上覆軟弱路基加固對既有地鐵隧道沉降的影響規律

盧華喜, 劉甦宇, 羅青峰, 吳必濤

(1.華東交通大學土木建筑學院, 南昌 330013; 2.華東交通大學軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室, 南昌 330013; 3.南昌理工學院建筑工程學院, 南昌 330044)

隨著地鐵隧道的不斷建設,既有地鐵隧道不可避免地會受到上方道路施工的影響。例如下臥土層的不均勻分布及土體性質、襯砌強度等,除此之外在地鐵隧道的生命周期中還會有自身施工荷載、列車荷載、局部加載(局部堆載)和卸載(附近基坑開挖)、樁基、其他隧道施工荷載等的作用,將既有地鐵隧道產生過大的不均勻沉降,嚴重的還會威脅既有地鐵隧道的運營安全。因此研究道路施工對既有地鐵隧道的影響有著重要意義。

美國交通運輸研究協會在2000年的年度報告曾指出,隧道下臥土層的分布及材料原因是隧道發生沉降的重要誘因。蘭慶男等[1]基于Winkler彈性地基梁理論推導任意荷載作用下隧道豎向位移公式,結合Boussinesq解采用兩段分析法分析地面堆載大小、尺寸以及隧道埋深對盾構隧道豎向位移規律的影響;梁榮柱等[2]首先通過開展盾構隧道模型集中荷載試驗,探究盾構隧道縱向等效抗彎剛度變化規律,其次開展地表堆載試驗,研究地表堆載誘發下盾構隧道受力與變形特征。劉志強等[3]以粉質黏土地層中單線圓形地鐵隧道為工程背景,采用室內模型試驗和數值計算方法,分析了地鐵循環荷載作用下隧道下臥土體中加速度峰值、沉降變形等的變化規律;王祖賢等[4]研究發現相鄰地基剛度的差異會顯著影響盾構隧道的縱向變形和內力,軟硬地層交界面處隧道變形和內力會產生明顯變化,且隧道剪力在此達到最大值,易產生環間錯臺等病害;李瀚源等[5]提出跨活動斷層盾構隧道縱向力學響應解析模型與實際工況相結合,結果表明相較淺埋土質地層工況,深埋巖質地層對隧道縱向變形限制作用更加明顯,隧道與斷層之間豎向距離、斷層破碎帶寬度及結構縱向抗彎剛度有效率等因素均對隧道最大縱向內力影響顯著。

隧道附近地表加卸載也是影響隧道沉降的重要因素,其中隧道附近的基坑開挖或局部堆載是最常見的卸載和加載形式。基坑開挖和局部堆載會引起地鐵隧道周邊土層較大的位移,從而導致隧道縱向不均勻變形甚至開裂破壞。Tao等[6]首先利用彈性多層理論得到層狀土中豎向軸對稱荷載作用下土體的附加應力。其次,將地鐵隧道視為Winkler地基支承的Timoshenko梁,這樣可以考慮隧道的剪切效應。將層狀土中由于開挖卸荷而作用于隧道的附加應力與均質土中的附加應力進行比較。Ye等[7]基于模擬結果對基坑的結構設計進行優化,保證基坑的穩定性和既有地鐵隧道結構的安全性。劉維正等[8]發現新建隧道施工至上穿部位時摩擦力f和注漿壓力p對既有隧道變形影響較大,穿越既有隧道后縱向變形主要受卸荷附加應力F影響;隨著管片間剪切剛度kS、抗拉剛度kT增大,既有線路隆起變形減小,其中kS影響相對較大,工程中可從增強kS和kT的角度控制隧道變形,江杰等[9]得出了相對于堆載寬度,堆載長度的變化對隧道變形的影響更顯著;距地面堆載中心的水平距離較小時淺埋地鐵隧道沉降較大;隧道沉降量隨地面堆載密度增大而逐漸增大,但堆載對隧道的影響范圍不受其影響的結論。孫華圣等[10]基于室內模型試驗,建立數值模型模擬室內試驗,從地面堆載大小、堆載面積、隧道埋深等方面對隧道的變形規律進行了分析,系統描述了地面堆載引起的隧道變形規律,定量描述了地面堆載對隧道變形影響程度,通過應力分析揭示了隧道變形機理。王立新等[11]建立三維有限元模型,對基坑卸荷開挖進行動態模擬,分析開挖過程中既有隧道結構的變形規律,探究保證隧道結構穩定的加固措施。喬建剛等[12]模擬計算建筑物荷載施加前后應力狀態參數和變形參數的增值和增幅,還得到了隧道最大沉降截面處的變形規律,為建筑物荷載施加對地鐵隧道的安全分析提供理論參考。

