陳 凡,王士民,謝金池,劉川昆

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

引言

伴隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的日益加快，地下軌道交通以其運(yùn)量大、速度快、安全可靠、準(zhǔn)點(diǎn)舒適等優(yōu)點(diǎn)成為緩解大城市交通擁擠的有效方式。但當(dāng)隧道穿越一些特殊復(fù)雜地層時(shí)，由于列車在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)荷載，可能會(huì)嚴(yán)重影響盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全，其中過(guò)量的地層沉降就是影響因素之一。例如廣州地鐵2號(hào)線2003年在地鐵列車荷載作用下最大沉降量達(dá)16 cm，個(gè)別區(qū)段最大不均勻沉降量達(dá)到30 cm[1]；上海地鐵1號(hào)線部分區(qū)段隧道沉降量已超過(guò)26 cm，引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[2]。

國(guó)內(nèi)在列車動(dòng)荷載方面主要考慮結(jié)構(gòu)和土層的動(dòng)響應(yīng)與長(zhǎng)期沉降兩方面。在結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境對(duì)列車振動(dòng)荷載的動(dòng)響應(yīng)方面，張曦等[3]研究了隧道周圍飽和軟黏土的動(dòng)力響應(yīng)；王祥秋等[4]研究了隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)；楊文波等[5]采用頻率響應(yīng)函數(shù)FRF分析了盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)與周圍土體不同位置處的動(dòng)力響應(yīng)及其衰減規(guī)律；黃強(qiáng)等[6]基于車輛-軌道-隧道-地基模型，詳細(xì)分析了地鐵振動(dòng)荷載對(duì)列車、軌道、地基各子模型的影響。田甜等[7]對(duì)襯砌在速度300 km/h列車荷載作用下的加速度響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)襯砌振動(dòng)測(cè)試和數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證動(dòng)力計(jì)算模型的可靠性。王海龍等[8]研究了施工方法、夾層厚度及列車軸重對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降變形、振動(dòng)響應(yīng)影響規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。晏偉光[9]通過(guò)有限元模型計(jì)算，對(duì)不同列車軸重下重載鐵路隧底結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析對(duì)比。張志華等[10]以離散元為工具，借助室內(nèi)三軸試驗(yàn)分析對(duì)比長(zhǎng)江流域常年水位與洪水位下隧道管片的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期沉降計(jì)算方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于經(jīng)驗(yàn)擬合公式提出長(zhǎng)期動(dòng)荷載作用下土層累積變形計(jì)算方法，Monismith等[11]提出加載變化指數(shù)模型，之后多位學(xué)者對(duì)該模型進(jìn)行了修正。王鑫等[12]利用中厚圓柱殼理論建立隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程，采用Navier波動(dòng)理論描述隧道周圍土體，使用頻散特征方程計(jì)算，并與基于薄殼理論和有限元理論的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。劉明等[13]建立了K0固結(jié)條件下軟黏土的不排水累積應(yīng)變與累積孔壓實(shí)用計(jì)算公式，并建立了土層沉降簡(jiǎn)化計(jì)算方法。黃茂松等[14]在考慮飽和軟黏土循環(huán)荷載影響下，以軸向循環(huán)塑性累積應(yīng)變及第一次軸向循環(huán)塑性累積應(yīng)變與圍壓歸一化為基礎(chǔ)，提出了計(jì)算飽和軟黏土軸向循環(huán)塑性累積應(yīng)變顯式模型。唐益群等[15]采用有限元方法模擬列車振動(dòng)引起的隧道及周圍軟黏土長(zhǎng)期沉降。張東梅等[16]在研究地鐵振動(dòng)對(duì)隧道及地層的影響過(guò)程中，考慮了地鐵列車振動(dòng)與地下水滲流耦合作用。此外，婁國(guó)充[17]研究了隧道下穿對(duì)公路路基變形及鐵路線路沉降的影響，雷華陽(yáng)等[18]利用數(shù)值模擬研究了不同速度地鐵列車荷載作用的軟土層沉降特性。

目前針對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的列車振動(dòng)響應(yīng)主要集中在單一地層，鮮少對(duì)比分析地層加固前后的隧道結(jié)構(gòu)及周圍地層的動(dòng)力響應(yīng)特性與相應(yīng)的變化規(guī)律。為此，依托佛山地鐵2號(hào)線，通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)試原狀土和改良土體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并建立ANSYS三維計(jì)算模型，對(duì)比不同加固改良方案下隧道結(jié)構(gòu)及地層應(yīng)力、位移動(dòng)響應(yīng)特征，分析其對(duì)盾構(gòu)隧道土層長(zhǎng)期沉降的影響，為土層加固改良施工和隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定提供依據(jù)。

