富水砂層盾構下穿股道樁筏加固控制效果研究

林寶剛， 李 飛， 李 磊， 鐘久強， 羅如平

(1.中鐵四局集團城市軌道交通工程分公司，安徽 合肥 230023;2.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013)

隨著我國城市軌道交通的發展，地鐵下穿火車站場股道工程日益增多，盾構下穿施工不僅會影響到站場內附屬建(構)筑物安全，還會引起鐵路股道的差異沉降，當下穿施工誘發的不均勻沉降或左右軌差異沉降過大時，將對列車行車及乘客生命安全造成嚴重威脅?，F有盾構下穿火車站場股道的研究大多基于現場監測資料實時分析股道變形規律，在不超過預警值的前提下，制定對盾構下穿工程的相應控制措施[1-5]。一般可分為理論公式和模型試驗法，理論公式法對場地作過多簡化，往往與實際復雜工況出入較大，尚存局限性；模型試驗法由于其尺寸效應的存在及相關消耗巨大，應用研究較少。

隨著計算機技術的發展，有限元數值模擬不僅能夠考慮實際各類地層性質的影響，且可對盾構掘進過程進行精細化模擬，較為全面地反映地層變形特征與沉降規律，基于此已有學者得到了許多有價值的研究成果[6-10]，馬相峰等[11]基于FLAC3D分析了砂卵石地層注漿加固對雙線盾構下穿鐵路沉降控制的有效性，齊勇等[12]等通過SAP2000研究了便梁與注漿加固方案對盾構下穿既有鐵路的沉降控制效果。然而，目前關于盾構下穿股道的精細化數值模擬仍較少，且往往采用摩爾庫倫本構，本文以南昌地鐵下穿南昌火車站為例，通過Plaxis 3D精細化建模，采用更好反映土體開挖卸荷作用的HSS本構模型，研究盾構隧道下穿施工對火車股道的影響，并對比分析有無樁筏加固措施對盾構隧道下穿火車股道的影響，為同類工程的風險評估提供參考。

1 工程概況

丁公路南站-南昌火車站區間隧道呈東西走向，區間隧道呈長條形，道路沿線建構筑物密布，地下管線復雜。區間底板設計標高為3.86～6.34 m，區間隧道施工擬選用土壓式平衡盾構，管片采用預制鋼筋混凝土管片，管片的外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，厚度為300 mm，盾構隧道埋深為10.1 m，所處地層為圓礫層。區間隧道與火車股道相對位置關系如圖1所示，其中左線先于右線開挖，時隔一月后右線開始掘進，本文主要研究左線盾構開挖對股道沉降影響。

圖1 區間隧道下穿火車站段相對位置

表1 土體物理力學參數

2 數值分析模型的建立

2.1 土層分布及材料參數

表2 材料參數

本文地下水埋深設置為-5 m，模型土層共計6層，土層序號從上至下①～⑥依次為填土、粉質黏土、細砂、圓礫、礫砂及強風化泥質粉砂巖層，土層分布及模型橫截面如圖 2所示，為便于分析，3條股道從左至右依次編號記為1、2、3號股道。

圖2 土層分布及模型橫截面

2.2 模型參數設置

三維有限元分析模型如圖3所示。模型采用四面體網格劃分，總計單元數量約90 000，初始應力場為重力場。在管片與土體、盾體與土體間設置界面單元，用于模擬土體與管片盾體之間相互作用。由于盾構開挖為軸對稱模型，為減少計算時間，取半邊對稱模型進行分析，盾構開挖直徑為6 m，由于盾構開挖一般影響范圍為3～5倍開挖直徑，同時出于完整考慮盾構隧道下穿既有鐵路股道全過程并減少邊界條件影響，取模型尺寸為85 m×35 m×23 m(長×寬×高)，模型上表面設置為位移自由，側面約束法向位移，底部同時約束x，y，z三個方向位移。

圖3 三維有限元分析模型

襯砌及盾構機采用板單元模擬，在分析樁筏基礎對盾構開挖引起火車股道沉降影響時，實際情況中的樁筏基礎建立在地面以下，筏板采用實體單元，x方向長48 m，y方向寬35 m，z方向厚1.5 m，埋深3.5 m；樁基采用Embedded Beam梁單元，樁長18 m，超隧道拱底6 m，共設置4排樁，每排樁數為6，樁數共計24根；共取3條股道進行分析，間距為1.5 m。

高速鐵路列車設計活載應采用ZK活載，添加ZK列車豎向靜力活載，模型中考慮ZK特種活載均勻分布于路基上方的情況。軌道荷載為P=45 kN/m，活載為Q=250 kN/1.6 m=156.25 kN/m，分布寬度為d=3.2 m，得到地面壓力為q=(P+Q)/d=62.89 kPa，為安全起見，地面施加荷載選用65 kPa的面壓力。

為更好地模擬左線盾構開挖分步施工引起的股道沉降規律，對盾體設置面收縮以模擬實際盾體在縱向上的直徑變化，模擬時隧道分步開挖，每步掘進2.4 m，共22個施工步，總計掘進52.8 m。掌子面壓力取靜止水土壓力，沿中軸線每延米增大15 kPa，盾尾注漿壓力取水壓力外加100 kPa。隧道開挖順序與實際工程順序相一致，開挖在時間上不重疊，直至結束，詳細模擬步驟及各壓力取值參考文獻[13,14]的研究。

