時間:2022年02月14日 分類:科學(xué)技術(shù)論文 次數(shù):
摘 要:依托南京地鐵4號線一期工程徐金區(qū)間隧道下穿京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線及仙寧鐵路項目,運用理論分析與現(xiàn)場變形觀測相結(jié)合的方法,分析鐵路路基在盾構(gòu)隧道施工期及工后期的沉降規(guī)律。研究表明:Peck沉降理論計算的地表沉降極大值發(fā)生在兩個隧道中心對應(yīng)的地表處,隨地層損失率的增加而增加,具對稱性;與一般黏性土或者砂性土不同,軟土地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道穿越高速鐵路路基引起的沉降量主要發(fā)生在工后,沉降比率最大達(dá)75.64%,沉降穩(wěn)定時間長、沉降槽的深度和寬度較大;實際觀測的沉降值遠(yuǎn)大于理論計算值,受施工影響沉降槽曲線呈現(xiàn)出非對稱性。研究成果可為軟土地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)變形控制以及運營期高速鐵路沉降變形控制提供參考。
關(guān)鍵詞:軟土;盾構(gòu)隧道;高速鐵路;路基工后沉降;運營期;peck沉降曲線
0引言
隨著我國立體交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,城市軌道交通建設(shè)不斷取得新的突破。但是,地鐵隧道施工過程中面臨的新問題和新挑戰(zhàn)也不斷涌現(xiàn),如盾構(gòu)隧道對地上建筑物的下穿、對地下結(jié)構(gòu)物的側(cè)穿等,地鐵盾構(gòu)隧道下穿運營期高速鐵路是此類問題中的高風(fēng)險問題,直接影響建設(shè)的成本、進(jìn)度、工期及高鐵的運營安全[1-4]。
目前,盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路的研究日益增多[5-6],王科甫[7]以廣州地鐵9號線廣花區(qū)間下穿武廣客運專線無砟軌道路基為案例,在穿越砂層、粉質(zhì)黏土層條件下,分析盾構(gòu)施工對高速鐵路路基變形影響,指出采用MJS旋噴樁可有效降低沉降;王文謙等[8]針對某高鐵盾構(gòu)隧道下穿滬寧高速鐵路路基為案例,分別采用管幕注漿、豎井底部注漿和保壓循環(huán)對場區(qū)的粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂進(jìn)行注漿加固,分析既有高鐵路基的變形規(guī)律,研究各加固方法的加固效果,確定了大直徑盾構(gòu)隧道的施工參數(shù)。
王俊生[9]采用數(shù)值模擬的方法,以北京地鐵14號線馬永區(qū)間穿越京津城際鐵路為背景,研究粉質(zhì)黏土、粉土地質(zhì)條件下,鐵路路基的縱、橫向沉降,計算時考慮了高速列車振動荷載的影響;范明猛[10]以天津地鐵6號線穿越津秦高速鐵路為例,研究了粉質(zhì)黏土、黏土和粉土條件下采用地表雙液注漿、洞內(nèi)同步注漿和二次注漿等方式對土層加固,并采用自動化監(jiān)測手段對鐵路路基沉降進(jìn)行監(jiān)測,以控制路基變形。
從現(xiàn)有的盾構(gòu)隧道穿越高速鐵路成功案例來看,研究的主要目的是為盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)確定加固方案、施工參數(shù)、加固參數(shù),以控制高速鐵路的變形,研究的內(nèi)容也主要集中在施工階段,工后沉降階段的研究較少,研究的地層也主要集中在普通的黏性土層、粉土層和砂土層,針對軟土地層的工程經(jīng)驗較少[2-3,11]。
然而,由于工程建設(shè)的單一性,每個工程都存在自身的獨特邊界條件,涉及巖土條件也各不相同。在地表高速鐵路循環(huán)往復(fù)的振動荷載作用下,軟土與普通黏性土施工期及工后的變形規(guī)律是否一致,缺乏可靠的經(jīng)驗認(rèn)識及工程總結(jié)。本文依托南京地鐵4號線一期工程徐莊·蘇寧總部至金馬路站區(qū)間隧道下穿京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線以及仙寧鐵路項目,運用理論分析以及現(xiàn)場變形觀測相結(jié)合的方法,分析鐵路路基在盾構(gòu)隧道施工期以及工后的沉降規(guī)律。
1工程概況
1.1盾構(gòu)隧道與高速鐵路路基的相互關(guān)系
南京地鐵4號線一期工程徐莊·蘇寧總部至金馬路站區(qū)間隧道為分離式隧道,左、右線起止里程均為DK9+703.50~DK10+819.50,線路全長1116.0m。隧道采用2臺泥水平衡盾構(gòu)機掘進(jìn),右線、左線依次從金馬路站始發(fā)井開始掘進(jìn),始發(fā)間隔時間為15天。