1 工程概況

佛山地鐵2號(hào)線盾構(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、中粗砂可液化地層(圖1)，距離樁基凈距為7.6 m，隧道埋深約16.8 m。根據(jù)沿線建(構(gòu))筑物保護(hù)分類原則規(guī)定，需做主動(dòng)加固處理控制地層變形，通過(guò)采用洞內(nèi)注漿加固方式，改善開(kāi)挖面土體性能。區(qū)間隧道與文登公路涵松木樁平面上基本呈正交，區(qū)間隧道與樁基剖面關(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與樁基剖面關(guān)系(單位：m)

2 動(dòng)三軸試驗(yàn)

可液化砂土在動(dòng)荷載作用下土體易產(chǎn)生軟化效應(yīng)，從而喪失其原有強(qiáng)度而轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)，即地層強(qiáng)度弱化現(xiàn)象，其主要力學(xué)特征體現(xiàn)在土體強(qiáng)度的大幅度喪失。所以，選取可液化砂土土層的靜力參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)規(guī)律研究顯然與實(shí)際有較大偏差，故通過(guò)模擬列車振動(dòng)對(duì)砂土原狀土及改良土體試樣進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，以期獲得土體在振動(dòng)作用下的動(dòng)抗剪強(qiáng)度、動(dòng)阻尼比等動(dòng)參數(shù)，并探究摻加超細(xì)水泥對(duì)土體動(dòng)剪切模量、阻尼比的影響，為砂土的改良提供參考測(cè)試相關(guān)動(dòng)力參數(shù)，同時(shí)為砂土地段的工程列車抗振設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

圖2為動(dòng)三軸試驗(yàn)過(guò)程，將制備好的土樣包裹橡皮膜后安裝于動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆芯(φ39.1 mm×80 mm)采集土體樣本，并于試驗(yàn)室分別對(duì)原狀土樣、重塑改良土樣進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。

圖2 動(dòng)三軸試驗(yàn)過(guò)程

其中3組重塑改良土每立方米土樣中分別加入強(qiáng)度等級(jí)為32.5的超細(xì)水泥，質(zhì)量分別為200，300 kg和400 kg，用于評(píng)估佛山地鐵2號(hào)線沿線液化砂土在改良前后的動(dòng)力學(xué)特性。對(duì)于原狀土和3種加固方案的土樣動(dòng)三軸試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 動(dòng)三軸試驗(yàn)方案

具體試驗(yàn)方案如下。

動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)：分別施加圍壓98，200，300 kPa進(jìn)行排水固結(jié)2 h試驗(yàn)(固結(jié)比1.0)；試驗(yàn)過(guò)程不排水，破壞指標(biāo)以5%應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)。

阻尼比試驗(yàn)：不同圍壓98，200，300 kPa作用下做阻尼比試驗(yàn)，頻率為1 Hz，每種圍壓相應(yīng)動(dòng)態(tài)幅值下振動(dòng)20次，具體動(dòng)態(tài)幅值和對(duì)應(yīng)級(jí)數(shù)如表2所示。

表2 阻尼比試驗(yàn)振動(dòng)幅值 kPa

圖3表示原狀土樣在不同剪應(yīng)變下的動(dòng)剪切模量比[19]。通過(guò)加固試驗(yàn)可知，相同應(yīng)變下土體的動(dòng)剪切模量比隨著超細(xì)水泥摻加量的增加而增大。

圖3 G/Gmax-γ關(guān)系曲線

原狀土土樣的阻尼比λ與剪應(yīng)變?chǔ)弥g的變化關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，動(dòng)剪切應(yīng)變?chǔ)幂^大時(shí)，阻尼比λ逐漸趨于一個(gè)定值λmax。通過(guò)阻尼比試驗(yàn)可知，摻加超細(xì)水泥量越多的試樣，其最大阻尼比λmax越小。

圖4 λ-γ關(guān)系曲線

通過(guò)對(duì)砂土原狀土和不同方案下加固土分別進(jìn)行土的動(dòng)三軸試驗(yàn)，測(cè)試土體在振動(dòng)作用下的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，如動(dòng)剪切模量、阻尼比等，具體力學(xué)參數(shù)值見(jiàn)表3。參考動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果，選取不同加固方案的砂土地層動(dòng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

