列車荷載作用下深厚飽和軟土盾構(gòu)隧道沉降分析

寧茂權(quán)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

列車荷載作用下深厚飽和軟土盾構(gòu)隧道沉降分析

寧茂權(quán)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

軟土地層盾構(gòu)隧道運(yùn)營期沉降一直是工程界關(guān)注的重點(diǎn)問題。結(jié)合工程實(shí)例，采用不排水循環(huán)累積變形理論、循環(huán)三軸試驗(yàn)參數(shù)和簡化動力有限元及分層總和法，分析深厚軟土地層盾構(gòu)隧道在運(yùn)營期列車荷載作用下沉降響應(yīng)。分析成果表明，隧道埋深越淺、隧底軟土地層越厚，則運(yùn)營期沉降越大；就沉降速率來看，隧道在運(yùn)營期最大沉降速率將在隧道運(yùn)營后的初期出現(xiàn)，且地層越差，沉降量越大，沉降速率越小，沉降穩(wěn)定時間越長；采取一定沉降控制措施后，深厚軟土地層盾構(gòu)隧道在運(yùn)營期列車循環(huán)荷載作用下的沉降是可控的。針對本項(xiàng)目的特點(diǎn)，結(jié)合分析成果，合理確定深厚軟土地層盾構(gòu)隧道沉降控制措施。

盾構(gòu)隧道；深厚飽和軟土；循環(huán)累積變形；循環(huán)三軸試驗(yàn)；簡化動力有限元；分層總和法；列車荷載；運(yùn)營期沉降

目前，國內(nèi)外對盾構(gòu)隧道施工期引起地面沉降的研究較多，但對運(yùn)營期列車振動沉降研究的少，主要研究方法有：雙曲線模型[3]、多元線性回歸分析[4]、時間序列法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、理論方法[7]、數(shù)值分析方法[8-11]、離心模型試驗(yàn)[12]等。其中，由于雙曲線模型、多元線性回歸分析、時間序列法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、理論方法等需要大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，在缺少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的地區(qū)無法應(yīng)用這些方法進(jìn)行沉降分析，且隧道運(yùn)營期沉降情況復(fù)雜，以上有待進(jìn)一步研究和完善。黃茂松、姚捷等采用不排水循環(huán)累積變形理論[13-14]研究了循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土盾構(gòu)隧道沉降變形特性，其結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較接近。因此，結(jié)合工程實(shí)例，利用飽和軟黏土不排水循環(huán)累積變形理論[13-14]和動力循環(huán)三軸試驗(yàn)參數(shù)，建立有限元模型，分析列車荷載作用下深厚飽和軟土地層盾構(gòu)隧道的沉降響應(yīng)，根據(jù)分析成果，制定沉降控制措施，以便為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

溫州市域鐵路S2線(以下簡稱S2線)是溫州市域鐵路線網(wǎng)的重要組成部分，為東北-西南走向，北起沿海鐵路雁蕩山站，經(jīng)樂清、龍灣至瑞安，全長91.4 km。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙線電氣化、速度目標(biāo)值140 km/h、市域動車組、2 min的追蹤間距，具有城市軌道交通的客流特性和服務(wù)功能。

甌江北口隧道為S2線的控制工程，位于甌江出?？诙戊`昆島—黃華鎮(zhèn)間，受洪水與潮汐共同影響。過江隧道段采用盾構(gòu)法修建，單洞雙線帶隔墻方案，盾構(gòu)管片外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，內(nèi)襯厚0.25 m，線間距6.5 m，最小曲線半徑一般地段1 100 m，最大坡度一般不大于20‰，困難地段不大于30‰。

2 工程地質(zhì)與水文條件

2.1 深厚軟土與軟硬不均地層

隧址上覆地層為②淤泥(Q42m)，層厚30.8～41.8 m，工程性質(zhì)極差。下臥地層主要為③1淤泥質(zhì)黏土(Q41m)、③2黏土(Q41m)、⑨1含角礫黏性土(Q3el-dl)。

