暗穿隧道下穿铁路专运线沉降分析

王鸣晓

(西安市地下铁路有限责任公司,陕西西安 710018)

暗穿隧道下穿铁路专运线沉降分析

王鸣晓

(西安市地下铁路有限责任公司,陕西西安 710018)

西安地铁半坡站出入口暗挖隧道下穿纺织城铁路专线,设计采用桩基础进行轨道加固。应用计算软件,通过铁路专运线在加固前后,受下穿暗挖隧道施工影响所产生的沉降大小的数值计算分析,讨论加固措施的必要性和可行性。

数值计算;暗挖隧道;铁路专运线;加固

1 引言

地铁隧道开挖会引起地表沉降和变形,进而影响地面建构筑物的安全和地下管线的正常使用[1]。地铁线路一般都会穿过城市繁华地段,地面建构筑物林立,地下管网密布,对施工产生的沉降和变形的控制要求较高。设计方案的选择对施工安全产生极大的影响,如稍有失误,将会造成不可估量的损失。为了保证设计方案的可靠性,在设计阶段对暗挖隧道施工可能引起的地面建构筑物沉降进行数值计算分析,预测隧道开挖所引起的地表移动及变形,并提出防止过大变形的建构筑物加固措施,是具有现实意义的[5]。

2 工程简介

西安地铁半坡站位于纺织城铁路专运线东侧。铁路专运线为纺织城重要运输线,该铁路线横跨车站 IV号出入口暗挖隧道,铁路路基基底距离出入口拱顶约1m,距轨底约为3m。

隧道穿越铁路专运线段拟进行轨道加固,隧道范围外侧采用钻孔灌注桩基础,桩长16m,线路加固范围外左右10m范围内需加护轨。

图1 隧道穿越铁路专运线段加固图

隧道采用CD法施工,初期支护采用喷射混凝土、锚杆及钢架组成联合支护体系,以大管棚、小导管注浆超前支护。初期支护厚度为300mm,C25喷射混凝土,拱部150°打设Φ108mm大管棚,环向间距0.5m,大管棚之间设置超前小导管,长3.5m,环向间距0.5m。

隧道洞身位于新黄土层中,地表往下地层依次为:1)素填土,主要由粘性土组成,土质不均,厚约2m;2)新黄土,土质均匀,具虫孔及大孔隙,硬塑状态,厚约12m,为高压缩性土,具有一定湿陷性;3)粉质粘土,可塑状态,为中压缩性土;4)卵石,一般粒径为20～60mm,密实状态。

3 计算范围及内容

根据矿山法隧道周边的影响范围、隧道与铁路专运线的空间位置关系及加固方案,选取计算范围如下图所示:

图2 计算范围选取

数值计算内容如下:

1)未采取加固方案时隧道开挖引起铁路专运线的沉降及最大差异沉降变形;

2)采取加固方案后隧道开挖引起铁路专运线的沉降及最大差异沉降变形;

3)加固方案效果分析。

4 计算方法

考虑到施工引起的既有铁路专运线变形均与地层关系密切,因此采用地层-结构模型进行分析,选择FLAC有限差分程序进行计算[23]。

5 计算模型

5.1 模型建立

采用有限差分方法进行三维计算,首先建立地层-结构模型[4]。初始条件为暗挖出入口隧道尚未开挖,列车正常运行。考虑到施工过程中的空间效应,对隧道开挖影响区域建立实体力学模型,并进行三维计算分析。

计算模型一共划分了12530个单元,地层模型采用大变形理论,地层-结构模型整体网格划分见图3,其中隧道周围土体、隧道初期支护、二次衬砌均采用实体单元,根据不同的土层填料采用相匹配的材料技术参数。铁路专运线加固采用的托换梁采用实体单元,桩采用beam结构单元[5、7]。

图3 计算模型

边界条件:顶面为自由边界,其他5个面均为法向约束。

计算荷载:

1)列车荷载:采用普通线路的中一活载,如图4所示,本计算中选用较为不利的情况(中一活载的集中力刚好跨到隧道上方);在未加固时列车荷载全部作用在路基上,加固后在加固范围内的列车活载平分在两托换梁上,其余作用在路基上;

2)土体自重;3)结构自重;4)地表均布超载20kPa;

图4 中一活载示意图

5.2 计算参数

根据勘察资料,土层物理力学参数见下表1,因本场地范围水位在出入口隧道底板下约3m,且车站基坑开挖采用基坑外降水,故本计算中不考虑水的渗透作用。

表1 土层参数表

铁路专运线路基土体力学参数无可参考的资料,此处根据相关经验在原有土体基础上提高,同样,隧道开挖时采用大管棚+小导管超前支护、注浆锚管径向施作,均采用等效处理,即通过提高加固范围内的土体参数来实现。