表3 動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果

3 列車振動(dòng)數(shù)值模擬

3.1 列車振動(dòng)波輸入

研究隧道周圍土體在列車振動(dòng)荷載下的沉降變形，首先要確定列車振動(dòng)荷載并進(jìn)行定量分析。目前，尚沒(méi)有能準(zhǔn)確反映列車荷載的數(shù)值計(jì)算方法，常用方法仍是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行頻譜分析，然后推導(dǎo)出列車的振動(dòng)荷載表達(dá)形式。選取潘昌實(shí)等[20]提出的激振函數(shù)來(lái)表達(dá)列車荷載，即

p(t)=p0+p1sinω1t+p2sinω2t+p3sinω3t

(1)

式中，P0為列車車輪靜載；Pi為相應(yīng)頻率的振動(dòng)荷載幅值；ωi為振動(dòng)圓頻率；M0為列車簧下質(zhì)量，αi為鋼軌基本振動(dòng)振幅；Li為鋼軌幾何不平順曲線波長(zhǎng)；v為列車行車速度。

根據(jù)B型地鐵列車參數(shù)，列車靜載按空車靜重計(jì)算，單輪載壓力37.5 kN，取列車簧下質(zhì)量M0為750 kg。根據(jù)鐵路運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，取其典型的不平順振動(dòng)波長(zhǎng)和相應(yīng)的矢高L1=10 m，α1=3.5 mm，L2=2 m，α2=0.4 mm，L3=0.5 m，α3=0.08 mm。

目前列車運(yùn)行的速度一般在30～90 km/h，選取4種列車行駛速度下的列車荷載，列車車速v取80 km/h，代入公式得到列車荷載的表達(dá)式為

p(t)=37 500+511.56sin13.96t+1 462sin69.81t+

4 678sin279.25t

(2)

沿縱向單側(cè)的列車荷載可按下式計(jì)算

F(t)=nNp(t)l/Lc

(3)

式中，n為單側(cè)每節(jié)車廂輪對(duì)數(shù)(取2)；N為地鐵列車的車輛數(shù)(取8)；l為模型節(jié)點(diǎn)間距；Lc為地鐵列車縱向長(zhǎng)度，取160 m。

計(jì)算模型中根據(jù)地鐵列車扣件上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值進(jìn)行加載，實(shí)際地鐵盾構(gòu)隧道中，扣件縱向間距一般為0.6 m，實(shí)際測(cè)量得到的扣件位置處受力隨時(shí)間的變化如圖5所示。根據(jù)模型節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度將列車振動(dòng)力等效到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，模擬了一列地鐵列車完全通過(guò)的過(guò)程，列車全車通過(guò)時(shí)間共10.235 s，共分成2 047個(gè)時(shí)間步，每個(gè)時(shí)間步間隔0.005 s。

圖5 列車振動(dòng)荷載時(shí)程曲線

3.2 有限元模型

土體、注漿層、管片及樁基選用三維實(shí)體單元模擬，模型上邊界為地面，左、右、下邊界滿足與隧道凈距均≥3D(D為管片外徑)要求，其尺寸為48 m(長(zhǎng))×24 m(寬)×37 m(高)。襯砌管片厚0.3 m，幅寬1.2 m，隧道埋深約16.8 m，有限元計(jì)算分析模型及模型各地層厚度如圖6、圖7所示。由于研究隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中列車振動(dòng)產(chǎn)生附加應(yīng)力和位移對(duì)結(jié)構(gòu)及地層環(huán)境的影響，因此，不考慮自重的作用以及盾構(gòu)隧道上部樁基本身受力情況。

圖6 隧道與樁基位置關(guān)系模型(單位：m)

圖7 盾構(gòu)周圍土體注漿加固模型(單位：m)

模型建立了約0.88 m厚度的道床，地鐵列車軌道位于道床上部中心線兩側(cè)，軌道間距1.435 m。通過(guò)在軌道節(jié)點(diǎn)上施加隨時(shí)間變化的等效力以模擬列車振動(dòng)的作用，如圖8所示。

圖8 隧道斷面列車荷載布置示意

列車振動(dòng)響應(yīng)模擬計(jì)算中，根據(jù)圖1地質(zhì)柱狀圖，有限元模型中自上而下取6種土(巖)層進(jìn)行計(jì)算，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。對(duì)應(yīng)各地層及盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 土體及襯砌結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.3 計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

根據(jù)列車振動(dòng)波特性主要選取2.245，3.110，3.965，5.48 s時(shí)隧道的位移和應(yīng)力等勢(shì)線圖，具體輸出節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)監(jiān)測(cè)部位，圖9(a)為監(jiān)視截面A-A截面，A-A截面為計(jì)算模型中間位置，由于隧道和地層結(jié)構(gòu)在空間上對(duì)稱，且列車作用荷載在左右兩隧道的受力變形一致，因此選取了右線隧道相關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。圖9(b)為隧道管片及道床在橫截面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布。選取了A-A斷面中豎直中心線以及隧道中心位置所在豎直線上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，圖10為地層監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況示意。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意