3 結果與分析

3.1 無樁筏加固股道沉降分析

為消除邊界條件影響，左線盾構一次性掘進7環至始發點x坐標為-1.25 m，再次掘進5環后位于1號股道正下方，掘進7環后位于2號股道正下方，掘進9環后位于3號股道正下方，終點坐標為34.75 m。為驗證模型，選取左側股道對應監測點位置的左右軌道沉降值，與實際監測值作對比，結果如圖4所示。

圖4 不同開挖面距離下1號股道沉降模擬值與監測值對比

由圖 4可知，股道最大沉降預警值為6 mm，模擬與監測值均未超過該值，且沿左右股道長度方向沉降值曲線走勢與監測值相比吻合較好，隨著盾構的掘進，模擬值與監測值吻合程度趨于升高，因此認為所建模型有效。1號股道沉降值隨著盾構推進逐漸增大，最大沉降約4.6 mm，左右軌沉降差最大為0.33 mm，均小于紅色預警值。

如圖5所示，橫坐標為股道中心線距盾構開挖面距離，縱坐標為股道沉降值，灰色區域表示開挖面未到達股道，因此距離為負，2號股道沉降值隨著盾構的推進逐漸增大，最終穩定在4.8 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.35 mm，兩者均小于6 mm的紅色預警值。

圖5 不同開挖面距離下2號股道左右軌沉降模擬值

如圖6所示，3號股道沉降值隨著盾構的推進逐漸增大，最終穩定在5.2 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.41 mm，兩者均小于6 mm的紅色預警值。最大沉降隨著股道離盾構開挖面距離的增大而增大，排列順序為3號>2號>1號，沉降出現累積增大趨勢，因此離初始開挖面距離越遠的股道，越需要對其進行可靠的安全評估，防范工程事故的發生。

圖6 不同開挖面距離下3號股道左右軌沉降模擬值

綜上分析可知3號股道沉降值最大，基于此探討最危險3號股道距不同開挖面距離下，左右股道長度方向沉降值對比。如圖7所示，無論是左股道或右股道，沉降最大值均出現在盾構刀盤正上方即對應股道長度方向x=0 m處，約5.3 mm。最大差異沉降隨著開挖面的推進先增大后減小，最大值出現在距開挖面0 m左右位置，為0.46 mm，距開挖面12 m后沉降差趨于穩定?？赡艿脑蚴嵌軜嫷侗P正上方對應土體擾動最大，當盾構越過股道后由于襯砌的鋪裝及同步注漿使得土體沉降開始減弱，直至趨于穩定。

圖7 無樁筏加固不同開挖面距離下沿3號股道左右軌長度方向沉降模擬值

3.2 有樁筏加固股道沉降分析

為對比盾構隧道下穿火車股道情況下樁伐基礎對股道的保護作用，本節分析了在樁筏基礎加固下，沉降最大的3號股道距不同開挖面距離下火車股道的沉降分布規律及差異沉降曲線，除增加樁筏基礎保護外，其他條件均與無樁筏基礎工況一致。

如圖8所示為3號股道不同開挖面距離下監測點沉降分布，左右軌沉降值均隨盾構開挖面的推進先增大后減小，最大沉降值不超過1.4 mm，左右軌最大差異沉降為0.081 mm，出現在距開挖面約4.8 m處，該值遠小于未加樁筏基礎情況下股道沉降，最大沉降值約為未進行地基加固工況下的1/4左右。

圖8 有樁筏加固3號股道左右軌沉降模擬值

如圖9所示為3號股道距不同開挖面距離下，左右股道長度方向沉降值對比曲線。由圖可知，無論是左股道或右股道，沉降最大值均出現在盾構刀盤正上方即對應股道長度方向x=0 m處，約1.1 mm，且左右軌最大沉降差值也出現在此處，約為0.085 mm，遠遠小于未加固方案，沉降值隨著開挖面的推進逐漸增大，沉降差隨著開挖面的推進先增大后減小，距開挖面12 m后沉降差趨于穩定。

圖9 有樁筏加固3號股道左右軌長度方向沉降模擬值

4 結論

(1)股道沉降值隨著盾構開挖面的臨近逐漸增大，而后趨于穩定，同一股道左右軌沉降差值呈先增大后減小的趨勢，無樁筏基礎下最大沉降均值約5.2 mm，采用樁筏基礎后減小為1.4 mm；無樁筏基礎下最大沉降差均值約0.46 mm，采用樁筏基礎后縮小至0.085 mm。

(2)無樁筏基礎時股道最大沉降隨股道離開挖面初始距離的增大而增大，呈現累積效應，采用樁筏基礎加固后該值變化微小，股道最大沉降出現在隧道開挖面正上方，因此實際施工時應注意下穿隧道開挖面正上方對應區域股道沉降變化情況，做好相應監測工作。

(3)采用樁筏基礎對火車股道下方土體進行加固可有效減小下穿隧道開挖引起的股道沉降，因此對于土質較差或周邊環境復雜地區，為保證沉降在合理可控范圍內，確保對周邊環境影響最小，可考慮采用樁筏基礎對地基進行加固，從而確保下穿隧道的順利施工及上部股道安全運營。