軟土地區(qū)大直徑盾構(gòu)穿越鐵路咽喉區(qū)加固措施研究

摘要：為研究市域鐵路大直徑盾構(gòu)隧道穿越鐵路編組站咽喉區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，通過(guò)有限元模擬軟件，建立大直徑盾構(gòu)穿越編組站咽喉區(qū)模型。依次列舉對(duì)比不同的咽喉區(qū)穿越段加固方案，選取咽喉區(qū)變形最為敏感的復(fù)式交分道岔作為研究對(duì)象，分析不同加固方案的數(shù)值結(jié)果，得出適宜的盾構(gòu)穿越編組站咽喉區(qū)的加固措施。

關(guān)鍵詞：市域鐵路;大直徑盾構(gòu);復(fù)式交分道岔;隧道變形;地層預(yù)加固

0" "引言

市域鐵路在市區(qū)往往以盾構(gòu)隧道形式出現(xiàn)，相應(yīng)的盾構(gòu)穿越敏感風(fēng)險(xiǎn)源的情況也逐漸增多，鐵路編組站咽喉區(qū)的節(jié)點(diǎn)將不可避免，這無(wú)疑增加了新建隧道的施工難度和工程建設(shè)成本，因此詳細(xì)研究隧道穿越編組站咽喉區(qū)的變形影響規(guī)律，對(duì)市域鐵路工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工具有非常重要的指導(dǎo)意義。

盾構(gòu)在軟土地區(qū)掘進(jìn)過(guò)程中引起地面沉降的機(jī)理，是土體應(yīng)力狀態(tài)的變化，土體被擾動(dòng)程度越大，地面沉降越多[1]。盾構(gòu)穿越引起的鐵路路基段線路沉降，與一般情況下盾構(gòu)引起的地面沉降規(guī)律有所不同，其沉降達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于一般情況，并且后續(xù)沉降量占總沉降的比例更大[2]。

為確保盾構(gòu)順利穿越鐵路，盾構(gòu)穿越前可以采用施做隔離樁[3]、地面注漿加固[4]、盾構(gòu)機(jī)械優(yōu)選、加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)等一系列的措施。鐵路編組站的咽喉道岔區(qū)作為整個(gè)站場(chǎng)的核心區(qū)域[5-6]，確保其在施工期間的安全運(yùn)營(yíng)更是極大的挑戰(zhàn)[7]。因此如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制大盾構(gòu)掘進(jìn)引起的鐵路咽喉道岔區(qū)變形，保護(hù)既有鐵路設(shè)施的安全是亟需解決的問(wèn)題。

本文以某市域鐵路為工程背景，通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬方法，分析不同加固方案對(duì)鐵路咽喉區(qū)復(fù)交道岔的影響規(guī)律，提出大直徑盾構(gòu)穿越鐵路編組站咽喉區(qū)加固方案。

1" "工程背景

1.1" "工程概況

某市域鐵路工程盾構(gòu)直徑9.0m，雙洞雙線隧道。盾構(gòu)下穿鐵路編組站咽喉區(qū)，咽喉區(qū)為有砟路基區(qū)段，隧道自北向南依次下穿4處鐵路股道及多組道岔，隧道下穿鐵路咽喉區(qū)及道岔平面如圖1所示。直接影響范圍內(nèi)涉及4處咽喉區(qū)復(fù)式交分道岔，道岔結(jié)構(gòu)形式及位置關(guān)系見(jiàn)表1。

1.2" "地質(zhì)概況

盾構(gòu)結(jié)構(gòu)頂距離地表距離約為18.4m，主要在⑤1黏土（基本承載力55kPa）、⑥粉質(zhì)黏土層（基本承載力120kPa）中穿越。

2" "加固方案

本文通過(guò)對(duì)隧道周邊加固方案，從數(shù)值模擬角度出發(fā)，以鐵路咽喉區(qū)復(fù)式交分道岔為變形研究對(duì)象，取圖1道岔結(jié)構(gòu)岔心a、b、c、d四處，分析不同的加固方案對(duì)鐵路道岔的影響。將兩種加固方案與不采用加固的方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出適宜的咽喉區(qū)加固方案。

2.1" "按盾構(gòu)周邊加固

該方案的思路為：采用地面注漿工藝直接加固盾構(gòu)隧道所處的⑤1黏土、⑥粉質(zhì)黏土層，在地鐵隧道施工前完成地層加固，提高隧道穿越的物理力學(xué)性能，減少擬建隧道施工掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)上層土體的擾動(dòng)，保持地層的整體性和穩(wěn)定性。隧道在性能指標(biāo)較好的地層中掘進(jìn)施工，可以減少對(duì)周圍土體的影響，從而弱化對(duì)鐵路股道的影響。

在隧道穿越前完成下穿隧道周邊地層加固，地層加固平面范圍為隧道結(jié)構(gòu)外輪廓邊線外4.5m上部結(jié)構(gòu)，豎向加固范圍為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂部9.0m范圍及底部以下4.5m范圍內(nèi)的地層，如圖2所示。

2.2" 按道岔周邊加固

該方案的思路為：從復(fù)交道岔功能使用出發(fā)，考慮復(fù)交道岔作為一個(gè)整體式結(jié)構(gòu)，單純覆蓋盾構(gòu)穿越區(qū)域變形，無(wú)法確保上層結(jié)構(gòu)變形為整體變形。

在隧道穿越前完成下穿隧道周邊地層加固，地層加固平面范圍為盾構(gòu)兩側(cè)。根據(jù)盾構(gòu)穿越投影范圍內(nèi)覆蓋到的道岔整體結(jié)構(gòu)，豎向加固范圍為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂部9.0m范圍及底部以下4.5m范圍內(nèi)的地層，如圖3所示。