現依托實際工程,研究道路施工對既有地鐵隧道的沉降影響。道路與其下方地鐵隧道為斜穿關系,隧道埋深為10 m,施工包括路基注漿加固、路床和路面結構層施工兩階段,整個施工過程進行了地鐵隧道拱頂位移的沉降監測。在綜合分析施工過程中地鐵隧道所受荷載的基礎上,采用有限元軟件ANSYS建立了地鐵隧道-土體-道路的三維模型,根據實測結果驗證了數值模型的合理性和有效性,并分析在不同工況下隧道沉降量曲線。利用建立的三維模型,分析路床和路面結構層總施工厚度、道路土體性質、隧道下臥土層、隧道襯砌強度這4個工況對地鐵隧道沉降量的影響,進而得出地鐵隧道沉降量曲線規律。

1 地鐵隧道沉降監測

1.1 工程概況

依托于實際工程是南昌地鐵2號線,位于西站南廣場站至國博站區間。其平面位置示意圖如圖1所示。監測范圍為景德鎮街和上饒大街地鐵2號線軌道斷面DK19+630～DK19+690,此區間上方有道路正進行路基注漿加固、路床和路面結構層施工。

圖1 南昌地鐵2號線平面位置示意圖Fig.1 Plan location diagram of Nanchang Metro Line2

1.2 監測點的布置

根據現場實際踏勘情況,本次監測范圍為景德鎮街和上饒大街地鐵2號線下行區間DK19+610～DK19+670和上行區間DK19+630～DK19+690,監測區間長度各為60 m。監測點布置在隧道洞身斷面上,監測區間內每間隔10 m布置一個斷面,共7個斷面,每個斷面布置10個測點,上行區間隧道和下行區間隧道各5個,共70個測點,上行區間隧道和下行區間隧道的測點布置形式相同,分別為隧道道床2個、邊墻2個以及拱部位置1個,沿隧道洞身環向布置隧道采用人工監測和自動化監測兩種手段結合的方式。隧道左右洞內監測點位平立面布置示意圖如圖2所示。由于上下行區間隧道為對稱布置,選取上行區間DK19+630～DK19+690進行隧道沉降監測。

圖2 隧道左右洞內監測點位立面布置示意圖Fig.2 Diagram of the elevation arrangement of the monitoring points in the left and right cave of the tunnel

地鐵隧道現場監測圖如圖3所示。監測目的主要為地鐵隧道拱頂中部的豎向位移沉降量,監測儀器主要為全站儀和自動化監測機器人,通過對隧道拱頂豎向位移沉降監測評估道路施工對地鐵隧道的不利影響。自動化監測頻率為時刻監測,人工監測為初期為1次/d,此外,隨著施工進度的推進,越往后人工監測頻率越低。其中,當道路路基完成注漿加固后,根據監測結果可適當降低監測頻率,直到穩定為止。

圖3 地鐵隧道監測圖Fig.3 Subway tunnel monitoring map

1.3 數據處理和分析

南昌地鐵2號線隧道結構主體進行回填完畢后,隧道上方的回填土被作為道路的路基使用。根據工程實際情況,需對路基進行注漿加固,再進行路床及路面結構層的施工,直至道路全部施工完畢。因此,本項目的長期監測即從開始道路路基注漿加固起到完成路床和路面結構層施工,再到整個道路施工對隧道沉降影響穩定時停止。

