旋喷桩加固对控制盾构下穿铁路变形数值分析

旋喷桩加固对控制盾构下穿铁路变形数值分析3

王庆国1,2,孙玉永3

(1.上海市轨道交通申松线发展有限公司,上海　200092;2.同济大学土木工程学院,上海　200092;

3.同济大学交通运输工程学院,上海　201804)

摘　要:针对上海市轨道交通9号线一期工程R413区间上、下行线和出入段盾构隧道下穿南新铁路环线工程,通过建立三维有限元模型,分析了旋喷桩加固对于控制既有铁路变形的效果。通过计算分析可知,旋喷桩的存在能够有效控制盾构隧道施工引起的既有铁路纵向和横向沉降及不均匀沉降,从而保证既有铁路安全运营不受影响。

关键词:旋喷桩;加固;盾构隧道;三维有限元

中图分类号:T U455.43;T B115　文献标识码:A文章编号:167320836(2008)0520860205

Nu m er i ca l Ana lysis of Settle m en t for a Sh i eld Tunnel Under2pa ssi n g

the Ex isti n g Ra ilway w ith Rot ary Jet P ile

WANG Q ing2guo1,2,S UN Yu2yong3

(1.Shanghai Rail T raffic Shensong L ine D evelop m ent Co.L td.,Shanghai200092,China;

2.School of C ivil Engineering,Tongji U niversity,Shanghai200092,China;

3.School of Transportation Engineering,Tongji U niversity,Shanghai201804,China)

Abstract:Based on the shield tunneling of the first-stage p r oject of R413on line9of Shanghai urban rail tran2 sit under2passing the Nanxin rail w ay,a3D-FE M model is built.The effect of r otary jet p ile reducing the influence of rail w ay is analyzed thr ough the model.Analysis result shows that the existing r otary jet p ile can contr ol the def or m2 ati on and uneven defor mati on of transverse and l ongitudinal of the existing rail w ay effectively.Theref ore,the existing rail w ay can keep nor mal operati ons.

Keywords:r otary jet p ile;reinf orce ment;shield tunnel;3D-FE M

1　引言

盾构法修建地铁隧道具有对周围环境影响小、施工安全快速、适应软弱地质条件等优点,已成为软土地区城市地铁隧道施工的最常用方法。盾构法施工时,往往会对周围地层产生扰动以及建筑空隙填充不充分,都会引起周围地层移动[1],地层移动一方面在地表引起不均匀沉降,另一方面直接引起地下近接结构物的变位。目前,围绕盾构隧道施工引起土体变形已做了不少的研究工作[2～4],但由于地质条件的复杂多变及施工参数的变化,使得研究成果具有一定的局限性。

随着我国城市化进程的不断加快,受地上地下既有建筑物或地质条件的以及地下空间综合开发利用的需要,隧道间或隧道与其他结构物之间的距离越来越近,盾构隧道近距离下穿既有铁路就是一个很典型的案例。隧道下穿铁路引起的铁路线路变形,加剧了轨道的不平顺,不仅加大了轮轨间的冲击力,加速轨道架构和基床的破坏,对铁路运营安全也产生严重影响[5,6]。为了保证既有铁

3收稿日期:2008203210(修改稿)

作者简介:王庆国(19732),男,上海人,博士研究生,主要从事轨道交通方面的设计和科研工作。E2mail:sunyuyong2 @126.com

路的安全运营,目前采取的措施主要有两个,一方面对地基土进行加固处理,包括注浆加固、旋喷桩

加固[7,8]

等,另一方面是严格控制盾构推进时的施

工参数[9,10]

,减少施工对地层的扰动。本文以上海市轨道交通9号线一期工程R413标为背景,采用数值模拟的方法就盾构隧道近距离穿越既有铁路时,旋喷桩加固对控制地表变形的作用进行分析,可为将来类似工程的设计、施工提供参考。

2　工程概况

上海市轨道交通9号线一期工程R413标段

盾构隧道(

九亭站-七宝站)位于上海市闵行区沪

松公路沿线,线路呈西东走向。区间上、下行线和东出入段线盾构隧道在区间东西岔道井之间DK20+6(=L2DK0+220)处下穿越南新铁路环线,铁路为双线铁路(路基宽约13m ),位于隧道上方,与

隧道基本正交(相交角约88°)。本段线路为上、下

行线和东出入场线三线并行地段(均为直线段),上下行线线间距为20m ,而东出入断线位于上、下行线中间,三线间隧道净距仅为3.8m ,上、下行线隧道埋深约9.1m ,出入场线隧道埋深为7.8m 。具体关系见图1所示。

图1　盾构隧道与南新铁路相互关系图

Fig .1　The sketch of relati on bet w een the shield tunnel and Nan -xin rail w ay

　　根据九亭站～七宝站区间详细勘察工程地质报告,盾构隧道穿越的主要地层为灰色粉质粘土和灰色粘土,具有软塑、高含水量、大孔隙比、高敏感度、受扰动沉降大、稳定时间长等特点,对控制施工引起的变形不利。主要土层的物理力学指标参见表1。

根据已有的工程经验,隧道下穿越南新铁路

施工必然会引起线路下沉,且经过5次大提速后,沪杭线的列车行驶速度及行车密度均大大提高,不仅提高了沪杭铁路的保护等级,较大的列车动荷载也会增加盾构施工的难度。综合考虑以上因素,并结合既有工程经验,拟对旋喷桩加固对控制既有铁路变形进行研究,地基加固平面图如图2所示。

