鄧曉飛 解冰冰
隨著城市軌道交通工程的快速發(fā)展,盾構(gòu)隧道施工不可避免的需要穿越既有建筑物,降低盾構(gòu)穿越施工引起的地層響應(yīng),對維持既有建筑物的穩(wěn)定至關(guān)重要。本文依托合肥地鐵2號線盾構(gòu)隧道下穿淮南線與合寧繞行線鐵路工程,采用MIDAS-GTS有限元分析軟件,分析了盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基引起的地層變形特征,提出了相應(yīng)的地表沉降控制方法,研究成果可為相關(guān)工程提供借鑒。
隨著我國城市建設(shè)水平的快速推進,城市軌道交通扮演著越來越重要的角色,而盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用于相關(guān)隧道工程的修建。隨著地表建筑物數(shù)量日益增多,盾構(gòu)隧道近距下穿既有建筑物的情況不可避免,而掘進施工誘發(fā)的地表沉降對既有結(jié)構(gòu)影響顯著。因此,準確評估盾構(gòu)下穿施工引起的地層變形規(guī)律,提出相應(yīng)的控制措施,能夠有效降低施工擾動對既有結(jié)構(gòu)的影響。
本研究以合肥地鐵2號線盾構(gòu)隧道下穿淮南線與合寧繞行線鐵路工程為依托,采用MIDAS-GTS軟件,建立三維有限元模型,分析盾構(gòu)下穿鐵路施工引起的地層變形規(guī)律,并改進peck沉降計算公式,研究成果可為相關(guān)工程提供參考依據(jù)。
合肥地鐵2號線東延線工程于三十埠站至護城路站區(qū)間隧道下穿三十埠跨淮南鐵路橋和淮南線與合寧繞行線鐵路路基。區(qū)間縱斷面整體呈V型坡,出三十埠站后設(shè)4段下坡,分別為28‰、5‰、20‰、5‰,到達線路最低點;之后設(shè)置3段上坡,分別為3.66‰、15‰、25‰,進入護城路站。穿越地層主要為不透水硬塑狀黏土層。
區(qū)間線路長1841.943m(右線),線間距10~28米,隧道埋深約9.6~28m。隧道整體采用盾構(gòu)法施工。
區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基的位置關(guān)系如圖1所示,地鐵區(qū)間線路為東西走向,鐵路為西北-東南走向,區(qū)間隧道與鐵路法線夾角約43°。在下穿范圍內(nèi),地鐵左右線的線間距約為10m,隧道與路基豎向距離24.3m。
圖1 道岔與區(qū)間隧道相對位置圖
盾構(gòu)隧道主要穿越土層為少水硬塑狀黏土,層位穩(wěn)定,連續(xù),層厚較大,一般厚30~35m。
盾構(gòu)圓形隧道限界為Φ5400mm,根據(jù)國內(nèi)相似地鐵工程盾構(gòu)隧道穿過軟弱地層已有的設(shè)計、施工及運營經(jīng)驗,考慮綜合施工誤差為±100mm,后期沉降50mm,襯砌環(huán)內(nèi)徑可采用Φ5500mm的襯砌環(huán)內(nèi)徑。
計算分析采用MIDAS GTS軟件構(gòu)建數(shù)值模型,主要假設(shè)如下:
(1)假定開挖地層各向同性且連續(xù)均勻分布,土體采用修正Mohr-Coulomb模型。
(2)盾構(gòu)、管片以及基坑圍護結(jié)構(gòu)均采用板單元,用線彈性材料模擬。
(3)忽略地下水的滲流作用
(4)模型四周邊界采用單向鉸支約束,下表面采用三向鉸接約束,上表面為自由面。
(5)先進行開挖,再以原場應(yīng)力20%的標準進行應(yīng)力釋放,然后施加支護并釋放剩余應(yīng)力,同時添加地面活荷載20kPa與軌道荷載70kPa。
盾構(gòu)下穿淮南線(合寧繞行線),綜合采取加強盾構(gòu)外壁與土體之間間隙的注漿(特殊漿液)、控制掘進速度,同步注漿及其他措施,地層損失率可進一步降低,計算分析中采用5‰的地層損失率來計算,考察盾構(gòu)隧道施工對鐵路普速路基及道岔區(qū)的變形影響。