隧道穿越的地層主要為②2淤泥、③1淤泥質(zhì)黏土、③2黏土，局部為⑨1含角礫黏性土。隧道下臥地層主要為③1淤泥質(zhì)黏土、③2黏土，局部為②2淤泥和⑨1含角礫黏性土，即存在下臥地層軟硬不均、軟弱地層厚度不均問題。

2.2 潮差大、水壓高

甌江屬感潮型河流，水位受潮汐影響大，變化幅度大。百年高潮位5.32 m，低潮位-3.46 m，潮差8.78 m，歷年最大潮差7.26 m。作用在隧道上的最大水壓達(dá)0.51 MPa。

3 沉降分析方法

隧道運(yùn)營期的沉降特性取決于隧道結(jié)構(gòu)、下臥地層的地質(zhì)條件、列車荷載水平以及周邊環(huán)境等因素。軟弱地基的不排水累積變形產(chǎn)生的沉降與累積孔壓消散產(chǎn)生的沉降隨著運(yùn)營時間的增長呈現(xiàn)出非線性增大的趨勢，就沉降速率來看，隧道在運(yùn)營期最大沉降速率預(yù)計(jì)發(fā)生在隧道運(yùn)營后的初期，之后沉降速率逐漸減少。

3.1 沉降影響因素

運(yùn)營期沉降主要影響因素有：

(1)原狀地層的固結(jié)程度和施工擾動；

(2)列車振動引起周邊地層抗剪強(qiáng)度和孔隙水壓變化，使地層固結(jié)，造成隧道下沉；

(3)周邊城市建設(shè)造成地層抗剪強(qiáng)度和孔隙水壓變化，使地層固結(jié)，造成隧道下沉；

(4)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)對列車荷載的動力響應(yīng)特性；

(5)盾構(gòu)管片同步注漿體離析、收縮變形，形成空隙而引起地表沉降。

3.2 沉降分析方法

就地基沉降的理論預(yù)測方法而言，若直接采用動力有限元對飽和軟黏土進(jìn)行數(shù)十萬次、甚至上百萬次的瞬態(tài)動力加載進(jìn)行長期沉降分析，無論是從現(xiàn)有的動力本構(gòu)理論還是有限元數(shù)值分析的計(jì)算量都是不現(xiàn)實(shí)的。因此，目前最常用的理論方法是將附加應(yīng)力和變形計(jì)算分開進(jìn)行的。目前沉降分析主要有擬靜力法和簡化動力分析法。其中擬靜力法是將列車荷載等效為作用在地基上的靜力分布荷載，視地基為彈性介質(zhì)，然后按照現(xiàn)有土力學(xué)分層總和法分析沉降量。對于飽和軟土，采用擬靜力法分析成果往往低估了列車荷載引起的地層沉降量。

簡化動力分析法分析沉降時將地層視為黏彈性介質(zhì)，利用有限元數(shù)值方法求得動應(yīng)力，根據(jù)循環(huán)三軸試驗(yàn)研究成果，建立循環(huán)不排水條件下累積塑性應(yīng)變模型和累積孔壓模型，從而分別求得動荷載作用下累積應(yīng)變和累計(jì)孔壓。最后采用分層總和法計(jì)算出地基土體的長期沉降，并利用固結(jié)分析累計(jì)孔壓的消散規(guī)律，得到運(yùn)營期的固結(jié)沉降。

4 列車荷載作用下沉降數(shù)值分析

針對溫州地區(qū)深厚飽和軟土地層，借鑒上海地區(qū)軟土地層隧道沉降研究成果[13]，采用簡化動力分析法[14]進(jìn)行沉降分析，即在循環(huán)三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建模計(jì)算分析列車荷載作用下地基的動應(yīng)力及其影響程度，包括動應(yīng)力峰值、影響區(qū)域等。分析結(jié)果表明，飽和軟土的變形主要由循環(huán)荷載作用下的不排水累積變形引起的沉降和土體中由于動荷載引起的孔壓消散產(chǎn)生的固結(jié)沉降。