圖10 地層監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意

4 列車振動(dòng)響應(yīng)分析

4.1 加固前列車振動(dòng)響應(yīng)分析

4.1.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到隧道結(jié)構(gòu)未加固時(shí)，在列車振動(dòng)激勵(lì)時(shí)的應(yīng)力。選取2.245，3.110，3.965，5.48 s時(shí)主應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖11為管片在各工況下結(jié)構(gòu)主應(yīng)力取得最大值時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。在列車振動(dòng)荷載作用下，第一主應(yīng)力的絕對(duì)值在3.965 s時(shí)均取最大值，最大拉應(yīng)力值為1.53 MPa，第三主應(yīng)力的絕對(duì)值在3.110 s時(shí)均取最大值，最大壓應(yīng)力值為1.26 MPa。第三主應(yīng)力絕對(duì)值出現(xiàn)的位置基本位于道床以下管片位置。

圖11 管片結(jié)構(gòu)在列車振動(dòng)作用下應(yīng)力云圖

3.965 s時(shí)道床第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力在不同時(shí)刻的分布情況如圖12所示。在列車振動(dòng)荷載作用下，第三主應(yīng)力的絕對(duì)值在3.965 s時(shí)均取最大值，最大壓應(yīng)力值為1.13 MPa。由圖12可知，在列車荷載作用下道床結(jié)構(gòu)整體受力較小，以受壓為主，在道床結(jié)構(gòu)的軌道位置以及道床兩側(cè)應(yīng)力較集中。

圖12 道床結(jié)構(gòu)在列車振動(dòng)作用下應(yīng)力云圖

5.48 s時(shí)監(jiān)測(cè)斷面豎直方向及水平方向的地層位移云圖如圖13所示。豎直方向上，地層位移隨時(shí)間變化明顯，整個(gè)地層在大部分位置均產(chǎn)生了向下的位移，但是在局部位置地層會(huì)出現(xiàn)輕微隆起，隆起位置一般位于隧道兩側(cè)并距離隧道有一定距離的地表。最大地層沉降出現(xiàn)在5.48 s，位于隧道周圍，為3.92 mm。

圖13 監(jiān)測(cè)斷面地層位移云圖

水平方向上，當(dāng)兩隧道同時(shí)作用相同列車荷載時(shí)，整體上產(chǎn)生的地層水平位移都較小，最大的水平位移出現(xiàn)在5.48 s，為3.11 mm。比較兩隧道中間土層的水平位移分布情況可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩隧道同時(shí)存在列車荷載作用時(shí)，兩隧道會(huì)產(chǎn)生相互靠近的趨勢(shì)。

地層監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1～B5、C1～C4位移時(shí)程曲線如14所示。B1～B5位于左右兩隧道對(duì)稱平面內(nèi)，C1～C4位于右線隧道中心線所在的豎直平面內(nèi)。從整體上看，在列車荷載作用下，地層各深度處的豎向位移時(shí)程曲線差異較大，位于地表位置B1、C1處振動(dòng)幅值明顯大于其他深度處的地層位移，比較各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直位移時(shí)程曲線變化情況可以發(fā)現(xiàn)，埋深越深，振動(dòng)幅值相對(duì)越小。

道床監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直方向位移變化規(guī)律如圖15所示，由于道床的剛度較大，列車荷載作用時(shí)，道床出現(xiàn)整體下沉趨勢(shì)。道床各位置的豎向位移隨列車振動(dòng)荷載變化而變化，最大下沉值接近4.0 mm。

圖14 地層監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移

圖15 道床監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移

4.1.2 加固前長(zhǎng)期不均勻沉降分析

根據(jù)Monismith提出的土體長(zhǎng)期應(yīng)變隨加載次數(shù)變化的指數(shù)模型，結(jié)合本模型的計(jì)算結(jié)果，可得到列車荷載對(duì)隧道及周邊土體長(zhǎng)期沉降貢獻(xiàn)值，即

EP=ANb

(4)

式中，N為加載次數(shù)，考慮到列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)間及發(fā)車時(shí)間間隔，取8×104次/年，常數(shù)b取0.17，A為第1次加載后的土體應(yīng)變，通過(guò)有限元計(jì)算得到。鑒于應(yīng)變與位移呈線性相關(guān)，可以采用相同的方法推廣到拱底沉降的計(jì)算。拱底沉降s累計(jì)值按照下式計(jì)算。

EP=S0Nb

(5)