考慮到地質、水文及土體內部結構在長期一段時間后性質趨于穩定,選取監測數據最后兩次讀數作為最終沉降值進行分析,所得到南昌地鐵2號線DK19+630～DK19+690道路施工段地鐵隧道沉降實測結果如圖4所示。圖4(a)顯示最后兩次沉降監測曲線總體趨勢一致,在地鐵隧道監測區間中間段正上方,由于道路施工的堆載重力作用,造成正下方的隧道受壓,監測區間兩端受力較小,沉降量也較小。圖4(b)是取長期監測最后兩次數據的平均值作為長期監測的最終沉降量,得到了長期監測中道路施工對地鐵隧道沉降曲線。實測研究發現,隨著施工持續進行,地鐵隧道頂部的重力越大其地鐵隧道結構的受壓程度也越大。其中受壓程度最明顯為隧道中間段,沉降也主要集中在隧道中間段,沉降值主要為0.2～0.3 mm。一般情況下,沉降數值應以負數表示,隆起變形以正直表示。

圖4 監測結束時的地鐵隧道沉降量Fig.4 Settlement of the subway tunnel at the end of monitoring

2 地鐵隧道模型建立及校正

2.1 初始有限元模型的建立

采用有限元軟件ANSYS對上述地鐵隧道進行數值建模分析,地鐵隧道斷面圖示意圖如圖5所示,所建立的地鐵隧道-土體-道路的三維有限元模型如圖6所示,該模型對隧道周圍土體做了如下假設:①同一層土體為均質、各向同性體,并將土體簡化為理想彈塑性體,混凝土及注漿單元為線性材料;②巖體的初始應力場僅考慮其自重應力,不考慮構造應力;③計算中不考慮隧道襯砌與土體的脫離現象,認為它們始終是協調變形的;④既有建筑荷載均布分布,忽略施工過程中活荷載作用。此外,為了保證數值模擬的科學性以及計算結果的準確性,采用Solid45單元模擬襯砌、土體和道路。材料參數見表1。

表1 各層土體參數Table 1 Parameters of each soil layer

圖5 隧道斷面示意圖Fig.5 Schematic diagram of tunnel cross section

圖6 地鐵隧道有限元模型Fig.6 Finite element model of subway tunnel

2.2 有限元模型驗證

為驗證該數值模型的合理性和有效性,在區間DK19+630～DK19+690中以間距10 m為一個斷面,選取模型地鐵隧道拱頂的沉降曲線與對應位置的隧道沉降實測值進行對比分析。圖7所示為地鐵隧道7個斷面的沉降模擬值曲線。圖8為地鐵隧道沉降量模擬值和實測值對比結果,從圖7、圖8中可見,模擬值和實測值總體趨勢相近,兩條曲線吻合較好;7個斷面的隧道沉降值總體呈先增后減趨勢,沉降值主要集中在0.2 ～0.3 mm。考慮實際道路施工過程中存在臨時局部荷載及不可避免的測量誤差等因素,模擬值和實測結果之間的誤差是可以接受的,因此本節所建立的三維有限元模型較為合理。

圖7 地鐵隧道7個斷面的沉降量模擬值Fig.7 Simulated values of settlement in 7 sections of the subway tunnel

圖8 地鐵隧道沉降量模擬值與實測值對比曲線Fig.8 Comparison curve between simulated and measured values of subway tunnel settlement

3 地鐵隧道下穿道路的沉降影響研究

通過對道路施工的地鐵隧道沉降變形進行實測分析,獲取了實際工程隧道沉降的實測值,并通過對比該實測值與地鐵隧道-土體-道路的三維有限元模型計算結果,驗證了該數值模型的可靠性與合理性,本節將利用該已驗證的三維模型探究路床和路面結構層總施工厚度、道路土體性質、隧道下臥土層、隧道襯砌強度對隧道沉降帶來的影響。通過分析上述4個因素對地鐵隧道的沉降影響,研究影響地鐵隧道沉降的主要因素。本節模型的相關素填土參數見表2。

表2 素填土參數Table 2 Parameters of prime fill

C40混凝土襯砌的彈性模量、泊松比及密度分別為32.5 GPa、0.2、2 500 kg/m3;下臥土層2的彈性模量、泊松比及密度分別為506 kPa、0.24、2 410 kg/m3。

