高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固法下盾構(gòu)隧道施工過程路基沉降影響分析

歐陽林　楊雙發(fā)　張東明

(中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都　610052)

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高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固法下盾構(gòu)隧道施工過程路基沉降影響分析

歐陽林楊雙發(fā)張東明

(中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都610052)

以福州地鐵1號線下穿福州火車站鐵路工程為依托，應(yīng)用有限元軟件MIDAS/GTS建模并分析地基不加固、僅采用高壓旋噴樁加固、僅采用袖閥管注漿加固、高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固4種施工方案控制路基沉降的效果。試驗及計算表明，高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固地基方法能發(fā)揮高壓旋噴排樁隔水和袖閥管注漿加固地基提升土體強度的優(yōu)勢，可減少沉降50%，是改善復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)盾構(gòu)隧道施工中路基產(chǎn)生過大變形的有效方法。

盾構(gòu)隧道鐵路路基沉降高壓旋噴樁袖閥管注漿數(shù)值分析

盾構(gòu)隧道下穿火車站鐵路工程日益增多，施工產(chǎn)生的鐵路路基沉降不容忽視，這方面的研究已取得一定成果。以大量實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者提出或修正了多種預(yù)測路基沉降的經(jīng)驗公式[1-5]；綜合分析并進(jìn)行室內(nèi)模型試驗，得出土體性質(zhì)、隧道埋深、施工方法等參數(shù)是影響路基沉降的主要因素[6-9]。但在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下盾構(gòu)法隧道施工對鐵路路基沉降的研究相對較少。有限元軟件能模擬復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)法隧道施工過程，得出鐵路路基沉降規(guī)律。

以福州地鐵1號線下穿福州火車站鐵路工程為研究對象，在分析巖土工程勘察報告及地基加固設(shè)計等資料的基礎(chǔ)上，建立盾構(gòu)法隧道施工模型，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，探討聯(lián)合加固方法對減少路基沉降的影響。

1　工程概況

福州地鐵1號線下穿福州火車站工程位于羅漢山站—福州火車站站區(qū)間。火車站西端咽喉區(qū)共有15條鐵路，鐵路1～5股道位于原有鐵路位置，為夯填塊石加固路基，基礎(chǔ)深度約3.5m；6～14股及牽出線鐵路地基采用攪拌樁或旋噴樁進(jìn)行加固，樁長約6～10m，上端至地表面。隧道與鐵路平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1　盾構(gòu)隧道與鐵路平面關(guān)系

區(qū)間線路有一段平面曲線，雙線曲線半徑均為400m，線間距從11.00m變化到16.93m；縱斷面為V字形坡，最大縱坡29‰，最小縱坡4‰；上、下行線長度分別為141.739m和153.025m；盾構(gòu)隧道埋深約11.76～18.92m。該段穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、殘積礫(粉)質(zhì)黏性土、全風(fēng)化巖(花崗巖)，地基加固區(qū)地層剖面情況如圖2所示。

圖2　地基加固區(qū)地層剖面

2　有限元模型建立

2.1基本模型建立

根據(jù)巖土工程勘察報告及隧道下穿施工方案等資料，建立地基不加固、僅進(jìn)行高壓旋噴樁加固、僅進(jìn)行袖閥管注漿加固、高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固4個基本模型，如圖3～圖6。模型中，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.5m，外徑6.2m，管片厚0.35m；各模型長187m，寬83m，高36m，四周為限制水平方向位移約束，底面為限制豎向位移約束，頂面為自由面；土體為理想彈塑性材料，遵守Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，路基、盾尾管片-注漿體為線彈性材料。

圖3　既有加固條件模型

圖4　袖閥管注漿加固模型

圖5　高壓旋噴樁加固模型

圖6　高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固模型

袖閥管注漿加固范圍：1～5股正下方橫向擴(kuò)展至雙線隧道外輪廓線外1D范圍，豎向自隧道底部往上2D范圍內(nèi)區(qū)域。

高壓旋噴樁加固范圍：1股道外、3-4股道間、5-6股道間、7-8股道間、10-11股道間以及牽出線外地基，模型中以1.2m厚隔離墻形式等代，其高度自隧道底部延伸至地表，寬度擴(kuò)展至雙線隧道外輪廓線外1D范圍。雙線隧道與加固體相對位置關(guān)系如圖7所示。

圖7　雙線隧道與加固體相對位置關(guān)系

2.2基本假定

根據(jù)實際情況，建模過程中做以下假設(shè)：

(1)簡化的6層土層中，除粉質(zhì)黏土層和全風(fēng)化巖層為不等厚層外，其他土層均為等厚層。

(2)5～14股和牽出線鐵路既有攪拌樁或旋噴樁復(fù)合地基加固區(qū)增強體視作一個整體，加強區(qū)土體復(fù)合模量按Esp=mEp+(1-m)Es計算，其中Esp為復(fù)合地基的壓縮模量，m為樁體面積置換率，Ep為樁的壓縮模量，Es為樁間土的壓縮模量，實際工程中m=20%。

(3)初始應(yīng)力場僅考慮土體自重應(yīng)力場，不考慮地層的構(gòu)造應(yīng)力。

(4)不考慮施工過程地下水位升降的影響，忽略盾構(gòu)掘進(jìn)后地層的次固結(jié)沉降，認(rèn)為隧道施工完成的同時路基沉降也已經(jīng)完成。

