齐少轩 伍伟林 邹育
摘 要:砂土液化地区盾构隧道后期运营沉降量大、管片病害多、维修难度高,采用有效的地面加固形式有利于减少盾构掘进期间地层损失、土体固结造成的地面沉降及盾构隧道运营期间的病害。以佛山地铁 2 号线工程为实例,基于连续介质模型的基本原理,简化建立地层 - 结构空间计算模型,计算分析盾构掘进时不同洞内加固及地面加固形式对地面沉降的影响规律,并通过现场监测数据进行验证。结果表明,当采用洞内加固及地面加固方案1时,能有效控制盾构掘进后管片的后期沉降,减少沉降率達 60% 及 83%;在砂土液化地层洞内注浆时,注浆压力需控制在 0.3~0.5MPa,注浆流量控制在10~15L/min。
关键词:地铁;砂土液化地层;盾构隧道;加固设计
中图分类号:U231.3
在动荷载等外力作用下,饱和砂土的抗剪强度因振动而丧失,造成下卧层基础失效称为砂土液化[1]。砂土液化常引起建(构)筑物基础下沉以及地下工程的沉降,最终导致地面下沉,地面建(构)筑物倾斜破坏[2]。我国华东及珠三角区域以淤泥质粉细砂< 2-2 >、松散状粉细砂< 2-6-1 >等为代表的中等~严重砂土液化地层为该区域的典型不良地层[3],该区域城市轨道交通中区间工程均以盾构法为主要工法[4]。盾构掘进施工时超挖引起的地层损失所产生的短期沉降[5]以及开挖振动引起的地层液化[6]会导致盾构机栽头及地面沉降等病害,严重时会影响周边建(构)筑物[7]。我国多采用洞内注浆及地面加固措施,解决地层液化问题[8-9]。
目前,对砂土液化地层盾构区间的洞内及地面加固效果研究较少且主要以理论分析为主,基于既有理论,依托有限元计算分析和采用现场实测相结合的分析方法甚少。本文以佛山地铁2号线登—花区间工程为背景,基于理论数值分析及现场监测数据,对砂土液化地层盾构隧道洞内加固及地面加固效果进行分析,提出加固方案,并通过现场验证其有效性。
1 工程简介
佛山地铁2号线工程登—花区间为全线第11个区间,采用土压平衡盾构法施工(外径6m),线路纵断面为V形坡,最大坡度为27‰,隧顶覆土8.7~26.53m。隧道穿越砂土液化粉细砂层,从上至下依次为填土层<1-1>、淤泥质粉细砂<2-2>、粉细砂<3-1>,如图1所示,其液化程度达到中等以上,标准贯入度仅为2~4 N。砂层平均厚约21 m,隧道覆土14~15.4 m,地下水位深2.8 m[10]。
为防止2号线盾构隧道穿越砂土液化地层时出现过大沉降和在地铁运营期间出现差异沉降,从而引起道床与管片脱开、隧道纵缝张开、隧道渗漏水等问题,需提前对砂土液化地层进行地面加固以及洞内注浆加固[11],以改善地层土体特性,提高其强度及刚度,确保地铁运营的长期稳定。
2 加固方案
2.1 洞内加固
盾构隧道在砂土液化地层中的洞内注浆加固主要有3种方案:①方案1,结构两侧外扩3m,拱腰至隧底以下3 m;②方案2,结构两侧外扩3m,拱腰以上30°至隧底3 m;③方案3,结构两侧外扩3 m,拱腰至隧底0.5 m。其中,方案1为2号线方案,方案2、方案3为对比方案,如图2所示。
2.2 地面加固
盾构隧道在砂土液化地层中的地面加固主要有 2 种方案:①方案1,采用上部格栅+下部点阵的加固方式,垂直于线路方向的搅拌桩加固深度为地面至稳定地层以下1m,平行于线路方向搅拌桩加固深度为拱腰以上1m至隧底以下3m;②方案2,砂土液化地段地面加固方式采用850 mm@600 mm三轴搅拌桩格栅式,两侧宽度约2.225m,竖向实桩加固深度从拱腰以上1m至进入稳定持力层。其中,方案1为2号线方案,方案2为对比方案,如图3所示。
3 有限元数值计算分析
3.1 有限元模型
有限元建模过程中,管片采用壳单元,桩基、土体、加固体选用solid45三维实体单元模拟[12]。模型上边界为地面,左、右、下边界满足与隧道净距均≥3D(D为隧道直径)要求,土体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型,计算时考虑土体塑性及蠕变特性,以模拟隧道开挖后的变形状态[13],地面加固模型同理。有限元模型如图4所示,土体及衬砌物理力学参数见表1[10]。
