盾構上方填方道路軟基淺層處理方式研究

劉 東，楊紹猛

[1.上海市政工程設計研究總院集團浙江市政設計院有限公司，浙江 杭州 310000；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310000]

0 引 言

城市基礎設施日趨完善，地鐵區間隧道等地下構筑物密度不斷加大，新建城市道路難免上跨既有地鐵盾構，國際隧道協會（ITA）2000年在《盾構法隧道設計指導》[1]中將隧道豎向變形對隧道的影響寫入荷載類別中的特殊荷載。美國交通運輸研究協會在年度報告[2]中指出，軟土地層中的隧道破壞主要是由于軟土變形產生的。盾構上方大面積加載或卸載是軟土變形的重要原因。

盾構上方軟基處理及路基填挖，使得盾構上方豎向荷載變化并產生土體擾動，導致既有盾構隧道結構發生變形，危及隧道安全。對于涉地鐵路段，工況及地質特點存在差異，地鐵相關單位往往提出不同的荷載控制要求，使得較高填方并存在軟土的路基難以采用常規方式處理。目前，關于上跨既有盾構隧道的道路軟基處理方式及其受力變形特點的研究還比較少，為保證道路質量和隧道結構安全，有必要對地鐵盾構上方軟基處理方式進行研究。

以杭州地鐵5號線上方施工某城市道路為工程依托，首先討論了常用軟基處理方式及原理，然后建立力學模型對軟基處理方式受力及變形規律進行分析，最后結合工程實例采用有限元分析軟件ABAQUS建模分析，將分析結果與推導公式計算數據進行對比驗證。成果為既有盾構上方填方道路軟基處理方式提供參考。

1 常規軟基處理方式及原理

道路軟土地基處理方法可按地基處理層位、方法等進行分類。常見的軟基處理方法見表1。軟基處理主要解決承載力和變形兩個問題，無論采用何種處理方式，歸根結底都是通過一定的措施來減輕路基自重、提高地基承載力或減小沉降量。

表1 常規軟基處理方法

泡沫輕質土在建設工程中被廣泛應用[3]，具有重量輕、流動性好、強度易控制和保溫隔熱等優點。泡沫輕質土重量較輕，同時具有較高的屈服應力，當施加荷載不超過其屈服應力時，材料呈彈性變形且變形量很小[4]。城市道路工程中，泡沫土上方加載大多在100kPa以內，遠小于材料屈服應力。因此，在道路改擴建或路基換填中使用泡沫土材料，產生的附加應力較小，能夠有效減小道路下方原狀土的沉降變形，同時材料自身變形量很小，進而有效控制路基沉降。

2 盾構上方軟基處理計算分析

2.1 盾構上方軟基處理控制要點

地鐵盾構隧道結構變形主要控制值為最大允許變形值和最大允許變形速率[5]。根據相關規范及工程經驗，為了控制新建構筑物對地鐵結構的影響，對于淺層軟基處理，一般采用荷載和軟土變形兩個指標進行控制，不同地質條件及工況下，具體控制指標不盡相同，但本質上都是從限制大面積加載或卸載、控制盾構上方軟土變形兩個方面進行控制，以降低新建工程對既有盾構結構的不利影響，保證地鐵盾構結構穩定及地鐵運營安全。

2.2 盾構上方軟基處理方案

在上部土體松散軟弱的情況下，施工擾動會惡化隧道結構穩定性[6]，盾構區間上方卸載量越小，對保護下方既有隧道越有利，及時加載配重能保護下方的既有隧道不產生結構損壞[7]。攪拌樁等深層處理方式擠土和擾動作用明顯，導致土體中產生較大超孔隙水壓力和位移[8]。

通過開挖換填泡沫輕質土，適當卸載；采用泡沫輕質土路基，減少道路結構自重。以上措施可增加盾構上方道路填方高度，應根據具體荷載控制要求，對允許開挖換填厚度、路基允許最大填高進行計算。

2.3 處理方案計算模型建立

處理方案模型簡圖如圖1所示。假設盾構上方大面積加載或卸載的限值為akPa，盾構頂部至路基頂范圍軟土變形限值為[s]m。盾構頂部距離地面距離為H，每一層壓縮模量分別為ES1，ES2，…，ESn，層厚為h1，h2，…，hn，路面結構加權平均重度為，厚度為hl，設計路基填方高度為hd，泡沫輕質土重度為，現狀土加權平均重度為。一般情況下

圖1 計算模型簡圖

換填厚度為hw時，卸載荷載大小為hw，應滿足hw≤a，整理后得淺層處理允許換填厚度hw計算公式（1）：

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設允許路基最大填方高度為hdmax，則盾構上方總的附加應力為整理后得允許路基最大填方高度計算公式（2）：