式中，So為第1次加載后的拱底位移，通過(guò)有限元計(jì)算得到，其余符號(hào)與公式(4)同。監(jiān)測(cè)點(diǎn)A4的拱底沉降可以得到，在約6 s列車振動(dòng)之后，整個(gè)結(jié)構(gòu)還會(huì)持續(xù)振動(dòng)一段時(shí)間，保守考慮6 s后拱底最大位移進(jìn)行計(jì)算，未加固時(shí)6 s后拱底的最大位移為0.6 mm，取作So；計(jì)算出在未加固時(shí)，隧道70年之后的沉降量為8.42 mm。

4.2 加固后列車振動(dòng)響應(yīng)分析

4.2.1 加固后結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移分析

為研究砂土地層加固后對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力和位移列車振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的每立方米原狀砂土加入強(qiáng)度等級(jí)為32.5的超細(xì)水泥，質(zhì)量分別為200，300，400 kg。

加固前后管片結(jié)構(gòu)、道床結(jié)構(gòu)的第三主應(yīng)力最大值及監(jiān)測(cè)斷面豎直方向與水平方向的位移最大值見(jiàn)表5。加固后管片結(jié)構(gòu)及道床結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力最大值均明顯減小，其中，方案3管片結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力由1.53 MPa減少到0.29 MPa，相比減少81.0%；管片第三主應(yīng)力由1.26 MPa減少到0.14 MPa，相對(duì)減少89.9%；道床結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力由1.13 MPa減至0.43 MPa，相比減少61.9%。此外，依照方案3加固地層，監(jiān)測(cè)斷面地層的豎直方向位移及水平方向位移分別減小了52.6%及56.3%。

表5 各加固方案前后應(yīng)力及位移對(duì)比

加固前后位移時(shí)程曲線的變化趨勢(shì)基本相同，道床出現(xiàn)整體下沉位移，各節(jié)點(diǎn)豎向位移基本一致。與加固前相比，采用3種加固方案后道床的下沉量明顯減少，道床監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直方向位移最大下沉量分別為1.57，0.91，0.86 mm，明顯小于加固前的4.0 mm最大下沉量；由于加固后地層進(jìn)行了改良，C1～C4的水平、豎直方向位移都明顯減少，其中方案3的水平、豎直方向位移減少均超過(guò)50%。

4.2.2 加固后長(zhǎng)期不均勻沉降分析

通過(guò)計(jì)算得到不同加固方案6 s后拱底的最大位移分別為0.28，0.23，0.22 mm，相對(duì)于加固前明顯減小。采用與加固前相同的指數(shù)模型計(jì)算得出加固前后隧道結(jié)構(gòu)在列車循環(huán)荷載作用下沉降隨時(shí)間的發(fā)展情況對(duì)比，加固前后沉降變化規(guī)律相似，加固后隧道結(jié)構(gòu)沉降在剛開(kāi)始幾年內(nèi)發(fā)展變化較快，隨后沉降發(fā)展逐漸減緩，時(shí)間越長(zhǎng)每年增加的沉降量越少。加固前后隧道結(jié)構(gòu)沉降隨時(shí)間的變化曲線如圖16所示，加固前結(jié)構(gòu)70年后的沉降為8.4 mm，而采取不同加固方案之后的隧道結(jié)構(gòu)70年后長(zhǎng)期沉降分別為3.9，3.2，2.85 mm。

圖16 加固前后隧道結(jié)構(gòu)沉降隨時(shí)間的變化曲線

5 結(jié)論

依托佛山地鐵2號(hào)線工程，通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)探明液化砂動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)不同注漿加固方案的變化規(guī)律，并依據(jù)試驗(yàn)測(cè)試的動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)果，建立三維有限元模型，對(duì)比分析隧道周圍土體加固前后在列車振動(dòng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論。

(1)采用注漿方式對(duì)液化砂土地層進(jìn)行改良加固，可有效增大土層的動(dòng)剪切模量比，減小土層最大阻尼比，隨著超細(xì)水泥摻量的增加，土樣所能承受的動(dòng)應(yīng)力顯著增大，砂土的抗液化性能增強(qiáng)。

(2)隨著單位體積液化砂土地層超細(xì)水泥摻量的增加，列車振動(dòng)作用下管片結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移均明顯減小，管片結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期沉降及周圍地層豎直方向、水平方向的位移均呈遞減趨勢(shì)。

(3)單位體積液化砂土地層中摻加超細(xì)水泥質(zhì)量為400 kg時(shí)，管片結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力分別減小了81%、89.9%，周圍地層豎直方向、水平方向的位移分別減小了52.6%、56.3%，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期沉降減小67.24%，加固改良效果顯著。