铁路专运线加固措施中采用的桩、梁混凝土标号未知,暂按C20考虑。隧道初期支护采用C25喷射混凝土,二次衬砌采用C30混凝土,混凝土力学参数详见表2。

表2 混凝土力学参数表

6 计算结果分析

通过模拟计算分析,考察隧道动态施工触发周围土体及地表土体位移的特性,及其对铁路运行安全的影响,评价所采用的保护方案的可行性。

6.1未加固时变形分析

在未采用加固保护方案的情况下,隧道开挖结束后,整个模型范围内土体的竖向位移云图及地表沉降变形云图如图5、图6所示:

图5 未加固时隧道开挖结束后竖向位移云图

图6 未加固时隧道开挖结束后地表沉降变形云图

地表沉降变形云图显示,隧道开挖结束后,因列车荷载的作用,地表沉降最大值出现在隧道中心线和线路中心线交汇处。本模拟计算中假设隧道理想支护情况,即隧道每步开挖后立即进行支护,没有空间的滞后,只是考虑了部分土体应力释放。由于土体的参数与支护结构参数相差太大,因此在释放一定应力后施加支护产生隧道上方土体沉降、两侧略微隆起的变形情况。

在模型范围内铁路专运线线路路基中心线下选取一个典型截面,该断面的沉降槽曲线如图7所示:

图7 未加固时隧道开挖结束后线路沉降槽曲线

由位移云图及沉降槽曲线图中可以看出,在不对铁路专运线采取加固保护措施的情况下,前后轨顶沉降差最大达到了22mm左右,而设计要求最大差异变形值不大于4mm,远远超出要求,危及列车运营安全,因此对铁路专运线采取相应的针对性保护措施是非常必要的。

6.2加固后变形分析

在采用加固保护方案的情况下,隧道开挖前模型如图8所示:

图8 加固时模型

隧道开挖结束后,整个模型范围内土体的竖向位移云图及地表沉降变形云图如图9、图10所示:

图9 加固时隧道开挖结束后竖向位移云图

图10 加固时隧道开挖结束后地表沉降变形云图

地表沉降变形云图显示,因加固范围内列车荷载转移在刚度相对土体很大、下部布置桩的两根托换梁上,且梁与桩对该范围内的土体也具有一定的加固作用,故在加固范围内土体变形变小,隧道开挖结束后地表沉降最大值不再出现在隧道中心线和线路中心线交汇处,隧道上方梁上各点位移基本一致。

在模型范围内铁路专运线线路路基中心线下选取一个典型截面,该断面的沉降槽曲线如图11所示:

可见,隧道上方线路路基土体在梁、桩加固及转移荷载作用下,差异沉降有所减小。

在隧道中心线左右各约10m的托换范围内,列车未直接作用在铁路路基上,而是通过工字钢将荷载传递到两边的托换梁上,该段线路沉降变形为两边梁沉降变形的中和值。计算结果显示,1#梁和2#梁位移基本相同,线路左右轨顶沉降差很小,仅约1.6mm,满足不大于3mm的要求。

7 结语

在采取部分条件假定的前提下,通过对隧道下穿铁路专运线未采取加固措施和采取加固措施两种情况的模拟计算分析,可以得出如下结论:

1)对铁路专运线未采取任何保护措施情况下,隧道开挖引起上方铁路专运线的前后轨顶沉降差较大,影响铁路运行安全,必须采取相应保护措施保证铁路运行安全;

2)采用现有设计保护措施后,隧道开挖引起上方铁路专运线的前后轨顶沉降差满足不大于4mm的要求,左右轨顶沉降差满足不大于3mm的要求,该方案是可行的。

虽然目前采取的铁路专运线保护设计措施可行,但因现场实际条件复杂、施工情况多变,因此在具体施作时必须加强施工质量的管理和监控量测工作,并做好应急预案。

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[2]黄俊,张顶立.地铁重叠隧道上覆地层变形的数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2005,24(12):2 176-2 182.

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[9]陈军,刘波,陶龙光.暗挖地铁车站引起地表沉降拟合分析与Peck法比较研究岩土工程技术2005.2(1)1-4.

Wearing Dark Tunnel under Railway Transportation Line Designed Settlement

WANGMing-xiao

(Mass Transit Railway Co.,Ltd.,Xi’an,710018,China)

The hidden excavation tunnel of the BanPo passageway underpasses the FangZhi City railway special traffic line.It is designed to reinforce the line by pile foundation.According to the numerical calculation and analysis using FLAC3Dfor the settlement of the railway special traffic line between with and without the strengthening measure, influenced by the construction of underpass hidden excavation tunnel,this article discusses the necessity of the strengtheningmeasure.

Numerical Calculation,Hidden Excavation Tunnel,Railway Special Traffic Line,Strengthening

O175.29

A

1008-2395(2010)06-0068-04

2010-04-07