地鐵區(qū)間隧道合理地層加固范圍的研究

張 曉 君

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

地鐵區(qū)間隧道合理地層加固范圍的研究

張 曉 君

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

結(jié)合青島市某地鐵線路中下穿既有鐵路線的某一段區(qū)間隧道施工工程背景，采用有限元軟件MIDAS/GTS對不同地層加固工況進行數(shù)值模擬計算分析，為軟弱地層或較差地質(zhì)條件下淺埋暗挖隧道施工提供一些建議。

地鐵隧道，地表變形，沉降，地層加固

0 引言

隨著國家經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，人們對于交通出行的需求也與日俱增。目前解決該問題的主要方法是大量修建城市地鐵。在修建地鐵過程中，為了減少或者避免對城市地面交通的影響，暗挖法是修建城市地鐵主要采用的方法之一。結(jié)合青島市某地鐵中一段區(qū)間隧道工程實例，通過數(shù)值模擬計算比較了不同地層加固范圍下地表沉降結(jié)果，確定了合理的地層加固范圍，為同類型的城市淺埋大斷面軟弱圍巖地鐵區(qū)間隧道施工提供了建議以及指導(dǎo)。

1 工程概況

青島市某地鐵線路中一段區(qū)間隧道下穿既有鐵路線路。該區(qū)間隧道為曲線段，曲線半徑450 m，線間距約11 m～12 m。既有鐵路線為直線段，區(qū)間隧道與既有鐵路平面夾角約為42°。區(qū)間左右線隧道均以13‰的坡度下穿既有鐵路，該段區(qū)間隧道上覆巖土厚度約為9 m～11 m。

既有鐵路每日列車上行68列，下行69列，上行時速為95 km/h，下行時速為90 km/h；鋼軌是60 kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌，軌枕是ⅢA型軌枕，彈條Ⅱ型扣件，道床為一級道砟。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

隧道區(qū)間線路下穿既有鐵路線路，表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層，下伏燕山晚期不同風(fēng)化程度的花崗巖，局部糜棱巖、砂土狀碎裂巖及碎裂狀花崗巖發(fā)育，煌斑巖、花崗斑巖巖脈穿插。基地穩(wěn)固，地下水為基巖裂隙水，局部具弱承壓性，富水性一般貧～極貧，局部構(gòu)造發(fā)育地段，富水性貧～中等。

具體地層參數(shù)見表1。

表1 地層和材料參數(shù)

3 施工工法

為保證鐵路安全和正常使用，隧道下穿既有鐵路段采用臺階法施工，棘突施工步驟及參數(shù)如下:

1)施工拱部120°φ42 mm小導(dǎo)管注漿超前支護，長度L=3.5 m，水平傾角10°，環(huán)距0.3 m，縱向間距2.0 m。弱爆破開挖上臺階并施作初期支護，即初噴3 cm厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立鋼架，并設(shè)鎖腳錨桿，鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

2)在滯后上臺階一段距離后弱爆破開挖下臺階，臺階周邊部分初噴3 cm厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，接長鋼架，并設(shè)鎖腳錨桿，鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

3)待初期支護收斂后及時施作防水層、模筑二次襯砌，并進行襯砌背后回填壓漿，保證初期支護與二襯之間密實。

4)先施工一側(cè)隧道，待該隧道下穿膠濟鐵路段二次襯砌施作完成且混凝土強度達到設(shè)計要求后，方可開挖施工另一側(cè)隧道，以防止同時開挖左、右線隧道引起較大沉降。

4 數(shù)值模擬

出于偏安全方面的考慮，文中計算以地表面的沉降值為研究對象來評判線路的變形和沉降。在考慮地面動荷載時直接將動荷載等效荷載施加在地表面。采用地層—結(jié)構(gòu)模式進行相應(yīng)的分析，初期支護按主要承載結(jié)構(gòu)設(shè)計。取最不利斷面(即區(qū)間隧道與既有鐵路線相交處的隧道橫斷面)作為重點研究對象。

根據(jù)圍巖性質(zhì)和設(shè)計需要，并考慮開挖影響的范圍選取合理的區(qū)域和尺寸剪力計算模型，模型尺寸為寬×高=110 m×36 m，采用有限元軟件MIDAS/GTS進行二維模擬分析。

建立的模型地表面為自由面，四周采用單向變形約束條件，底部采用全約束條件。土體模型采用彈塑性理論計算并采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則。關(guān)于模型的荷載條件，路基頂面施加列車動荷載等效靜載及鋼軌重、軌道板、混凝土底座等靜載，采用無滲流模式并且采用不透水邊界條件。

計算結(jié)果見圖1。

隧道圍巖在右隧道下臺階開挖第四次擾動后，隧道上部土體產(chǎn)生的Y向位移云圖形狀同上部臺階開挖完畢后的基本相同，只是隧道拱底的地層位移變化范圍以及量值區(qū)間有較大變化。計算結(jié)果表明：右隧道拱頂沉降量值為21 mm，右隧道拱底隆起位移量值41 mm。

