巖溶區(qū)不同圍巖加固方案下盾構(gòu)隧道列車 振動荷載響應(yīng)研究*

鄒仁高 謝建斌,2** 李明卓 魏勝斌 許 坤

(1.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院, 650500, 昆明; 2.昆明軍龍巖土工程有限公司, 650021, 昆明∥第一作者, 碩士研究生)

云南省全省巖溶分布面積約占30%[1],昆明市區(qū)近滇池側(cè)除有巖溶分布外,還廣泛分布著泥炭質(zhì)土等軟土,昆明市鄰近滇池側(cè)的地鐵隧道常需穿越泥炭質(zhì)土-巖溶交接分布的軟硬復(fù)合巖土層。巖溶區(qū)溶洞的分布、形態(tài)、填充程度,以及土巖復(fù)合地層中土、巖分布不同等因素,嚴(yán)重影響昆明地鐵盾構(gòu)隧道施工,增加了隧道施工難度及安全隱患[2]。文獻(xiàn)[3]基于南京地鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),采用有限元法研究了列車運(yùn)行振動荷載作用下粉細(xì)砂地層中地鐵動力響應(yīng)及長期沉降變形。

為研究巖溶區(qū)土巖復(fù)合地層地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)長期運(yùn)營的累計(jì)沉降,本文依托昆明地鐵4號線某區(qū)間工程[4],基于巖溶專項(xiàng)勘察成果和有限元分析方法,研究了巖溶區(qū)土巖復(fù)合地層不同圍巖加固時(shí),地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在列車運(yùn)行荷載作用下的動力響應(yīng),并對隧道運(yùn)營100年后隧道結(jié)構(gòu)基底的累計(jì)沉降進(jìn)行了預(yù)測分析。

1 工程概況

昆明地鐵4號線連接昆明主城與呈貢新區(qū),線路自西北向東南穿越整個(gè)昆明盆地。本文選擇4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間地鐵盾構(gòu)隧道為研究對象,該段里程為YDK40+853.97—YDK40+ 973.97。該區(qū)間位于滇池東側(cè),屬較典型的濱湖相與河流交匯沉積地貌。勘探揭示該區(qū)間為較典型的“上軟下硬”土巖復(fù)合地層,區(qū)間內(nèi)共有7處溶洞,其中左線隧道1個(gè)、右線隧道6個(gè)。所有溶洞均為全填充,填充物以1-2硬塑狀黏性土為主。各巖土層及溶洞填充物的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 三維有限元建模

2.1 模型尺寸及網(wǎng)格

昆明地鐵4號線盾構(gòu)隧道管片外徑為6.44 m,隧道頂部距地面38.9 m,隧道左、右線軸心間距為12.903 m,里程段內(nèi)各層土體的剪切波波速介于126.27～988.00 m/s之間。

選取模型寬度尺寸為隧道開挖直徑的8～12倍[5],建立如圖1所示的盾構(gòu)隧道三維有限元模型。圖1中,模型整體尺寸為:長70 m,寬120 m,高70 m。

圖1 昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間有限元模型

2.2 材料本構(gòu)及模型邊界條件

材料本構(gòu):模型中土體選用莫爾-庫倫本構(gòu),盾構(gòu)管片采用彈性本構(gòu)。隧道結(jié)構(gòu)部分參數(shù)見表2。

表2 隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

模型邊界條件:①由于盾構(gòu)隧道模型下部為基巖,在采用Midas GTS-NX軟件進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),模型底部可選用固定邊界約束;②為減少邊界對計(jì)算結(jié)果的影響,模型周邊邊界選用黏性邊界;③盾構(gòu)隧道襯砌和接頭處均采用剛性連接。

2.3 列車荷載模擬

為表征列車行駛過程中的荷載-時(shí)程曲線,文獻(xiàn)[6]選取了一個(gè)激勵(lì)力函數(shù)用于模擬列車荷載-時(shí)程曲線,該列車荷載包括靜荷載和系列正弦函數(shù)疊加而成的動荷載。本文參照文獻(xiàn)[6],選用反映列車不平順、附加荷載和軌面波形磨損效應(yīng)的激振力來模擬昆明地鐵列車荷載圖。昆明地鐵列車振動荷載時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 地鐵列車振動荷載時(shí)程圖

3 動力分析

為研究不同圍巖加固方案的加固效果,本文針對4種地鐵盾構(gòu)隧道圍巖(隧道周邊軟弱地層)注漿加固方案分別進(jìn)行建模研究。A類注漿加固方案為地鐵盾構(gòu)隧道圍巖全斷面注漿加固,B類注漿加固方案為隧道兩側(cè)注漿加固(67.5°圓心角),C類注漿加固方案為隧道下部3/8圓弧(135°圓心角)范圍注漿加固,D類注漿加固方案為隧道下部半圓(180°圓心角)范圍注漿加固。