本次計算分析結(jié)合合肥地層及施工經(jīng)驗,選擇適用于合肥地層典型的地層損失率,對盾構(gòu)施工的影響進行三維分析。應(yīng)力釋放系數(shù)在開挖階段選取0.2,拼裝盾構(gòu)管片完成階段選取0.8。主要的土體材料見表1。
表1 材料參數(shù)
模型采用GTS NX模塊進行三維分析,分析部參照實際開挖步序。有限元模型如圖所示,模型長、寬、高分別為270m×1250m×60m。模擬過程按照先開挖左線隧道,后開挖右線隧道的順序展開,隧道模型整體穿越既有鐵路路基,其他相關(guān)風險源進行著重選取,模型詳見圖2。
圖2 區(qū)間隧道下穿淮南線與合寧繞行線三維模型
(1)地層沉降分析
區(qū)間隧道施工后的地層變形及路基云圖如圖3、4、5所示:
圖3 水平位移云圖
圖4 垂直位移云圖
圖5 淮南線及合寧繞行線路基沉降云圖
經(jīng)計算結(jié)果可知,淮南線與合寧繞行線路基最大豎向位移5.12mm,水平位移0.348mm;鐵路路基坡腳沉降值為3.5mm,滿足安全要求。北側(cè)道岔(8號道岔) 最大沉降0.923mm,南側(cè)道岔(4號道岔)最大沉降 0.428mm;接觸網(wǎng)立柱最大沉降為3.465mm,最大差異沉降為1.265mm,均滿足控制要求。
(2)地層變形分析
為了進一步分析盾構(gòu)施工在一定范圍內(nèi)對鐵路路基產(chǎn)生影響,結(jié)合樹脂分析結(jié)果繪制沉降曲線。通過路基沉降曲線可知,盾構(gòu)開挖在距離路基40m左右的位置開始對鐵路路基產(chǎn)生影響,在離開鐵路路基40m左右的位置影響幾乎為零。
根據(jù)模擬結(jié)果可知,盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程中地層損失率控制在0.4%~0.5%以內(nèi)時能夠有效降低地層變形對既有鐵路線及相關(guān)建筑物的影響。
盾構(gòu)隧道穿越段沿管片環(huán)向增設(shè)二次補償注漿孔,根據(jù)實際的監(jiān)測結(jié)果按需求及時開展二次補充注漿。如果需要增強注漿效果,可通過在周邊地層預(yù)設(shè)注漿孔對周邊土體進行注漿加固,以此達到控制土體沉降與變形。
列車限速60km/h,減速慢行。并根據(jù)鐵路線路監(jiān)測數(shù)據(jù)實時變化情況及時調(diào)整列車通行速度。
施工期間,防護人員加強養(yǎng)護措施,及時檢查線路狀況,出現(xiàn)異常時能夠立即采取控制措施。
為了確保盾構(gòu)推進的安全性,在盾構(gòu)穿越既有鐵路線時必須進行實時監(jiān)測。對于盾構(gòu)施工中沉降量變化幅度較大部位,根據(jù)實際情況提高監(jiān)測頻率,確保監(jiān)測結(jié)果的準確性。
本文依托合肥地鐵2號線盾構(gòu)隧道下穿淮南線及合寧繞行線工程,采用數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層變形特征,提出了工程控制措施,主要結(jié)論如下:
(1)盾構(gòu)隧道施工階段數(shù)值模擬采用5‰的地層損失率進行計算對鐵路路基及道岔區(qū)的變形影響,采用開挖荷載釋放0.2,拼裝盾構(gòu)管片荷載釋放系數(shù)0.8,結(jié)果表明地表位移計算值與沉降值接近,參數(shù)擬合合理。
(2)運用GTS NX模擬隧道開挖,通過路基沉降曲線發(fā)現(xiàn),距路基40m位置開始對路基產(chǎn)生影響,在離開鐵路路基40m左右的位置幾乎無影響。
(3)通過采取一系列控制措施,使施工達到盾構(gòu)穿越鐵路變形控制的要求,使沉降在安全范圍之內(nèi),在不影響周圍構(gòu)筑物的前提下保證施工順利進行。