當路基設計高度hd滿足hd≤hmax時，盾構上方總的附加應力為結合公式（1），整理得換填厚度hw計算公式（3）：

式中：hq為清表厚度。

當hq≥hdmax時，需要采取其他措施進行處理，限于篇幅本文不進行討論。

路基淺層處理后，盾構上方軟土變形量sd可通過式（4）進行計算：

式中：ΔP為附加荷載為盾構上方原狀土加權平均壓縮模量為盾構上方巖土分層數。

綜上所述，盾構上方軟基淺層處理時，首先根據式（2）確定盾構上方允許最大填方高度hdmax，當設計路基填方高度hd≤hdmax時，根據式（3）計算需要破除原狀土換填泡沫輕質土的厚度hw取值范圍，初步確定換填厚度，根據式（4）驗算盾構上方軟土變形量sd是否滿足sd≤[s]，換填厚度確定后，根據軟基處理方案復核道路自身地基承載力及工后沉降是否滿足規范要求，若不滿足則增大換填厚度直hw，若hw增大至hwmax仍不能滿足所有要求，則需要考慮深層或其他特殊軟基處理方式。

3 工程實例分析

3.1 工程及地質概況

杭州某城市道路局部路段位于杭州地鐵5號線某盾構區間上方，盾構頂部距離現狀地面約17m，道路寬度36m。該段道路采用填方路基，需考慮大面積加載對既有盾構區間結構的影響。

地面以下30m范圍內場地主要分9個土層，每層巖土厚度及特性見表2。

表2 地面以下30m范圍內主要巖土分布表

3.2 軟基處理方案

本工程盾構上方大面積加載或卸載的限值a=20kPa，盾構頂部至路基頂范圍軟土變形限值為[s]=0.10m。盾構頂部距離地面距離H=17m，巖土分層厚度及每一層壓縮模量見表3，路面結構加權平均重度為=22kN/m3，厚度為hl=0.36m，設計路基填方高度為hd=2m，根據材料物理力學參數表，泡沫輕質土重度為=10.50kN/m3，現狀土加權平均重度為=18.70kN/m3=4.29MPa。將上述參數代入式（1）~（4）中計算得出，需要破除原狀土換填泡沫輕質土的厚度hw=1.10m，sd=7.72cm＜[s]。同時，該方案地基承載力及工后沉降均可滿足要求。

表3 材料物理力學參數表

4 有限元數值模擬分析

4.1 數值分析模型及材料參數

地鐵盾構外徑6.2m，盾構片結構厚度0.3m，兩個盾構間距7m，盾構頂部距離現狀地面17m。根據上文計算，開挖換填厚度1.1m，泡沫輕質土填方路基厚度2m。土體模型寬度50m，高度30m，計算模型與網格劃分如圖2所示。模型左右兩面約束其水平位移，底面約束其豎向位移，上表面為自由邊界。土體本構模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型。

圖2 計算模型與網格劃分示意圖

為簡化模型，對物理力學參數相近的土層進行合并，土層的模型參數取相應土層內參數的加權平均值。合理簡化后土體分6層，自上而下依次為填土、黏土、淤泥土、黏土、淤泥質粉質黏土夾粉、粉質黏土，加權平均厚度分別為2.0m、2.0m、3.0m、9.5m、9.0m、4.5m。

材料物理力學參數見表3（9種材料：1填土、2黏土、3淤泥土、4黏土、5淤泥質粉質黏土夾粉土、6粉質黏土、7盾構襯、8泡沫輕質土、9路面結構）。

4.2 施工過程模擬

利用有限元分析軟件ABAQUS對盾構上方軟基處理及路基填筑，進行多步仿真分析，如圖3所示。分析過程如下：

圖3 軟基處理及道路填筑過程模擬示意圖

（1）平衡初始地應力場，得到軟基處理及路基填筑前的初始應力狀態；

（2）殺死開挖土體單元，模擬現狀需換填土體的開挖；

（3）激活與開挖土面積相同的泡沫輕質土單元，模擬泡沫輕質土的換填；

（4）激活地面線以上泡沫輕質土路基，模擬路基填筑；

（5）激活路面結構單元，模擬路面結構填筑。

4.3 數值計算結果分析

本文通過豎向位移對土體進行變形規律分析，通過等效變形對盾構管片變形進行分析，考慮到兩個盾構管片應力及變形完全對稱，僅選取一個盾構管片（右側）進行分析。

道路施工完成后，由土體豎向變形及盾構管片等效變形云圖（如圖4、圖5所示），可知盾構管片最大等效變形為1.13cm，土體最大變形發生在開挖面附近，豎向位移為6.21cm(↓)，與通過上文推導公式計算的sd值7.72cm較為接近，存在差異主要由于計算公式未考慮土體塑性變形的影響。數值模擬得到的變形值與公式計算得到的結果基本吻合，說明建立的數值模型能夠較好地反映施工過程土體擾動規律。

圖4 最終土體豎向變形云圖

圖5 最終盾構管片等效變形云圖

5 結語

本文提出了盾構上方填方路基淺層處理方案并推導出相關定量計算公式。依托工程實例，推導公式計算結果與有限元數值分析結果基本一致，驗證了本文計算方法及推導公式的合理性。按照本文提出的定量分析方法及計算公式確定的處理方案，可有效控制道路軟基處理施工造成的盾構上荷載變化和變形，降低對既有盾構結構的影響。