富水砂层盾构下穿股道桩筏加固控制效果研究

林宝刚， 李 飞， 李 磊， 钟久强， 罗如平

(1.中铁四局集团城市轨道交通工程分公司，安徽 合肥 230023;2.华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013)

随着我国城市轨道交通的发展，地铁下穿火车站场股道工程日益增多，盾构下穿施工不仅会影响到站场内附属建(构)筑物安全，还会引起铁路股道的差异沉降，当下穿施工诱发的不均匀沉降或左右轨差异沉降过大时，将对列车行车及乘客生命安全造成严重威胁。现有盾构下穿火车站场股道的研究大多基于现场监测资料实时分析股道变形规律，在不超过预警值的前提下，制定对盾构下穿工程的相应控制措施[1-5]。一般可分为理论公式和模型试验法，理论公式法对场地作过多简化，往往与实际复杂工况出入较大，尚存局限性；模型试验法由于其尺寸效应的存在及相关消耗巨大，应用研究较少。

随着计算机技术的发展，有限元数值模拟不仅能够考虑实际各类地层性质的影响，且可对盾构掘进过程进行精细化模拟，较为全面地反映地层变形特征与沉降规律，基于此已有学者得到了许多有价值的研究成果[6-10]，马相峰等[11]基于FLAC3D分析了砂卵石地层注浆加固对双线盾构下穿铁路沉降控制的有效性，齐勇等[12]等通过SAP2000研究了便梁与注浆加固方案对盾构下穿既有铁路的沉降控制效果。然而，目前关于盾构下穿股道的精细化数值模拟仍较少，且往往采用摩尔库伦本构，本文以南昌地铁下穿南昌火车站为例，通过Plaxis 3D精细化建模，采用更好反映土体开挖卸荷作用的HSS本构模型，研究盾构隧道下穿施工对火车股道的影响，并对比分析有无桩筏加固措施对盾构隧道下穿火车股道的影响，为同类工程的风险评估提供参考。

1 工程概况

丁公路南站-南昌火车站区间隧道呈东西走向，区间隧道呈长条形，道路沿线建构筑物密布，地下管线复杂。区间底板设计标高为3.86～6.34 m，区间隧道施工拟选用土压式平衡盾构，管片采用预制钢筋混凝土管片，管片的外径为6.0 m，内径为5.4 m，厚度为300 mm，盾构隧道埋深为10.1 m，所处地层为圆砾层。区间隧道与火车股道相对位置关系如图1所示，其中左线先于右线开挖，时隔一月后右线开始掘进，本文主要研究左线盾构开挖对股道沉降影响。

图1 区间隧道下穿火车站段相对位置

表1 土体物理力学参数

2 数值分析模型的建立

2.1 土层分布及材料参数

表2 材料参数

本文地下水埋深设置为-5 m，模型土层共计6层，土层序号从上至下①～⑥依次为填土、粉质黏土、细砂、圆砾、砾砂及强风化泥质粉砂岩层，土层分布及模型横截面如图 2所示，为便于分析，3条股道从左至右依次编号记为1、2、3号股道。

图2 土层分布及模型横截面

2.2 模型参数设置

三维有限元分析模型如图3所示。模型采用四面体网格划分，总计单元数量约90 000，初始应力场为重力场。在管片与土体、盾体与土体间设置界面单元，用于模拟土体与管片盾体之间相互作用。由于盾构开挖为轴对称模型，为减少计算时间，取半边对称模型进行分析，盾构开挖直径为6 m，由于盾构开挖一般影响范围为3～5倍开挖直径，同时出于完整考虑盾构隧道下穿既有铁路股道全过程并减少边界条件影响，取模型尺寸为85 m×35 m×23 m(长×宽×高)，模型上表面设置为位移自由，侧面约束法向位移，底部同时约束x，y，z三个方向位移。

图3 三维有限元分析模型

衬砌及盾构机采用板单元模拟，在分析桩筏基础对盾构开挖引起火车股道沉降影响时，实际情况中的桩筏基础建立在地面以下，筏板采用实体单元，x方向长48 m，y方向宽35 m，z方向厚1.5 m，埋深3.5 m；桩基采用Embedded Beam梁单元，桩长18 m，超隧道拱底6 m，共设置4排桩，每排桩数为6，桩数共计24根；共取3条股道进行分析，间距为1.5 m。

高速铁路列车设计活载应采用ZK活载，添加ZK列车竖向静力活载，模型中考虑ZK特种活载均匀分布于路基上方的情况。轨道荷载为P=45 kN/m，活载为Q=250 kN/1.6 m=156.25 kN/m，分布宽度为d=3.2 m，得到地面压力为q=(P+Q)/d=62.89 kPa，为安全起见，地面施加荷载选用65 kPa的面压力。

为更好地模拟左线盾构开挖分步施工引起的股道沉降规律，对盾体设置面收缩以模拟实际盾体在纵向上的直径变化，模拟时隧道分步开挖，每步掘进2.4 m，共22个施工步，总计掘进52.8 m。掌子面压力取静止水土压力，沿中轴线每延米增大15 kPa，盾尾注浆压力取水压力外加100 kPa。隧道开挖顺序与实际工程顺序相一致，开挖在时间上不重叠，直至结束，详细模拟步骤及各压力取值参考文献[13,14]的研究。

