南京地鐵三號線白雨區(qū)間下穿寧蕪鐵路沉降控制分析

陳小娟

(南京地下鐵道有限責任公司)

南京地鐵三號線白雨區(qū)間下穿寧蕪鐵路沉降控制分析

陳小娟

(南京地下鐵道有限責任公司)

南京地鐵三號線白雨區(qū)間需下穿運營中的寧蕪鐵路，寧蕪鐵路為碎石道床，為保證隧道施工過程中鐵路的安全，通過大型非線性有限元Abaqus分析了盾構(gòu)穿越過程中的沉降特性，得出模擬分析道床沉降結(jié)果并提出穿越過程對沉降變形的工程控制措施。

寧蕪鐵路;模擬分析;沉降變形;控制措施

1 工程概況

南京地鐵三號線線路在雨花門站前先后下穿寧蕪鐵路，地鐵區(qū)間隧道在該段擬采用盾構(gòu)法施工，在施工過程中，要采取有效措施，確保鐵路結(jié)構(gòu)安全及正常運營。

通過有限元計算分析方法，推斷出地鐵施工過程的影響程度，并結(jié)合我國當前盾構(gòu)下穿運營中的鐵路或者地鐵隧道的工程實例所采取的措施，經(jīng)綜合分析比較后，提出有針對性的鐵路保護措施。

2 地質(zhì)概況

根據(jù)勘察揭示的地層結(jié)構(gòu)和地下水的賦存條件，本段地下水類型主要為松散地層中的孔隙水，其次為基巖裂隙水。

2.1 松散地層的孔隙水

松散地層中的孔隙水是本段地下水的主要類型，根據(jù)其埋藏條件和水力性質(zhì)，可以劃分為上層滯水、淺層潛水、弱承壓水。

(1)上層滯水。

勘探揭示，上層滯水主要分布于人工填土層。

(2)淺層潛水。

勘探揭示，淺層潛水主要分布秦淮河古河道漫灘、坳溝范圍，含水層包括人工填土層、中—晚全新世沖淤積成因的砂性土層和軟弱粘性土層。

2.2 基巖裂隙水

分布于江寧路中段、晨光巷一帶的安山巖中，淺部巖層風化強烈，已呈砂土混碎塊狀，部分地段中風化巖巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在裂隙水。

土層及巖層的基本物理力學參數(shù)如下:第1層為雜填土，含水量為31%，土重度為 19.4 kN/m3，孔隙比為 0.780，塑性指數(shù)為 13.8，粘聚力為 29.1 kPa，內(nèi)摩擦角為 13.5°;第2層為素填土，含水量為27.2%，土重度為19.4 kN/m3，孔隙比為 0.781，塑性指數(shù)為 14.6，粘聚力為 25.0kPa，內(nèi)摩擦角為16.1°;第3 層為粉質(zhì)粘土，含水量為 28.0%，土重度為19.5 kN/m3，孔隙比為 0.779，塑性指數(shù)為 14.4，粘聚力為25.0 kPa，內(nèi)摩擦角為 15.1°;第 4 層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，含水量為36.2%，土重度為18.5 kN/m3，孔隙比為1.006，塑性指數(shù)為 14.4，粘聚力為 17.9 kPa，內(nèi)摩擦角為 11.1°;第 5 層為強風化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖泥巖，粘聚力為39.0 kPa，內(nèi)摩擦角為 20.2°。

3 盾構(gòu)隧道上方地層沉降成因

地表變形是由于盾構(gòu)法施工而引起隧道周圍土體的松動和沉陷，它直觀表現(xiàn)為沉降或隆起。受其影響隧道附近地區(qū)的構(gòu)筑物將產(chǎn)生變形、沉降或變位，以至使構(gòu)筑物機能遭受破損或破壞。

3.1 土體損失

隧道的挖掘土量常常由于超挖等原因而比按照隧道斷面積計算出的土量大得多，這樣，就使隧道與襯砌之間產(chǎn)生空隙。在軟粘土中空隙會被周圍土壤及時填充，引起地層運動，產(chǎn)生施工沉降(也稱瞬時沉降)。

3.2 固結(jié)沉降

由于盾構(gòu)推進過程中的擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用，對地層產(chǎn)生擾動，使隧道周圍地層產(chǎn)生正、負超孔隙水壓力，從而引起地層沉降稱為固結(jié)沉降。

3.3 長期延續(xù)沉陷

指盾構(gòu)通過后在相當長一段時間內(nèi)仍延續(xù)著的沉降。

4 模擬分析結(jié)果

采用大型有限元通用軟件Abaqus進行數(shù)值模擬分析，采用摩爾—庫侖模型模擬土層，采用線彈性模型模擬管片，土層的破壞準則是張拉剪切組合的Mohr-Coulomb準則。計算結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 地應力平衡階段整體地應力分布