建模分析時(shí),各類圍巖加固范圍均為隧道盾構(gòu)管片輪廓外延3 m,注漿鋼花管長3.5 m、壁厚3.5 mm,水泥漿液注漿,各類圍巖加固方案實(shí)施后的巖土層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均不小于0.8 MPa。注漿加固后圍巖的物理力學(xué)參數(shù)按表3取值。

表3 改良后土體力學(xué)參數(shù)

鑒于昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間隧道將穿越較小承載力的泥炭質(zhì)土層,因此本文選取盾構(gòu)隧道周邊泥炭質(zhì)土層分布最多的截面為監(jiān)測斷面。

3.1 列車荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道位移響應(yīng)

圖3為數(shù)值模擬得到的右線列車荷載作用下,圍巖未加固時(shí)與加固后監(jiān)測斷面處隧道結(jié)構(gòu)的位移幅值圖。

圖3 監(jiān)測斷面處隧道不同位置的位移幅值

由圖3可知:

1) 加固后,列車荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的沉降均有所減少,其中采用A類注漿加固方案時(shí)拱底的沉降最小,為0.507 mm。

2) 在列車振動荷載作用下,監(jiān)測斷面處隧道結(jié)構(gòu)中拱底處位移最大,右側(cè)拱腰處位移略大于左側(cè)拱腰處位移,拱頂處位移最小。

3) 未加固時(shí),隧道基底最大沉降達(dá)0.743 mm,采用A類注漿加固方案時(shí)隧道基底最大沉降為0.507 mm,與未加固時(shí)相比,降幅為31.7%;采用B類、C類和D類注漿加固方案時(shí),隧道基底最大沉降分別為0.636 mm、0.583 mm、0.557 mm,與未加固時(shí)相比,降幅分別為14.4%、21.5%和25.0%。由此可見,A類注漿加固方案的加固效果最好。

3.2 列車荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道應(yīng)力響應(yīng)

圖4為數(shù)值模擬得到的右線列車荷載作用下,圍巖未加固時(shí)與加固后監(jiān)測斷面處隧道基底最大主應(yīng)力。

圖4 監(jiān)測斷面處隧道基底主應(yīng)力幅值

由圖4可知:當(dāng)隧道受列車振動荷載作用時(shí),圍巖未加固時(shí)與加固后的隧道基底的最大主應(yīng)力有一定差異;采用A類注漿加固方案時(shí),隧道基底最大主應(yīng)力的數(shù)值最小,為136.6 kPa,與未加固時(shí)相比,降低了4.6%,小于疲勞狀態(tài)下C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(1 190 kPa)[7];采用B類、C類和D類注漿加固方案時(shí),隧道基底最大主應(yīng)力降幅分別為1.7%、1.3%和1.5%。該模擬結(jié)果也表明,采用隧道圍巖二次注漿加固工藝對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響并不顯著。

3.3 列車荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道加速度響應(yīng)

表4為數(shù)值模擬得到的右線列車荷載作用下監(jiān)測斷面處隧道不同位置最大加速度。

由表4可知,與圍巖未加固相比,圍巖加固后列車荷載作用下監(jiān)測斷面處隧道不同位置的最大振動加速度均有減小;未加固時(shí),隧道拱底振動加速度最大值為22.634 mm/s2;當(dāng)采用A類注漿加固方案加固時(shí),隧道拱底的最大振動加速度為15.755 mm/s2,與未加固時(shí)相比,降幅為30.4%;采用B類、C類和D類注漿加固方案加固時(shí),隧道拱底最大振動加速度分別為18.306 mm/s2、18.692 mm/s2和18.010 mm/s2,與未加固時(shí)相比,降幅分別為19.1%、17.4%和20.4%。

4 地鐵盾構(gòu)隧道工后累計(jì)沉降

4.1 列車荷載作用下隧道典型斷面處基底沉降

由列車荷載作用下監(jiān)測斷面處地鐵盾構(gòu)隧道的位移、應(yīng)力及振動加速度分布可知,列車運(yùn)行振動荷載對地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)有一定影響。為研究巖溶區(qū)穿越“土巖交接”復(fù)合地層,尤其是下臥軟土層的地鐵盾構(gòu)隧道在工后列車運(yùn)行振動荷載作用下的累計(jì)沉降,分析地鐵盾構(gòu)隧道運(yùn)營100年后的沉降,本文采用經(jīng)典Monismith簡單指數(shù)模型[8]計(jì)算并預(yù)測昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間地鐵盾構(gòu)隧道運(yùn)營100年后的拱底累計(jì)沉降,計(jì)算公式為:

ε=ANb

式中:

ε——隧道基底土體的累積塑性應(yīng)變;

A——單次荷載作用下盾構(gòu)隧道基底土體的塑性應(yīng)變,取決于土體類型、物理狀態(tài)和偏應(yīng)力;

