guò)以下因素，對(duì)地下結(jié)構(gòu)的安全性發(fā)生影響［1-3］：1）場(chǎng)地清表和機(jī)械靜壓時(shí)，初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)改變，土質(zhì)被壓密、使土的孔隙率減小，土中孔隙水壓力減小、有效應(yīng)力增加，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降，地下建構(gòu)筑物隨土層發(fā)生變形；2）深層土體加固時(shí)，一方面，攪拌樁和旋噴樁的施工對(duì)周邊土體會(huì)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，另一方面，旋噴樁中水泥漿噴射壓力以有效應(yīng)力的形式通過(guò)四周土體傳遞到地下建構(gòu)筑物，引起結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力；3）攪拌樁及旋噴樁的施工改變了土性，在上部建筑及構(gòu)筑物的長(zhǎng)期作用下將引起地層的附加固結(jié)沉降，從而影響地下建構(gòu)筑物的安全。本文僅討論前兩種情況。

2.2 三維數(shù)值模型分析及參數(shù)選取

利用Midas-gts軟件建立三維數(shù)值模型對(duì)上述影響因素進(jìn)行分析。軟基加固區(qū)地鐵20號(hào)線機(jī)場(chǎng)北站-中間風(fēng)井段區(qū)間及車(chē)輛段出入段線斷面關(guān)系、三維數(shù)值模型圖及計(jì)算工況時(shí)序見(jiàn)圖1～3。

圖1 處理區(qū)與20號(hào)線車(chē)輛段出入段線關(guān)系圖

圖2 三維數(shù)值模型圖

圖3 數(shù)值計(jì)算工況時(shí)序圖

盾構(gòu)襯砌管片采用C50混凝土材料參數(shù)，但考慮到接頭以及錯(cuò)縫拼裝方式的影響，根據(jù)文獻(xiàn)［4］，對(duì)管片的剛度進(jìn)行修正，折減系數(shù)為0.85，彈性模量30 GPa，泊松比0.2，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移響應(yīng)分析

地鐵20號(hào)線管片結(jié)構(gòu)變形需滿足城市軌道交通結(jié)構(gòu)變形標(biāo)準(zhǔn)。軌道橫向高差4 mm，軌向高差4 mm［5］。文獻(xiàn)［6］的安全控制指標(biāo)見(jiàn)表2。

清淤施工在分布寬度為10 m，荷載強(qiáng)度為35 kPa的履帶式挖掘機(jī)等效荷載作用下，分別對(duì)比距離隧道兩側(cè)邊線 10、12、14、16、18 及 20 m 的對(duì)稱作用下地鐵隧道管片頂部各工況下地面范圍的豎向位移見(jiàn)圖4，曲線主要規(guī)律如下：1）履帶式挖掘機(jī)施工所引起的沉降隨著與隧道對(duì)稱面距離的增加而減??；2）履帶式挖掘機(jī)施工所產(chǎn)生的沉降槽規(guī)律基本相同，曲線呈“倒鐘形”；3）履帶式挖掘機(jī)施工荷載所引起的地表沉降“峰值”出現(xiàn)在隧道的對(duì)稱面上；4）履帶式挖掘機(jī)施工荷載作用位置附近出現(xiàn)沉降“局部峰值”；5）履帶式挖掘機(jī)施工所引起的地表沉降在距隧道對(duì)稱面25 m開(kāi)始逐漸收斂。

大面積擠淤換填軟基加固施工模擬完成后，20號(hào)出入場(chǎng)線沉降曲線如圖5所示，呈現(xiàn)以下規(guī)律：

1）大面積擠淤換填軟基加固施工所引起的沉降隨著與隧道對(duì)稱面距離的增加而減??；2）大面積擠淤換填軟基加固施工所產(chǎn)生的沉降規(guī)律基本相同，曲線呈“漏斗形”；3）大面積擠淤換填軟基加固施工所引起的地表沉降曲線表現(xiàn)出“單峰”性，“峰值”出現(xiàn)在隧道的對(duì)稱面上；4）大面積擠淤換填軟基加固施工引起管片頂部、底部以及地表沉降范圍約為評(píng)估斷面前后40 m；5）評(píng)估斷面地表最大沉降值為3.9 mm，管片頂部位置最大沉降值為1.8 mm，管片底部位置最大沉降值為1.7 mm；管片結(jié)構(gòu)變形滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

表2 車(chē)站及隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

圖4 地鐵20號(hào)線在機(jī)械靜壓下沉降曲線圖

圖5 地鐵20號(hào)線在擠淤換填下沉降曲線圖

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

地鐵20號(hào)線管片結(jié)構(gòu)變形需滿足地鐵隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力增量控制標(biāo)準(zhǔn)。C50混凝土極限抗拉強(qiáng)度為 3.1 MPa，彎曲及偏心受壓容許應(yīng)力為 18.2 MPa［7］。

隧道管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要集中在拱部及腰部。地鐵20號(hào)線機(jī)重區(qū)間出入場(chǎng)線隧道管片主應(yīng)力增量峰值出現(xiàn)在隧道管片結(jié)構(gòu)腰部，其值為0.019 MPa，管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足表3所示控制標(biāo)準(zhǔn)［8］。

場(chǎng)地軟基處理地基加固施工完成后的盾構(gòu)法隧道管片結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6～7。

表3 既有鐵路隧道襯砌應(yīng)力增量控制標(biāo)準(zhǔn)

圖6 機(jī)重區(qū)間出入場(chǎng)線隧道管片最大主應(yīng)力云圖（Pa）

圖7 機(jī)場(chǎng)北站南端頭區(qū)間隧道管片最大主應(yīng)力云圖（Pa）

4 結(jié)論與建議

本文以擬建某機(jī)場(chǎng)T4航站區(qū)為工程背景，借助三維模型分析了盾構(gòu)法運(yùn)營(yíng)地鐵隧道在沿海地區(qū)淤泥區(qū)域機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程地基處理作用下的位移與內(nèi)力分布規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

1）盾構(gòu)法隧道的結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量集中出現(xiàn)在管片拱部和腰部，須對(duì)相應(yīng)位置進(jìn)行全施工過(guò)程監(jiān)測(cè)，并采取相應(yīng)的構(gòu)造保護(hù)措施；2）在隧道沿線兩側(cè)各30 m范圍，加強(qiáng)地鐵區(qū)間及車(chē)站結(jié)構(gòu)（從施工到運(yùn)營(yíng)）以及道床、軌道（鋪設(shè)完畢后）變形監(jiān)控量測(cè)；3）施工過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格控制旋噴樁及攪拌樁與地鐵結(jié)構(gòu)間的安全距離，水平距離不得小于8 m，豎向距離不得小于3 m，施工中必須嚴(yán)格按圖施工，不得隨意加大注漿壓力及樁長(zhǎng)；4）應(yīng)該嚴(yán)格控制履帶式挖掘機(jī)等重型施工器械與地鐵結(jié)構(gòu)的安全距離及滯留時(shí)間，制定合理的施工路徑與工籌計(jì)劃。