圖2 開挖完成后整體豎向位移

經(jīng)上述模擬分析可以看出，在盾構(gòu)隧道雙線全部通過鐵路斷面后地面沉降約為4 mm。

5 對鐵路保護的處理措施

5.1 加強施工監(jiān)測

監(jiān)測是施工效果的直接反映，是地鐵盾構(gòu)施工中對重要建筑物進行保護的重要手段。所謂信息化施工是指通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋分析，判斷當前的施工狀況是否科學合理，及時發(fā)現(xiàn)工程中存在的問題，為采取有效的防范措施提供基礎信息，指導施工安全順利進行。監(jiān)測內(nèi)容包括:(1)垂直沉降;(2)水平位移;(3)軌道左右兩側(cè)高差;(4)土體位移。

5.2 優(yōu)化盾構(gòu)推進參數(shù)

盾構(gòu)施工對周邊土層影響程度受控因素很多，如土倉壓力、推進速度、總推力、出土量、刀盤轉(zhuǎn)速、注漿量和注漿壓力等施工參數(shù)，針對優(yōu)化施工參數(shù)選擇主要施工措施可以歸納如下。

控制出碴量:通過加氣保壓使土倉內(nèi)壓力值保持恒定，盡量將其波動值控制在最小范圍內(nèi)以確保開挖面的穩(wěn)定;嚴格控制出土量，根據(jù)以往施工經(jīng)驗及現(xiàn)有地層特點嚴格控制出碴量。

加強碴土改良:適當增加泡沫劑及水的用量，根據(jù)掘進情況及時調(diào)整加入量。

控制掘進速度:盾構(gòu)下穿時，嚴格控制掘進速度，避免出現(xiàn)速度的較大波動，將對地層的擾動降至最小。

5.3 嚴格控制盾構(gòu)推進姿態(tài)

對盾構(gòu)掘進進行嚴格的線形控制和姿態(tài)控制，姿態(tài)調(diào)整不宜過大、過頻，減少糾偏，特別是較大糾偏，姿態(tài)調(diào)整控制在±5 mm范圍內(nèi)，以避免對土體的超挖和擾動。

5.4 對道床路基進行加固處理

在盾構(gòu)通過前對道床下部土體進行注漿加固，道床兩側(cè)沿鐵路兩側(cè)進行旋噴樁加固。在盾構(gòu)通過時視具體情況對鐵路基礎進行跟蹤注漿。

5.5 確保同步及二次注漿的注漿量及注漿壓力

確保同步注漿質(zhì)量和數(shù)量，防止地層變形、提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、改善結(jié)構(gòu)受力情況，防止較大沉降的發(fā)生，確保管片圍巖間隙及時充填密實，同時結(jié)合下穿段具體地質(zhì)情況確保注漿量及注漿壓力。

5.6 快速通過

眾所周知，在隧道開挖過程中洞身圍巖塑性區(qū)的發(fā)展是具有一定滯后性的。換言之，在圍巖塑性區(qū)得到完全發(fā)展之前迅速通過后，隨即向尚未為軟土變形所填充的管片背后空隙中充分注漿，如此一來可有效控制隧道上方覆土沉降。然而要引起重視的是快速的通過并不是指單純的加大盾構(gòu)推力，加快掘進速度，而是指通過快速的完成管片拼裝的方式來減少盾構(gòu)停機的時間。

5.7 建立專項安全施工方案、專項安全應急預案

為了及時、有序、有效地控制施工過程中可能發(fā)生的安全事故，根據(jù)《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》等相關條例的要求，結(jié)合施工實際，制定了專項安全施工方案和專項安全應急預案。

5.8 對盾構(gòu)通過期間的鐵路保護

根據(jù)過往的工程經(jīng)驗建議按如下限制進行控制:

(1)鐵路軌面沉降最大允許值:-10 mm;

(2)相鄰兩股鋼軌不均勻沉降最大允許值:6 mm;

(3)相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過5 mm。

上述監(jiān)測數(shù)據(jù)一旦超過限值時，需對軌道進行調(diào)整或采取限速措施。

5.9 鐵路沉降后的處理措施

通過墊渣起道作業(yè)，調(diào)整碎石道床高度，可有效解決鐵路沉降問題。

6 結(jié)論

(1)目前國內(nèi)盾構(gòu)施工技術(shù)能夠保證在鐵路運營與安全不受影響的前提下順利完成下穿鐵路隧道的施工。

(2)有限元及理論公式的計算表明，考慮目前對地層損失及擾動所能達到的的技術(shù)水平，下穿鐵路隧道期間引起的地面沉降不超過5 mm時，能夠確保鐵路運營與安全不受影響。

［1］呂培林，周順華.軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律分析［J］.中國鐵道科學，2007，28(2).

［2］佘才高.地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路的安全措施［J］.城市軌道交通研究，2009，12(4).

U416.1

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1008-3383(2012)02-0014-02

2011-12-10

陳小娟(1984-)，女，江蘇鹽城人，本科，助理工程師，主要從事工程管理工作。