4.1 典型計(jì)算斷面及模型

隧道斷面布置如圖1所示，盾構(gòu)隧道地質(zhì)縱斷面如圖2所示。選取里程為CSK49+895的隧道最低點(diǎn)和里程為CSK52+720的隧底軟弱土層最厚處為代表性斷面進(jìn)行動力影響分析。其中隧道最低點(diǎn)處軌面埋深18.10 m、隧頂埋深9.05 m、隧底埋深23.55 m，隧道上覆②2淤泥，穿越③1淤泥質(zhì)黏土和③2黏土，隧底下臥17.00 m厚④2黏土、22.00 m厚⑤3圓礫，其他為⑥3圓礫。

隧底軟土最厚處軌面埋深17.05 m、隧頂埋深8.00 m、隧底埋深22.50 m，隧道上覆和穿越土層為②2淤泥，隧道下臥19.20 m厚③1淤泥質(zhì)黏土、8.80 m厚③2黏土、6.00 m④2黏土、厚5.6 m⑤2黏土，其余為⑤3圓礫和⑥3圓礫。

采用三維實(shí)體單元有限元模型進(jìn)行模擬分析，兩側(cè)各取90 m寬，上側(cè)取自河床面，下側(cè)取到⑤3圓礫地層，縱向取75 m，設(shè)置彈簧-阻尼邊界。計(jì)算模型詳見圖3。各地層參數(shù)詳見表1、表2。鋼材彈性模量E=2×105MPa，泊松比=0.25，阻尼=2%；混凝土彈性模量E=3.5×104MPa，泊松比=0.167，阻尼5%；整體道床彈性模量E=3.15×104MPa，泊松比0.167，阻尼5%；輕集料混凝土彈性模量=2.3×104MPa，泊松比0.2，阻尼4%；各土層阻尼比10%。

圖1 盾構(gòu)隧道橫斷面(單位：mm)

圖2 盾構(gòu)隧道地質(zhì)縱斷面(單位：m)

圖3 沉降分析三維計(jì)算模型

層號土層天然含水量(ω)/%天然孔隙比(e)重度/(kN/m3)液性指數(shù)(IL)水平滲透系數(shù)(Kh)/(×10-7cm/s)豎向滲透系數(shù)(Kv)/(×10-7cm/s)②2淤泥63.81.8116.11.403.612.94③1淤泥質(zhì)黏土49.11.4217.01.106.876.00③2黏土45.91.3417.10.834.203.50④2黏土42.61.2417.50.775.004.35⑤3圓礫36.41.0817.90.62——

表2 主要土層力學(xué)指標(biāo)

CSK49+895隧道最低點(diǎn)CSK52+720隧底軟弱土層最厚斷面盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)斷面

4.2 列車荷載響應(yīng)分析

進(jìn)行列車荷載作用下的動力學(xué)時程分析，取隧底不同深度處各點(diǎn)、全時域內(nèi)的動應(yīng)力峰值，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理后，進(jìn)一步繪制包絡(luò)線，比較影響范圍及量值大小。列車時速為140 km的動荷載時程如圖4所示。

4.3 計(jì)算結(jié)果

(1)典型位置動應(yīng)力時程曲線

取隧底正下方0.5～17 m范圍內(nèi)各點(diǎn)的動應(yīng)力時程曲線如圖5所示，典型時步附加動應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖可知，隧底響應(yīng)較大。

圖4 列車動荷載時程

圖6 典型時步附加動應(yīng)力云圖

(2)影響區(qū)域

從該典型時步可見，對地層的影響區(qū)域主要為1倍洞徑范圍內(nèi)，稍偏向加載一側(cè)，且隧底處響應(yīng)最明顯。

(3)峰值動應(yīng)力包絡(luò)

圖7 隧底豎向動應(yīng)力包絡(luò)圖

隧底豎向動應(yīng)力峰值包絡(luò)值詳見圖7，分析成果可知，隧底動應(yīng)力峰值在0～5 m范圍內(nèi)降低較快，在5～8 m降低稍慢，8 m以下又迅速下降，1倍洞徑以下峰值降為隧底0.5 m處的50%左右。CSK49+895斷面隧底0～5 m范圍內(nèi)豎向動應(yīng)力峰值數(shù)值詳見表3，該斷面隧底上覆土厚度為32 m左右，按上覆土層的加權(quán)有效重度計(jì)算，有效豎向應(yīng)力為220 kPa左右，附加動應(yīng)力峰值與其相比是較小的，一般未超過6%。