圖9為模型中地鐵隧道橫斷面及沉降分析點位置,選取雙洞口矩形地鐵隧道橫斷面左側洞口的拱頂作為沉降分析點,每個沉降點間距1 m,地鐵隧道計算長度為120 m,共設置沉降分析點共121個。

圖9 地鐵隧道沉降分析點位置的平面示意圖Fig.9 Plane diagram of the location of settlement analysis points in the underpass tunnel

為更好地分析和了解隧道在各種因素影響下的沉降增大幅度,以10 m為間隔整取隧道全長12個沉降監測位置進行計算,計算公式為

(1)

式(1)中:W為隧道沉降增大幅度百分比;在第3.1節中C2和C1為同一隧道位置加若干層厚度土體的沉降量與未加層土體的沉降值,在第3.2、3.3、3.4節中C2和C1表示同一變量下,監測位置隧道沉降量與初始位置隧道沉降量。

3.1 路床和路面結構層總施工厚度的影響

模型中,道路已完成路基的注漿加固,隧道襯砌為C40混凝土,隧道埋深為10 m,隧道上方路基回填土為素填土1,路床及路面結構層材料為素填土2,下臥土層選取下臥土層2。路床和路面結構層的總施工厚度為2.1 m,在模型中分成4層相同厚度的土體,從路基注漿加固完開始增加因路床和路面結構層施工給地鐵帶來的荷載,整個過程分為4個,分別是未加層、加1層、加2層、加3層、加4層。在保證其他影響參數不變的情況下,分別選取5個不同的施工厚度來分析地鐵隧道沉降的變化情況如圖10所示。結果表明開始施工后,地鐵隧道沉降相對于未加層,其增大幅度會隨著每增加一層厚度的施工而增加4%,在完成施工后增大幅度最高可超過17%。在不同施工厚度時,隨著施工厚度的增加,地鐵隧道的沉降值也會增加,并且施工厚度與地鐵隧道沉降值呈正相關關系。

圖10 不同施工厚度時地鐵隧道的沉降值及其增大幅度Fig.10 Settlement values and increase in settlement values of subway tunnels at different construction thicknesses

3.2 道路土體性質的影響

道路已完成路基的注漿加固、路床和結構層的全部施工,隧道襯砌為C40混凝土,隧道埋深為10 m,隧道采用下臥土層2。在保證其他影響參數不變的情況下,分別研究隧道回填、路床和路面結構層土體中的密度、彈性模量、泊松比對道路下方地鐵隧道的沉降變化情況。選取了3種密度分別為1 850、2 050、2 250 kg/m3的土體作為隧道回填、路床和路面結構層材料,得到了不同土體密度情況下地鐵隧道的沉降值和沉降值增大幅度如圖11所示。結果表明土體密度越大,其地鐵隧道全長的沉降越大,其沉降值增大幅度越小;土體密度改變后,其沉降值變化在隧道上方沒有道路區域的位置更為明顯,土體密度為2 250 kg/m3時沉降值比密度為1 850 kg/m3時多了近0.15 mm。

圖11 不同土體密度時地鐵隧道的沉降值及其增大幅度Fig.11 Settlement values and increase in settlement values of subway tunnels at different soil densities

再利用控制變量法,再選取三種不同彈性模量和三種不同泊松比的土體作為隧道回填、路床和路面結構層材料進行研究,對應的彈性模量為10、15、20,泊松比為0.15、0.25、0.35;不同土體彈性模量和泊松比時地鐵隧道的沉降值如圖12所示。由結果可知改變隧道回填、路床和路面結構層土體中的彈性模量、泊松比對下方地鐵隧道的沉降幾乎沒影響。

圖12 不同土體彈性模量和泊松比時地鐵隧道的沉降值Fig.12 Settlement values of subway tunnels for different soil modulus of elasticity and Poisson’s ratio

3.3 隧道下臥土層的影響

為研究不同下臥土層對已完成道路施工的地鐵隧道的沉降影響,通過控制相關變量改變地鐵隧道下臥土層參數的方法來分析地鐵隧道的沉降。模型中,道路已完成路基的注漿加固、路床和結構層的全部施工,隧道襯砌為C40混凝土,隧道埋深10 m,隧道上方路基回填土為素填土1,路床及路面結構層材料為素填土2。下臥土層參數見表3。