在仙林大道附近,以緩和曲線穿越仙寧鐵路(雙線)和京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線(單線),下穿長度約為60.0m;京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線與仙寧線上行線間距為17.0m,仙寧線上、下行線間距為4.0m,盾構(gòu)隧道與鐵路線的交叉角度約為40°,下穿位置左、右線盾構(gòu)隧道的中心間距約為30.0m,上覆土層厚度約為24.0m,隨后以直線掘進(jìn)后達(dá)到徐莊·蘇寧總部接收井。盾構(gòu)隧道外掘進(jìn)外輪廓為6.7m,內(nèi)輪廓直徑為5.7m,管片厚度為45cm,每片管片長度為1.2m。
1.2工程地質(zhì)
根據(jù)勘察揭示:場區(qū)為典型的侵蝕堆積崗地地貌,地表起伏較小,在盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基范圍內(nèi),覆蓋層主要為Q4ml第四系近期堆填土(<1>素填土)和Q4al第四系沖積層(<2>粉質(zhì)黏土、<3>淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、<4>−2b2粉質(zhì)黏土、<4>−3b1粉質(zhì)黏土、<4>−4b1粉質(zhì)黏土),其中<2>粉質(zhì)黏土層呈流塑−軟塑狀態(tài),<3>淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為流塑狀態(tài),兩層土含水量高,力學(xué)性質(zhì)差,屬高壓縮性土,受施工擾動和高速鐵路列車的反復(fù)動荷載作用影響明顯,穩(wěn)定時間長。
場區(qū)地層物理力學(xué)指標(biāo)。南京地鐵4號線徐金區(qū)間下穿鐵路地質(zhì)剖面。在洞身范圍內(nèi),隧道主要穿越<4>−3b1粉質(zhì)黏土,該層土的力學(xué)性質(zhì)較好,壓縮模量為10.5MPa,呈可塑-硬塑狀態(tài),上部和下部土層分別為<4>−2b2粉質(zhì)黏土、<4>−4b1粉質(zhì)黏土,壓縮模量分別為8.6,11.0MPa。
2Peck沉降理論預(yù)測沉降曲線
2.1理論公式
上世紀(jì)70年代,Peck經(jīng)過大量的工程數(shù)據(jù)總結(jié)了隧道開挖引起的地表沉降曲線規(guī)律,沉降曲線可采用高斯擬合的方法計算,大致呈“盆槽狀”,隧道中心正上方為沉降槽的最低點和對稱中心,沉降值最大。Peck沉降理論假設(shè)地層為均勻的連續(xù)介質(zhì),且開挖在不排水條件下進(jìn)行,忽略水的損失,地層的損失與地表沉降槽體積一致等。
2.2理論計算結(jié)果
地層損失率δ=2‰~8‰時的地表沉降曲線。在右線單洞貫通時,沉降極大值隨著地層損失率的增加而增加,但沉降的影響范圍基本不變,大致為隧道中心左右各25m;雙線貫通后,由于左線隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的沉降槽對右線單洞貫通沉降槽的疊加影響,地表沉降曲線呈“W”狀,仍具對稱性,沉降極大值發(fā)生在兩個隧道中心對應(yīng)的地表處,且兩個最大沉降值一致,地表沉降極大值隨地層損失率的增加而增加,但沉降的影響范圍基本不變,大致為兩隧道中心左右各25m。
3高速鐵路路基施工期和工后沉降監(jiān)測及分析
3.1現(xiàn)場監(jiān)測點布置
在鐵路路基走向上布置5條觀測斷面,分別沿著鐵路路基邊線、京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線軌道中心線、仙寧鐵路上行線軌道中心線和仙寧鐵路下行線軌道中心線布置,以Peck沉降理論分析可知:隧道掘進(jìn)對地表沉降的影響范圍在隧道輪廓外25m,因此,監(jiān)測測點布置范圍應(yīng)不小于隧道外輪廓25m。在京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線軌道中心線及鄰近路基邊線的觀測斷面,每個斷面布置20個測點,測點間距為5m;在仙寧鐵路上、下行線軌道中心線及鄰近路基邊線的觀測斷面,每個斷面布置21個測點,測點間距為5m。現(xiàn)場鐵路路基沉降監(jiān)測點平面布置。
3.2監(jiān)測結(jié)果分析
為觀測京滬高速鐵路聯(lián)絡(luò)線以及仙寧鐵路路基的變形情況,對盾構(gòu)地鐵隧道的沉降監(jiān)測劃分為三個階段:第一階段,盾構(gòu)掘進(jìn)至監(jiān)測點前30m至監(jiān)測點前10m;第二階段,盾構(gòu)掘進(jìn)至監(jiān)測點前10m至監(jiān)測點后10m;第三階段,盾構(gòu)掘進(jìn)至監(jiān)測點后10m至監(jiān)測點后30m,鐵路路基進(jìn)入工后沉降階段。施工時,右線盾構(gòu)隧道盾尾離開路基邊緣15天后,左線盾構(gòu)隧道開始進(jìn)入下穿節(jié)點,為保證數(shù)據(jù)曲線的可比性,均將盾構(gòu)機掘進(jìn)至監(jiān)測點前30m為時間起點,監(jiān)測總時長為200天。