表1　土层的物理力学指标

Table 1　The desi gn param eter of so il l ayers

层号地层名称

含水量

W (%)重度γ(K N /m 3)

孔隙比

e 粘聚力

C (kPa )内摩擦角φ(°)

压缩模量

(M Pa )静止侧压力系数K 0

②1褐黄色粉质粘土

29.918.90.842819.05.450.53②3灰色粉砂28.718.80.81437.510.250.37③1灰色粉质粘土41.017.61.151516.03.110.52⑤1a 灰色粘土

39.5

17.7

1.12

17

11.5

3.14

0.56

3　数值模拟

3.1　计算模型的建立

隧道推进对既有铁路的影响是一个三维问题,且该线与既有铁路的夹角为88°,因此在模型建立中取为正交以简化计算。考虑到有限元分析中的边界效应,整体尺寸确定为:沿盾构隧道推进方向

(纵向)尺寸为28m ,沿铁路方向为100m ,深度尺寸

为36m 。模型的边界条件如下:前后两面边界结点施加X 方向的水平约束;左右边界结点施加Y 方面的水平约束;底面结点,施加Z 方向的竖向约束。模型中,土体、管片以及既有铁路均采用八结点六面体实体单元,有限元模型如图3所示。3.2　计算过程

1

682008年第5期　　　　　　　　　王庆国,等:旋喷桩加固对控制盾构下穿铁路变形数值分析

图

2　地基加固平面图

Fig .2　Plan of foundati on reinforce ment

盾构施工过程的动态模拟采用刚度迁移法来

完成[11]

。主要步骤分以下几步:

(1)计算初始自重应力场,作为计算的初始阶段;

(2)盾构机推进一步,周围的等代层低刚度单

元“生”;

(3)盾构推进到第二步,第一步周围地层应力释放25%(偏于安全的取值

),第二步周围土体低刚度单元“生”;

(4)盾构推进到第三步,第一步预设管片单元“生”,同时对管片周围土体施加均布荷载,以模拟注浆压力的作用,第二步周围土体应力释放25%;

(5)盾构推进到第四步,第一步等代层低刚度单元“死”,高刚度单元“生”,用以模拟注浆对周围土体的加固作用

。

图3　有限元模型图

Fig .3　Finite ele ment module

3.3　计算结果分析

3.3.1　既有铁路的沉降对比分析

盾构隧道施工过程为:先推进下行线隧道,随

后推进上行线隧道,最后推进出入场段。在此仅对下行线隧道顶进过程中,有无旋喷桩存在时地表的变形规律进行研究,上行线和出入段顶进对地表的影响规律与此相同。既有铁路的沉降曲线如图4所示。

图4　下行线隧道推进过程中地表的沉降曲线

Fig .4　Vertical dis p lace ment of gr ound surface under shield driving

　　从图中可以看出,盾构隧道推进对既有铁路纵

向的影响长度为40m 左右,且沉降规律符合Peck 公式。未进行旋喷桩加固时,下行线隧道推进引起既有铁路的最大沉降量为21mm ,位于隧道中心正

268地下空间与工程学报　　　　　　　　　　　　　　　　　第4卷

上方,10m 弦长测量的高低最大失度值为10.0mm;而进行旋喷桩加固后,下行线隧道顶进过程中地上既有铁路的最大沉降值只有5mm ,10m 弦长测量的高低最大失度值为2.5mm 。根据《铁路线路维修规则》,当行车速度100k m /h ≤v ≤160km /h 时,10m 弦测量的高低最大失度值的作业验收值为4mm 。由此可知,不进行旋喷桩加固时,既有铁路

不能满足正常使用的要求,而加固后,既有铁路可以保证正常运营不受影响。旋喷桩存在能够有效阻滞盾构推进对铁路下方土体的挤压,从而有效控制既有铁路的沉降。3.3.2　隧道纵向地表沉降对比分析

同样,在此仅对下行线隧道推进过程中,有无旋喷桩时隧道纵向地表沉降规律进行对比分析,形曲线如图5所示。

从图中可以看出,盾构隧道推进过程中,有无

旋喷桩加固时,隧道纵向地表沉降规律是相同的,

即地面沉降主要发生在盾构机尾的位置,且纵向不均匀沉降量较大,特别是隧道穿越期,因此在盾构穿越过程中应加强对既有铁路的监测管理。

从图中同样可以看出,既有铁路两侧进行旋喷桩加固后,地面的最大沉降量有了明显减少,加固前既有铁路的最大沉降量为19mm 左右,最大不均匀沉降为1/1000,而加固后既有铁路的最大沉降量只有5mm 左右,最大不均匀沉降量为1/4000。从施工结束后地面的不均匀沉降来看,加固前地面的不均匀沉降较小,几乎是整体沉降,而进行加固后,旋喷桩内外地面的不均匀沉降较大,究其原因,主要是由于旋喷桩的存在阻滞了内外土层的相互联系。因此在具体施工中还应采取措施,控制旋喷桩内外地面的不均匀沉降

。

图5　下行线隧道推进过程中隧道纵向地面的沉降曲线

Fig .5　Vertical dis p lace ment of gr ound surface of the tunnel under shield driving

4　主要结论

通过以上三维有限元分析可知,在盾构隧道下穿既有铁路时,通过采取对铁路两层土体进行旋喷桩加固,可以有效地控制盾构推进引起的既有铁路的纵向和横向沉降及不均匀沉降,从而保证既有铁路的正常运营不受影响。但如何减小旋喷桩内外地面的不均匀沉降仍需进一步开展研究。

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