3" "不同地層預(yù)加固方案的數(shù)值模擬

3.1" "模型簡(jiǎn)述

利用Midas NX建立三維有限元模型，盡量消除邊界效應(yīng)的影響。模型尺寸為總長(zhǎng)度235m，總寬度為280m，深度為95m。

幾何模型底部施加完全固定約束，兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束，模型表面為自由邊界。土體采用修正-摩爾庫(kù)倫模型模擬，土層計(jì)算參數(shù)結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，得到隧道下穿編組站咽喉區(qū)股道的計(jì)算模型如圖4所示。對(duì)鐵路咽喉區(qū)道岔路基股道，選取具有代表性的復(fù)式交分道岔進(jìn)行分析。

3.2" "模型參數(shù)

盾構(gòu)隧道管片混凝土等級(jí)為C55，外徑9.0m，內(nèi)徑8.1m，管片厚度450mm，管片環(huán)寬1.8m，采用7分塊錯(cuò)縫拼裝。為便于計(jì)算，管片采用板單元模擬，通過(guò)修正慣用法模擬管片環(huán)向接頭抗彎剛度降低，彎曲剛度有效率η=0.8。模擬采用的各土層參數(shù)及盾構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表2、表3所示。

3.3" "模擬工況

根據(jù)上述3種不同的加固方案，單次數(shù)值模擬按照3種工況拆解：工況一，初始加固工況;工況二，左線盾構(gòu)穿越;工況三，右線盾構(gòu)穿越。

4" "數(shù)值模擬

4.1" "數(shù)值模擬結(jié)果

3種工況新建隧道施工完成后，既有鐵路咽喉區(qū)道岔變形，其沉降變形表4所示。

隨著擬建盾構(gòu)的正常掘進(jìn)，3種工況下，4處復(fù)式交分道岔岔心變形值變形規(guī)律如圖5所示。

4.2" "數(shù)值模擬分析

通過(guò)方案二的3種工況沉降數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)穿越正上方段復(fù)交道岔a和b沉降分別為-14.11mm及-11.45mm，側(cè)方復(fù)交道岔c和d沉降變形值同樣有9.91mm，與常規(guī)軟土地區(qū)盾構(gòu)穿越地面呈現(xiàn)正態(tài)分布曲線變形規(guī)律[8]略不同，因此認(rèn)為盾構(gòu)下穿鐵路咽喉區(qū)加固方案，單考慮盾構(gòu)周邊情況加固并不能滿足鐵路咽喉區(qū)道岔，尤其是復(fù)式交分道岔沉降變形控制。

通過(guò)對(duì)比3種加固方案數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：未進(jìn)行地層加固時(shí)，以正上方段復(fù)交道岔a為分析對(duì)象，既有鐵路岔心結(jié)構(gòu)變形值最大，最大豎向變形為-14.112mm。采用方案二加固盾構(gòu)隧道周圍土層方案時(shí)，鐵路岔心結(jié)構(gòu)最大豎向變形為-7.176mm，為未進(jìn)行地層加固工況的50.8%。采用工況二按道岔周邊加固周圍土層方案時(shí)，既有鐵路岔心結(jié)構(gòu)變形值為-1.367mm，僅為未進(jìn)行地層加固工況的9.69%。因此認(rèn)為盾構(gòu)下穿鐵路咽喉區(qū)加固方案，單考慮盾構(gòu)周邊加固并不能很好的控制盾構(gòu)掘進(jìn)引起的鐵路咽喉區(qū)道岔變形。

通過(guò)各個(gè)方案不同道岔位置相互間的變形對(duì)比可知，4處復(fù)交道岔變形數(shù)值均較為接近，咽喉區(qū)道岔變形呈現(xiàn)出近似整體沉降的趨勢(shì)。考慮實(shí)際中道岔結(jié)構(gòu)板長(zhǎng)度，對(duì)盾構(gòu)穿越影響區(qū)范圍內(nèi)的道岔進(jìn)行加固，能對(duì)鐵路咽喉區(qū)道岔變形沉降控制起到較為明顯的作用。

5" "結(jié)論與建議

原則上優(yōu)先從線位上避免穿越編組站咽喉區(qū)。軟土地區(qū)大直徑盾構(gòu)隧道穿越鐵路編組站咽喉區(qū)施工時(shí)，對(duì)施工擾動(dòng)范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固處理，能夠起到減小鐵路股道所受的影響。

通過(guò)分析不同加固措施的效果可以發(fā)現(xiàn)，按照盾構(gòu)穿越影響區(qū)道岔確定加固范圍，可以有效減小鐵路咽喉區(qū)影響，對(duì)復(fù)式交分道岔的變形控制能力相較按盾構(gòu)穿越范圍加固更高。道岔咽喉區(qū)復(fù)式交分道岔作為變形敏感點(diǎn)，加固范圍不能局限于盾構(gòu)穿越區(qū)域，應(yīng)按照影響范圍內(nèi)的道岔范圍來(lái)控制，以降低盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鐵路的影響。

對(duì)于軟土地區(qū)盾構(gòu)穿越編組站咽喉區(qū)，上部鐵路股道變形受道岔影響，存在整體變形可能性。建議在盾構(gòu)穿越編組站咽喉區(qū)時(shí)，在滿足編組站咽喉區(qū)道岔變形控制要求的情況下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境地質(zhì)條件、復(fù)式交分道岔位置和項(xiàng)目投資視情況，采取適宜的加固處理方案。在項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段做好方案的優(yōu)選，確保盾構(gòu)隧道安全穿越鐵路編組站咽喉區(qū)。

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