在第一階段,土體首先出現(xiàn)輕微沉降,隨后逐漸隆起,但隆起量較小;進(jìn)入第二階段后,受到盾構(gòu)施工過程中水泥注漿、雙液注漿、控制掘進(jìn)速率和出渣速率等工程措施的影響,地表沉降曲線出現(xiàn)了不同程度的波動,但整體而言變形值較小,均小于4.0mm;在第三階段,盾構(gòu)機掘進(jìn)離開監(jiān)測點10m后,鐵路路基進(jìn)入工后沉降階段,在80~200小時內(nèi)路基的沉降出現(xiàn)持續(xù)緩慢地增長,但并沒有達(dá)到收斂狀態(tài)。軟土地質(zhì)條件下的地表沉降主要是由于軟土在隧道掘進(jìn)過程中,受到擾動應(yīng)力發(fā)生調(diào)整,產(chǎn)生超孔隙水壓力,隨著孔隙水壓力的消散產(chǎn)生固結(jié)沉降,同時土體固體顆粒骨架發(fā)生蠕變產(chǎn)生次固結(jié)沉降。
其次,為高速鐵路列車活荷載對軟土的振動密實,使得土體內(nèi)孔隙水的排出,產(chǎn)生永久累積變形,引發(fā)軌道的不平順,進(jìn)一步加劇了輪軌沖擊,導(dǎo)致土體受到的荷載更劇烈。因此,在隧道掘進(jìn)擾動和高速列車的活荷載的雙重作用下,軟土的地表沉降表現(xiàn)出工后沉降大、影響范圍廣和達(dá)到穩(wěn)定時間長等特點。監(jiān)測點JH16處沉降曲線由于隧道掘進(jìn)速度的影響,土體表現(xiàn)出較為明顯的隆起,因此造成土體較為明顯的擾動,在后續(xù)沉降中位移變化幅度比監(jiān)測點XN23和XN19大。
由于右線隧道的先行掘進(jìn),土層損失對軟土的原位狀態(tài)產(chǎn)生擾動,因此在后續(xù)沉降中,監(jiān)測點JH28,XN41,XN37的后續(xù)沉降最大達(dá)到8.5mm,大于右線施工時鐵路路基沉降量,且無穩(wěn)定收斂跡象。為進(jìn)一步認(rèn)識高速鐵路路基的工后沉降規(guī)律,對下穿節(jié)點持續(xù)140天的沉降監(jiān)測,選取沿京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線軌道中心線觀測斷面為研究對象,時間節(jié)點分別為第二階段結(jié)束后的5,20,50,80,110,140天,監(jiān)測結(jié)果。
在左線完成下穿后,土層沉降隨著時間的增長呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢,沉降槽的深度和寬度都逐漸增加,在110天之后沉降值才趨于穩(wěn)定收斂,穩(wěn)定時間長,最大沉降量達(dá)到14.45mm。由于該項目軟土中無排水通道,地層本身滲透系數(shù)低,導(dǎo)致土體固結(jié)時間長,加上高鐵列車振動荷載的長期作用,使得與Peck理論計算的最大計算沉降值(7.88mm)相比,實際觀測的沉降值遠(yuǎn)大于理論計算值,受施工影響沉降槽曲線呈現(xiàn)出非對稱性,后推的左線隧道沉降極值明顯大于右線隧道的沉降極值。鐵路路基在施工期最大沉降值及工后沉降最大值對比。
工后沉降比率=(工后總沉降−施工期沉降)/工后總沉降×100%。根據(jù)一般的工程經(jīng)驗,普通黏性土和砂土的工后沉降比率一般在25.00%~30.00%[12]。由于軟土的孔隙水排水慢、固結(jié)時間長、高速鐵路列車振動的長期作用,使得軟土地質(zhì)條件下高鐵路基的沉降量主要發(fā)生在工后,占比最大達(dá)到75.64%,遠(yuǎn)大于普通黏性土和砂土,因此,對于后期沉降的監(jiān)測、高鐵軌道的巡檢和養(yǎng)護(hù)是保障鐵路安全運營的重要工作。
4結(jié)語
依托南京地鐵4號線徐金區(qū)間下穿仙寧鐵路及京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線實例,研究了軟土工程地質(zhì)條件下高速鐵路路基的工后沉降變化規(guī)律。
(1)由Peck沉降理論可得:沉降曲線的極大值發(fā)生在兩個隧道中心對應(yīng)的地表處,隨著地層損失率的增加,地表沉降極大值也逐漸增加,沉降的影響范圍大致為兩隧道中心左右各25m。
(2)與一般黏性土或者砂性土不同,軟土地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道穿越高速鐵路路基引起的沉降規(guī)律主要表現(xiàn)為沉降穩(wěn)定時間長、沉降槽的深度和寬度也較大,沉降量主要發(fā)生在工后,工后沉降比率最大達(dá)到75.64%。
(3)Peck理論計算的最大計算沉降值為7.88mm,實際觀測的沉降值遠(yuǎn)大于理論計算值,最大沉降量達(dá)到14.45mm。受施工影響沉降槽曲線呈現(xiàn)出非對稱性,后推進(jìn)的左線隧道沉降極值明顯大于右線隧道的沉降極值。
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作者:曹佳寧
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