3 结果与分析

3.1 无桩筏加固股道沉降分析

为消除边界条件影响，左线盾构一次性掘进7环至始发点x坐标为-1.25 m，再次掘进5环后位于1号股道正下方，掘进7环后位于2号股道正下方，掘进9环后位于3号股道正下方，终点坐标为34.75 m。为验证模型，选取左侧股道对应监测点位置的左右轨道沉降值，与实际监测值作对比，结果如图4所示。

图4 不同开挖面距离下1号股道沉降模拟值与监测值对比

由图 4可知，股道最大沉降预警值为6 mm，模拟与监测值均未超过该值，且沿左右股道长度方向沉降值曲线走势与监测值相比吻合较好，随着盾构的掘进，模拟值与监测值吻合程度趋于升高，因此认为所建模型有效。1号股道沉降值随着盾构推进逐渐增大，最大沉降约4.6 mm，左右轨沉降差最大为0.33 mm，均小于红色预警值。

如图5所示，横坐标为股道中心线距盾构开挖面距离，纵坐标为股道沉降值，灰色区域表示开挖面未到达股道，因此距离为负，2号股道沉降值随着盾构的推进逐渐增大，最终稳定在4.8 mm左右，左右轨沉降差值最大仅0.35 mm，两者均小于6 mm的红色预警值。

图5 不同开挖面距离下2号股道左右轨沉降模拟值

如图6所示，3号股道沉降值随着盾构的推进逐渐增大，最终稳定在5.2 mm左右，左右轨沉降差值最大仅0.41 mm，两者均小于6 mm的红色预警值。最大沉降随着股道离盾构开挖面距离的增大而增大，排列顺序为3号>2号>1号，沉降出现累积增大趋势，因此离初始开挖面距离越远的股道，越需要对其进行可靠的安全评估，防范工程事故的发生。

图6 不同开挖面距离下3号股道左右轨沉降模拟值

综上分析可知3号股道沉降值最大，基于此探讨最危险3号股道距不同开挖面距离下，左右股道长度方向沉降值对比。如图7所示，无论是左股道或右股道，沉降最大值均出现在盾构刀盘正上方即对应股道长度方向x=0 m处，约5.3 mm。最大差异沉降随着开挖面的推进先增大后减小，最大值出现在距开挖面0 m左右位置，为0.46 mm，距开挖面12 m后沉降差趋于稳定。可能的原因是盾构刀盘正上方对应土体扰动最大，当盾构越过股道后由于衬砌的铺装及同步注浆使得土体沉降开始减弱，直至趋于稳定。

图7 无桩筏加固不同开挖面距离下沿3号股道左右轨长度方向沉降模拟值

3.2 有桩筏加固股道沉降分析

为对比盾构隧道下穿火车股道情况下桩伐基础对股道的保护作用，本节分析了在桩筏基础加固下，沉降最大的3号股道距不同开挖面距离下火车股道的沉降分布规律及差异沉降曲线，除增加桩筏基础保护外，其他条件均与无桩筏基础工况一致。

如图8所示为3号股道不同开挖面距离下监测点沉降分布，左右轨沉降值均随盾构开挖面的推进先增大后减小，最大沉降值不超过1.4 mm，左右轨最大差异沉降为0.081 mm，出现在距开挖面约4.8 m处，该值远小于未加桩筏基础情况下股道沉降，最大沉降值约为未进行地基加固工况下的1/4左右。

图8 有桩筏加固3号股道左右轨沉降模拟值

如图9所示为3号股道距不同开挖面距离下，左右股道长度方向沉降值对比曲线。由图可知，无论是左股道或右股道，沉降最大值均出现在盾构刀盘正上方即对应股道长度方向x=0 m处，约1.1 mm，且左右轨最大沉降差值也出现在此处，约为0.085 mm，远远小于未加固方案，沉降值随着开挖面的推进逐渐增大，沉降差随着开挖面的推进先增大后减小，距开挖面12 m后沉降差趋于稳定。

图9 有桩筏加固3号股道左右轨长度方向沉降模拟值

4 结论

(1)股道沉降值随着盾构开挖面的临近逐渐增大，而后趋于稳定，同一股道左右轨沉降差值呈先增大后减小的趋势，无桩筏基础下最大沉降均值约5.2 mm，采用桩筏基础后减小为1.4 mm；无桩筏基础下最大沉降差均值约0.46 mm，采用桩筏基础后缩小至0.085 mm。

(2)无桩筏基础时股道最大沉降随股道离开挖面初始距离的增大而增大，呈现累积效应，采用桩筏基础加固后该值变化微小，股道最大沉降出现在隧道开挖面正上方，因此实际施工时应注意下穿隧道开挖面正上方对应区域股道沉降变化情况，做好相应监测工作。

(3)采用桩筏基础对火车股道下方土体进行加固可有效减小下穿隧道开挖引起的股道沉降，因此对于土质较差或周边环境复杂地区，为保证沉降在合理可控范围内，确保对周边环境影响最小，可考虑采用桩筏基础对地基进行加固，从而确保下穿隧道的顺利施工及上部股道安全运营。