圖2表示的是：在右隧道開挖完畢后，在相距左右隧道中心線一定范圍內(nèi)地表面的沉降量值曲線圖，其中距離的“+”“-”分別表示左右隧道中間距處的正右方向和正左方向。整體位移云圖近似地呈現(xiàn)W形，在左右隧道中間距處地表面的沉降量值為25 mm，地表面最大沉降量值為27 mm，在左右隧道中間距處地表面右方2 m左右處；在距離該處0 m～4 m范圍內(nèi)地表面的沉降量值有所增加；在左右隧道中間距處的正右方向4 m～20 m范圍內(nèi)沉降量值呈現(xiàn)緩慢的減小，在相距20 m之外的區(qū)域地表面沉降量值呈現(xiàn)急劇地減小。在左右隧道中間距處的正左方向4 m～20 m范圍內(nèi)沉降量值呈現(xiàn)緩慢的減小，在相距20 m之外的區(qū)域地表面沉降量值呈現(xiàn)急劇地減小。

當(dāng)?shù)貙蛹庸谭秶^小時，注漿加固層不能夠有效地控制地層的沉降變形，造成更多的經(jīng)濟損失；當(dāng)?shù)貙蛹庸谭秶^大時，注漿量的增加不僅影響工期，而且增加了工程的成本，產(chǎn)生較差的經(jīng)濟和社會效益。針對這一問題，本模型選取了六種不同加固層的施工過程分別進行數(shù)值模擬計算。研究分析采取不同加固層范圍時，對周圍地層產(chǎn)生的加固效果，從而得到合理的加固層范圍，確保區(qū)間隧道開挖時引起的地表面沉降量值在允許的范圍之內(nèi)，為該類工程的設(shè)計和施工提供相關(guān)的數(shù)據(jù)和資料。建立模型時，所采用的七種加固層范圍是：4 m，3.5 m，3 m，2.5 m，2 m，1 m和未注漿加固。

圖3和圖4分別是在不同加固層范圍的工況下左右隧道拱頂沉降量值以及地表面最大沉降量值的曲線圖。

從圖中可以看出：

1)預(yù)先采取注漿加固措施對于控制地表面的沉降的效果是顯著的。隨著加固層范圍的增大，區(qū)間左右隧道拱頂以及地表面的沉降量值逐漸減小，最后趨于平緩。

2)隨著注漿加固層范圍的增大，區(qū)間左右隧道拱頂沉降量值逐漸減小。當(dāng)未采取注漿加固時，區(qū)間隧道拱頂沉降量值超過了沉降允許量值。在加固層范圍小于2.5 m時，隨著加固層范圍的擴大，區(qū)間隧道拱頂沉降量值降幅較大，達到5 mm左右。當(dāng)加固層范圍大于2.5 m時，隨著其值的增大，區(qū)間隧道拱頂沉降量值降幅減小，直至趨于平緩，即不再減小。這說明加固層范圍超過2.5 m時，該因素已經(jīng)不再是有效控制隧道拱頂沉降的關(guān)鍵因素。若是繼續(xù)增大范圍，所取得經(jīng)濟效益將大打折扣。因此可以得出：注漿加固層范圍取值2.5 m左右時，可以有效地控制隧道拱頂沉降量值，并且取得較好的經(jīng)濟效益。

3)隨著注漿加固層范圍的增大，地表面最大沉降量值逐漸減小。在加固層范圍小于3 m時，隨著加固層范圍的擴大，地表面最大沉降量值減小較快。這說明該階段加固層范圍的大小是影響地表面最大沉降量值的關(guān)鍵因素之一。在加固層范圍大于3 m時，曲線漸趨平緩。這表明該階段中加固層范圍的大小對于控制地表面沉降效果已經(jīng)不是很顯著。

5 結(jié)語

通過上述對比分析可以得出：

1)在隧道開挖施工中，采用旋噴樁超前加固地層能夠改變加固區(qū)土體的力學(xué)性質(zhì)。在這一過程中，加固范圍內(nèi)的土層彈性模量大于加固區(qū)以外土層的彈性模量，從而使得加固區(qū)內(nèi)土體的地層位移大于加固區(qū)外無限大彈性體地層位移，最終達到減少地層沉降和保證施工安全的目的。

2)依據(jù)本工程的實際情況并且考慮各種因素的影響作用，建議該工程的合理加固區(qū)范圍為2.5 m～3 m。

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Study rational subway tunnel stratum reinforcement scope

Zhang Xiaojun

(ChinaRailwayTunnelSurveyDesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133,China)

Combining with the sectional tunnel construction engineering background of the subway route under-crossing existing railway in Qingdao city, the paper applies finite element software MIDAS/GTS for numerical simulation computation analysis of various stratum reinforcement conditions, which has provided some suggestions for shallow embedding tunnel construction under soft stratum and bad geological conditions.

subway tunnel, surface deformation, subsidence, stratum reinforcement

2015-02-26

張曉君(1986- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)13-0182-03

U457.3

A