表3 下臥土層參數Table 3 Parameters of lower lying soil layer

本文旨在研究的是不同下臥土層的變化對地鐵隧道沉降的影響,因此未考慮道路施工前的隧道沉降量,僅研究下臥土層變化后,地鐵隧道的絕對沉降量,即此時的沉降量沒有減去道路施工前的沉降量。在保證其他影響參數不變的情況下,分別選取三種不同的下臥土層來分析地鐵隧道沉降的變化情況如圖13所示。結果表明在地鐵隧道上方沒有道路的情況下,隧道沉降值隨著隧道里程的擴大而幾乎不變;隨著隧道位置不同,其沉降值增大幅度相近,在上方沒有道路的隧道兩端,沉降值增大幅度為0%～5%,在上方有道路的區域,沉降值增大幅度約為10%～25%;其中下臥土層3的增大幅度最為明顯,說明下臥土層的彈性模量越大,其沉降值增大幅度越明顯。

圖13 不同下臥土層時地鐵隧道的沉降值及其增大幅度Fig.13 Settlement value and increase in settlement value of the subway tunnel for different submerged soil layers

3.4 隧道襯砌強度的影響

模型中,道路已完成路基的注漿加固、路床和結構層的全部施工,下臥土層選取下臥土層2,隧道埋深10 m,隧道上方路基回填土為素填土1,路床及路面結構層材料為素填土2。因研究的是不同襯砌強度的變化對地鐵隧道沉降的影響,所以未考慮道路施工前的隧道沉降量,只研究襯砌強度變化后,地鐵隧道的絕對沉降量,即此時的沉降量沒有減去道路施工前的沉降量。襯砌參數如表4所示。

在保證其他影響參數不變的情況下,分別選取三種不同的襯砌強度來分析地鐵隧道沉降的變化情況如圖14所示。結果表明在不同襯砌強度下,地鐵隧道的沉降值隨著襯砌的彈性模量的增大而減小,其沉降值增大幅度基本不變。在綜合經濟和安全的情況下,盡量選用彈性模量大的襯砌。

圖14 不同襯砌強度時地鐵隧道的沉降值及其增大幅度Fig.14 Settlement values and increase in settlement values of subway tunnels for different lining strengths

4 結論

依托實際工程項目南昌地鐵2號線,研究西站南廣場站至國博站區間地鐵隧道上方的道路施工對該地鐵隧道的沉降影響。首先,通過監測手段測得了道路路基注漿加固、路床和路面結構層施工過程中地鐵隧道的豎向位移沉降值。其次,依托該工程概況建立了三維有限元計算模型,模擬了上方道路施工過程中的地鐵隧道沉降值,通過模型計算值與實測值的比較,驗證了該地鐵隧道-土體-道路的三維有限元模型的可靠性。最后,通過數值分析研究了路床和路面結構層總施工厚度、道路土體性質、隧道下臥土層、隧道襯砌強度對地鐵隧道的沉降影響規律,并得到以下結論。

(1)道路路基注漿加固后,地鐵隧道沉降主要集中在注漿區域下方隧道區間的中間段,其沉降值由平緩到增大再到平緩,但總體上沉降變化不明顯。

(2)在地鐵隧道上方有道路施工情況下,隧道沉降值隨施工厚度的增加而增加,施工厚度的增加值與地鐵隧道的沉降增加值呈正相關關系;在上方沒有道路的地鐵隧道區間,隧道沉降值幾乎不受鄰近區間上方的道路施工影響。

(3)地鐵隧道上方回填土體及路床和路面結構層土體的密度是影響地鐵隧道沉降的主要土體性質,地鐵隧道的沉降隨土體密度的增大而增大。隧道下臥土層的彈性模量越大,其沉降值越小。

(4)地鐵隧道采用不同強度的襯砌時,隧道全長的沉降曲線相近;襯砌強度越大,隧道的沉降越小,隧道沉降主要集中在道路下方對應的區域;在整個隧道長度內,相比于隧道起始斷面,其沉降值的增大幅度因襯砌強度的不同而整體變化不大,區別主要集中在地鐵隧道的中間段。