N——荷載的作用次數(shù)即列車振動荷載的作用次數(shù);

b——由土體類型和地鐵列車運(yùn)營工況決定的參數(shù),取值為0.17。

圖5為列車荷載作用下盾構(gòu)隧道典型斷面處(樁號里程YDK40+863.97處,圖1所示模型距左端7 m處的斷面)基底運(yùn)營100年時(shí)段內(nèi)的累計(jì)沉降曲線。

圖5 列車運(yùn)行100年隧道典型斷面處基底累計(jì)沉降

由圖5可知:

1) 與未加固時(shí)相比,加固后的隧道運(yùn)營100年后基底累計(jì)沉降均有一定程度減小。其中,采用B類注漿加固方案加固時(shí)隧道基底累計(jì)沉降最大,C類的次之,D類的較小,A類最小。

2) 采用A類注漿加固方案加固時(shí)隧道基底累計(jì)沉降為8.176 mm,但是,第1年內(nèi)的隧道基底沉降為3.737 mm,為百年總沉降量的45.7%;前2年內(nèi)的隧道基底累計(jì)沉降為4.205 mm,為百年總沉降量的51.4%;前10年內(nèi)的隧道基底累計(jì)沉降為5.528 mm,為百年總沉降量的67.6%。由此可知,列車運(yùn)行荷載作用下隧道基底累計(jì)沉降主要發(fā)生在運(yùn)營初始階段。

4.2 列車荷載下地鐵盾構(gòu)隧道基底沿程沉降

為全面研究列車運(yùn)行荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道基底的沿程沉降情況,本文自模型左端(樁號里程YDK40+863.97處)開始,沿模型每隔5.0 m(隧道下臥軟土區(qū)段)或3.5 m(隧道穿越土巖交接區(qū)段)設(shè)一分析預(yù)測點(diǎn),以預(yù)測該處隧道基底的累計(jì)沉降值。圖6為預(yù)測的地鐵運(yùn)營100年后昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間下臥軟土層段隧道基底沿程沉降曲線。

圖6 地鐵運(yùn)營100年后隧道沿線基底累計(jì)沉降

根據(jù)城市軌道交通沉降監(jiān)測要求:地鐵盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)基底差異沉降應(yīng)小于0.000 4ΔLx[9-10](ΔLx為分析預(yù)測點(diǎn)間距);在昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間,在0～73.5 m(ΔLx為5.0 m)區(qū)段,相鄰監(jiān)測點(diǎn)基底沉降差值不應(yīng)大于2 mm;在73.5～120.0 m(ΔLx為3.5 m)區(qū)段,相鄰監(jiān)測點(diǎn)基底沉降差值不應(yīng)大于1.4 mm。由圖6可知,采用A類、C類和D類注漿加固方案加固時(shí),隧道管片結(jié)構(gòu)基底相鄰預(yù)測點(diǎn)的差異沉降均符合規(guī)范要求,而圍巖未加固時(shí)及采用B類注漿加固方案加固時(shí),隧道管片結(jié)構(gòu)基底相鄰預(yù)測點(diǎn)的差異沉降則不符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文依托昆明地鐵4號線某巖溶區(qū)間工程,采用理論分析及數(shù)值模擬方法,研究了列車動力荷載作用下巖溶區(qū)不同圍巖注漿加固方案下地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)及運(yùn)營期隧道基底的累計(jì)沉降,研究結(jié)果表明:

1) 4類圍巖加固方案均可減少列車動力荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道的位移、應(yīng)力和振動加速度。其中,A類注漿加固方案的效果最好,與未加固時(shí)相比,列車運(yùn)行荷載作用下隧道典型斷面處的位移、應(yīng)力和振動加速度的減幅分別為31.7%、30.4%和4.6%。

2) 在列車運(yùn)行荷載作用下,昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間盾構(gòu)隧道的基底累計(jì)沉降主要發(fā)生在地鐵運(yùn)營前10年內(nèi),地鐵運(yùn)營前10年內(nèi)的隧道基底累計(jì)沉降達(dá)運(yùn)營100年后總沉降量的2/3。故應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)隧道工后前10年的監(jiān)測與管控,以保證隧道結(jié)構(gòu)安全。

3) 地鐵盾構(gòu)隧道運(yùn)營100年后,未加固時(shí),隧道基底沉降為11.357 mm;采用A類、B類、C類和D類注漿加固方案時(shí)隧道基底的沉降分別為8.176 mm、10.527 mm、9.293 mm和8.392 mm;而未加固時(shí)及采用B類注漿加固方案時(shí),隧道管片基底累計(jì)沉降不滿足隧道不均勻沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)。因此,泥炭質(zhì)土-巖溶交接分布軟硬復(fù)合巖土層中或下臥軟土層時(shí),地鐵盾構(gòu)隧道圍巖加固選用全斷面注漿加固方案或隧道下部加固方案為宜。