模拟过程分为6步:①应力不释放;②洞周应力释放20%;③开挖土体,应力不释放;④应力释放100%,激活衬砌时同时注浆,不释放应力;⑤开挖完成,洞周应力释放20%;⑥洞内注浆替换下方土体并对周围土体施加注浆压力,土体按照本构模型塑性变形[14-15]。
3.2 数值模拟结果分析
3.2.1 洞内加固效果分析
图5、图6分别给出了不同洞内加固方案下,地表沉降曲线及管片变形云图,由图5、图6可见:
(1)未采取洞内加固措施的区段,由于盾构开挖后土体的固结沉降计算表现为土体本构模型的塑性变形,引起的地面累计沉降约42 mm,管片最大沉降约 70 mm;
(2)洞内加固方案3由于下卧层加固深度小,加固体承载力不足,导致盾构管片在开挖后由于土体塑性变形沉降,管片沉降值达30 mm,引起的地表累计沉降约42 mm;
(3)方案1与方案2的管片在开挖后的累积沉降基本一致,分别为15 mm和12 mm,引起的地面累计沉降约8 mm和5 mm;
(4)比较洞内加固及未加固,采取洞内加固能有效抑制盾构掘进后管片的后期沉降,减少沉降率达60%;比较3种洞内加固方案,加固方案1和加固方案2有效,管片及地面累计沉降小,但方案1加固体相较方案2少,因此,在同样加固效果下方案1更优。
3.2.2 地面加固效果分析
图7、图8分别给出了不同地面加固方案下,地表沉降曲线及管片变形云图,由图7、图8可见:
(1)未采取地面加固措施的区段,由于盾构开挖后土体的固结沉降计算表现为土体本构模型的塑性变形,引起的地表累计沉降约30 mm,管片最大沉降约60mm;
(2)方案1与方案2的管片在开挖后的累积沉降基本一致,分别为10 mm和8 mm,引起的地表累计沉降约6 mm和5 mm,与现场实测值7 mm基本一致;
(3)比较地面加固及未加固,采取地面加固能有效抑制盾构掘进后管片的后期沉降,减少沉降率达83%;比较2种地面加固方案,加固方案1和方案2的管片及地面累计沉降小,但方案1加固体相较方案2少,因此,在同样加固效果下方案1更优。
4 现场监测分析
4.1 测点布设
监测点纵向沿隧道中轴线布置,横向以左、右隧道中轴线为中心等间距布置。本文主要对砂土液化3个典型断面进行分析,监测点的布置如图9所示,洞内监测按照规范主要为盾构净空收敛、拱顶及仰拱沉降监测。
4.2 监测分析
4.2.1 时程沉降监测分析
图10给出了管片管底累积沉降时程曲线,由图10可知:
(1)在砂土液化地层洞内注浆加固,浆液能快速渗透砂层凝结,使管片基底加固体承载力较快地形成;地面加固由于未采用满堂加固,加固空隙仍有砂土,管片基底承載力形成相对较慢;
(2)洞内加固约1个月后,管片下沉趋于稳定,管片下沉累计量约为30mm;地面加固段3个月后,管片下沉趋于稳定,管片下沉累计量约为26mm;
(3)地面加固效果总体优于洞内加固且不会对管片产生二次影响。未加固地段则沉降持续增长,但速率逐渐缓和,截止目前已沉降约80mm。
4.2.2 沉降分布监测分析
图11给出了管片管底累计沉降分布曲线,由图11 可见:
(1)6环~28环间采用地面加固,28~120环由于砂层较薄(10m)未加固,120~145环洞内加固。地面加固段管片后期沉降控制最好,但也引起加固与未加固交错段管片间错台较大,导致管片角部出现破损。
(2)洞内加固段由于加固深度有限,盾构区间沿纵向又为柔性结构,因此,从洞内加固至未加固段管片破损情况相对较好。
5 结论及建议
(1)通过对比分析洞内注浆方案,当采用加固范围3m,由拱底加固至拱腰的洞内加固方案时,能有效控制盾构掘进后管片的后期沉降,减少沉降率达60%且加固体相较加固至拱腰以上方案加固量少。因此,在砂土液化地层中推荐采用方案1(2号线方案)的洞内加固形式。
(2)通过对比分析地面加固方案,当采用方案1时,地面加固能有效控制盾构掘进后管片的后期沉降,减少沉降率达83%且加固体相较方案2加固量少。因此,在砂土液化地层中推荐采用首次提出的三轴搅拌桩上部格栅+下部点阵地面加固形式。
(3)合适的洞内加固及地面加固措施能有效控制盾构掘进后管片的累计沉降且地面加固更有优势,在未加固区段持续变形过大时也应进行洞内加固,以减少加固与未加固区段较大的错台及管片破损。
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收稿日期 2020-05-14
责任编辑 朱开明