(5)由于路基面僅高出地表0.7m，路基材料強度較大且為彈性材料，故認(rèn)為路基所在位置地表沉降量為路基沉降量。

2.3參數(shù)選取

(1)地層及施工材料性質(zhì)參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘查報告、地基加固及盾構(gòu)隧道下穿鐵路施工方案，并參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[10]等資料，確定各土層和主要施工材料的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(見表1和表2)。

表1　地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

表2　加固后地層及施工材料物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

(2)列車荷載確定

隧道下穿鐵路期間，進(jìn)出站列車限速45km/h，列車荷載采用特種活載模型，運用換算土柱法計算對路基面施加寬度5.4m、59.02kPa的移動列車荷載[11]。

列車荷載作用形式：同時對盾構(gòu)正上方、緊鄰盾尾第1段管片正上方以及盾尾后方第5段和第6段管片壁后注漿位置正上方的路基面施加均布荷載(即同一時間有4道均布荷載作用于路基面)；隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，均布荷載的位置也同步向前移動，移動列車荷載施加示意如圖8。

圖8　移動列車荷載施加示意

(3)土艙壓力確定

土艙壓力垂直作用于盾構(gòu)前方未開挖土體，壓力大小根據(jù)盾構(gòu)中心線位置的靜止土壓力按下式確定

式中，p0為盾構(gòu)中心線處的靜止土壓力，K0為靜止側(cè)壓力系數(shù)，γi為第i層土的容重，zi為第i層土的厚度。

由于雙線隧道傾斜，盾構(gòu)中心線位于地表以下14.86～22.02m，土艙壓力根據(jù)盾構(gòu)不同埋深位置取相應(yīng)值，土艙壓力平衡示意如圖9。

圖9　土艙壓力平衡示意

3　計算結(jié)果及分析

為使結(jié)果具有可比性，選取盾構(gòu)掘進(jìn)至既有夯填塊石區(qū)中部、既有樁區(qū)中部和雙線隧道貫通3個開挖步距的雙線對稱中線正上方的地表沉降進(jìn)行分析。不同地基加固工況下地表沉降情況如圖10～圖12所示。

圖10　盾構(gòu)掘進(jìn)至既有夯填塊石加固區(qū)中部時路基沉降情況

從圖10分析可知，當(dāng)上行線盾構(gòu)掘進(jìn)至既有夯填塊石加固區(qū)中部時，地基未加固情況路基沉降最大，最大沉降20mm；經(jīng)袖閥管注漿加固處路基沉降明顯減小；由于高壓旋噴樁加固位于整個場區(qū)北段，對改善既有夯填塊石區(qū)路基沉降起不到明顯效果；監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值法結(jié)果接近，均表明經(jīng)高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固后，路基沉降明顯減少，最大沉降僅為9mm。

圖11　盾構(gòu)掘進(jìn)至既有樁加固區(qū)中部時路基沉降情況

從圖11分析可知，當(dāng)上行線盾構(gòu)掘進(jìn)至既有樁加固區(qū)中部時，未加固工況與經(jīng)高壓旋噴樁加固工況結(jié)果比較接近，而高壓旋噴樁加固地基的作用主要體現(xiàn)在改善盾構(gòu)前方未開挖土體引起的路基沉降；經(jīng)袖閥管注漿加固后，路基最大沉降為17mm；監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值法結(jié)果均表明，經(jīng)高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固后，路基沉降明顯均優(yōu)于一種加固方法的處理效果，最大沉降僅為11mm。

圖12　雙線貫通時路基沉降情況

從圖12分析可知，雙線隧道貫通時，高壓旋噴樁加固與不加固地基工況相比，路基最大沉降減少23.1%左右；經(jīng)袖閥管注漿加固后，路基最大沉降為18mm；監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值法結(jié)果均表明，經(jīng)高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固后，路基沉降明顯均優(yōu)于僅采用一種加固方法的處理效果，最大沉降僅為13mm，沉降減少達(dá)50%。

4　結(jié)論

采用袖閥管注漿加固既有夯填塊石區(qū)地基，可有效改善地層結(jié)構(gòu)，提升土體強度參數(shù)，從而起到減少路基沉降的作用；高壓旋噴排樁把盾構(gòu)下穿鐵路區(qū)域分隔為7個區(qū)段，起到隔水的作用，當(dāng)盾構(gòu)在一個區(qū)段掘進(jìn)時，下一個區(qū)段的水土不進(jìn)入盾構(gòu)工作面，從而減少地層損失；高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固地基方法能有效發(fā)揮兩種加固方法的優(yōu)勢，是改善盾構(gòu)隧道下穿復(fù)雜地質(zhì)條件工況下路基沉降的有效方法。

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[11]中華人民共和國鐵道部. 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010

Subgrade Settlement Analysis in Shield Tunnel Construction Process Using High-pressure Rotary Jet Grouting Pile Joint with Sleeve Valve Barrel Grouting Reinforcement Method

OU YanglinYANG ShuangfaZHANG Dongming

2016-04-26

歐陽林(1988—)，男，2015年畢業(yè)于華東交通大學(xué)建筑與土木工程專業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)04-0064-04

U416.1

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