楊建烽

(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)

隨著我國(guó)交通設(shè)施的發(fā)展，大跨度隧道下穿既有鐵路工程給既有線路變形控制帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。變形原因除施工的直接影響外，還有下穿施工擾動(dòng)帶來(lái)的穿越地層排水固結(jié)因素。其中后者是由于施工擾動(dòng)導(dǎo)致的超孔隙水壓消散，固結(jié)變形過(guò)程與地層損失造成的沉降相比緩慢且變形更大[1]，因此有必要從下穿施工擾動(dòng)引起的地層再固結(jié)角度對(duì)路基沉降與地層超孔隙水壓力間聯(lián)系進(jìn)行研究，分析路基穩(wěn)定影響。

1 工程概況

國(guó)內(nèi)一某擬建大跨度城際鐵路隧道在軟土地層中下穿上方運(yùn)營(yíng)鐵路，前期根據(jù)下穿開(kāi)挖影響比選采用復(fù)合式襯砌的支護(hù)形式[2]。新建隧道的斷面信息及支護(hù)形式見(jiàn)表1。

表1 大跨度隧道斷面及支護(hù)形式

2 固結(jié)原理及模型

本文計(jì)算采用有限元計(jì)算軟件Midas GTS NX，地層的滲透固結(jié)模擬基于Biot固結(jié)理論。

2.1 Biot固結(jié)方程

(1)

Biot假定土體為連續(xù)介質(zhì)，從其基本方程出發(fā)，建立了可反映孔隙水壓力消散與土體變形間耦合感化的固結(jié)理論，如式(1)[3]，包括4個(gè)偏微分方程，式中位移u是關(guān)于坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)。

2.2 數(shù)值模型

在前期用于分析施工影響的三維模型基礎(chǔ)上，選取一個(gè)典型縱斷面建立長(zhǎng)120 m、高80 m的平面模型，見(jiàn)圖1，其中水位設(shè)置在地表0 m處，隧道拱頂埋深22 m。采用實(shí)體平面應(yīng)變單元模擬圍巖、土體、路基及隧道襯砌。左右、底面設(shè)置法向位移邊界，軟黏土及不透水層之間設(shè)置排水邊界。

圖1 固結(jié)二維數(shù)值模型

2.3 模型參數(shù)及計(jì)算步序

模型中涉及的圍巖及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)如表2。其中黏土層各向滲透系數(shù)為2.95×10-9m·s-2，風(fēng)化巖層不透水。

表2 圍巖及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

大跨度隧道下穿后固結(jié)的模擬過(guò)程包括4個(gè)關(guān)鍵計(jì)算步：①建立初始應(yīng)力場(chǎng)；②增添鐵路路基，并完成地層固結(jié)；③模擬隧道下穿施工；④設(shè)置時(shí)間步，使超孔隙水壓力降低，模擬工后沉降。

3 模擬結(jié)果及分析

隧道的下穿施工會(huì)對(duì)土體及賦存水壓環(huán)境帶來(lái)擾動(dòng)，提高了圍巖的超孔隙水壓，而后期的水壓消散將伴隨著上伏路基的沉降變形，因此通過(guò)研究隧道圍巖的超孔隙水壓消散與路基變形的過(guò)程建立兩者間的聯(lián)系。

3.1 開(kāi)挖引起的超孔隙水壓

天然狀態(tài)下，土體內(nèi)超孔隙水壓力為0。在黏土層上方施作了不透水的鐵路路基后，黏土的超孔隙水壓受荷穩(wěn)定后會(huì)維持在一個(gè)定值，對(duì)比其與隧道開(kāi)挖后引起的最大水壓狀態(tài)(圖2)進(jìn)行隧道下穿施工引起超孔隙水壓變化的分析。

圖2 隧道開(kāi)挖后最大超孔隙水壓力狀態(tài)

經(jīng)計(jì)算施作鐵路路基固結(jié)后的超孔隙水壓均為負(fù)壓，最大-97.5 kPa。而從圖2由下穿施工引起的超孔隙水壓區(qū)域可以看出：隧道開(kāi)挖后對(duì)上下引起的超孔隙水壓為負(fù)壓，降低了原賦存水壓；對(duì)隧道兩側(cè)圍巖引起正壓，相比原穩(wěn)定水壓(-77.9 kPa)增加59.4 kPa。同時(shí)兩側(cè)及底部的水壓增量比上部區(qū)域大。另外由大斷面開(kāi)挖引起的超孔隙水壓力變化區(qū)域集中在隧道斷面周?chē)s1～1.5倍洞徑的圍巖區(qū)域內(nèi)，越靠近隧道，水壓增量越大，其余不透水層幾乎無(wú)變化。

3.2 超孔隙水壓消散過(guò)程

在具體施工過(guò)程中，大斷面開(kāi)挖及初支過(guò)程會(huì)引起最大的水壓力增量，而施作二襯后將開(kāi)始消散，因此對(duì)不同位置的超孔隙水壓力消散過(guò)程進(jìn)行研究。研究的節(jié)點(diǎn)選擇如圖2中A-C所示，研究的固結(jié)時(shí)間從最大水壓力狀態(tài)開(kāi)始，由0～360 d不等，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的超孔隙水壓消散過(guò)程如圖3所示。

圖3 各節(jié)點(diǎn)超孔隙水壓力消散過(guò)程

從圖3中可以看出各節(jié)點(diǎn)處的超孔隙水壓均向路基穩(wěn)定后的地層狀態(tài)趨近；下穿施工后的30 d內(nèi)水壓變化速度最快，30 d時(shí)各節(jié)點(diǎn)的超孔隙水壓增量減小約50%～60%；施工后約180 d時(shí)超水壓基本穩(wěn)定。分別位于隧道圍巖上、下方的A、C組點(diǎn)的超孔隙水壓增加，位于兩側(cè)的B組點(diǎn)減小，其中下方C組點(diǎn)由正超水壓變化為負(fù)超水壓。各組點(diǎn)中靠近隧道襯砌的1號(hào)點(diǎn)變化量均最大。

3.3 路基沉降過(guò)程

取填筑的鐵路路基表面沉降作為研究對(duì)象，研究沉降曲線在下方地層固結(jié)沉降過(guò)程中的變化規(guī)律，見(jiàn)圖4。可以看出路基受到影響而沉降的范圍在下穿節(jié)點(diǎn)前后30 m范圍；下穿施工引起的沉降為-2.65 cm，施工30 d時(shí)沉降約為總沉降的40%；后期180 d時(shí)固結(jié)沉降基本穩(wěn)定在19～20 cm，固結(jié)沉降量約為施工沉降的6倍。

圖4 路基沉降過(guò)程

由圖5可以看出，超孔隙水壓的消散過(guò)程與路基的固結(jié)沉降穩(wěn)定過(guò)程基本吻合，在180 d左右達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定。

圖5 路基沉降與超孔隙水壓力消散對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)模擬大跨度隧道下穿施工后路基固結(jié)沉降的過(guò)程，研究地層中的超孔隙水壓力狀態(tài)，得出結(jié)論：隧道開(kāi)挖引起的超孔隙水壓力變化區(qū)域在斷面附近約1～1.5倍洞徑范圍內(nèi)，越靠近隧道，超水壓增量越大；施工擾動(dòng)后地層固結(jié)引起路基沉降量約是施工瞬時(shí)引起沉降量的6倍；超孔隙水壓的消散歷程與路基的沉降穩(wěn)定過(guò)程在變化趨勢(shì)與各時(shí)段的變化百分比上基本吻合。