表3 隧底豎向動應(yīng)力數(shù)值

5 沉降與不均勻沉降處理措施

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果，本工程盾構(gòu)隧道運(yùn)營期沉降量為30～82 mm。鑒于江中段軟弱地層分布較均勻，將在荷載作用下同時發(fā)生固結(jié)沉降，差異沉降量較小，且軟土沉降速度較慢，沉降周期較長，因此，每年沉降量較小，地層固結(jié)沉降對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響小。對隧道結(jié)構(gòu)影響大的是不均勻沉降，主要位于北岸隧道接山體處、南岸出工作井地層加固地段和大坡度上岸段，因此，需要對該位置采取相應(yīng)措施，以防不均勻沉降對隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營產(chǎn)生的不利影響。結(jié)合工程特點(diǎn)、分析成果，選取具體措施如下。

(1)合理選擇建設(shè)方案，避開不利地層

擬定隧道縱斷面時，隧道結(jié)構(gòu)底應(yīng)避開②淤泥層，坐落在抗變形能力相對較好的地層上；橫斷面布置時盡量將軌面布設(shè)在距離隧底較遠(yuǎn)處，以利于列車荷載擴(kuò)散，減小列車振動引起的沉降；增加結(jié)構(gòu)自重，以減少列車振動對隧道結(jié)構(gòu)和周邊地層的動力響應(yīng)。

(2)地層預(yù)加固處理措施

為了防止盾構(gòu)隧道與工作井連接處可能產(chǎn)生的不均勻沉降過大，擬在工作井外設(shè)置15 m的地層加固，控制地基沉降和差異沉降，該段采用水泥土基底加固，按復(fù)合地基進(jìn)行設(shè)計(jì)，以控制基底不均勻沉降量不超過1 mm/m。

(3)加強(qiáng)盾構(gòu)隧道細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了防止在軟弱地層發(fā)生過大不均勻沉降造成的不利影響，設(shè)計(jì)采用了加強(qiáng)盾構(gòu)環(huán)橫向剛度，即將管片厚度適當(dāng)加厚和增加內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)剛度和荷載擴(kuò)散面，以改善底部結(jié)構(gòu)受力，利于列車荷載的擴(kuò)散。管片采用錯縫拼裝，以改善接縫處結(jié)構(gòu)受力。

6 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)分析成果，當(dāng)隧道埋深越淺、隧底軟土地層越厚，則運(yùn)營期沉降越大。CSK49+895斷面隧底下伏17.0 m④2層黏土，軟黏土層厚最小，運(yùn)營期累計(jì)沉降為30 mm；CSK52+720斷面隧底下伏19.2 m③1層淤泥質(zhì)黏土、8.8 m③2層黏土和6.0 m④2層黏土，軟黏土層厚最大，達(dá)34.0 m，運(yùn)營期累計(jì)沉降為82 mm。

(2)根據(jù)動力分析成果，就沉降速率來看，隧道在運(yùn)營期最大沉降速率預(yù)計(jì)發(fā)生在隧道運(yùn)營后的初期。其中隧底地層為③1淤泥質(zhì)黏土層，則最大年沉降速率將接近于2 cm/年；當(dāng)?shù)貙訛棰?層軟黏土層，則最大年沉降速率為1.5 cm/年；當(dāng)?shù)貙訛棰軐羽ね習(xí)r，則最大年沉降速率將接近于0.5 cm/年。因此，擬定隧道縱斷面時，隧底應(yīng)避開淤泥層，盡量坐落在抗變形能力相對較好的地層上。

(3)由于土層蠕變性的差異較大，在運(yùn)營期間沉降趨于最終穩(wěn)定所需時間差異較大。其中④層土層的工后沉降主要發(fā)生在第1年；而③1淤泥質(zhì)黏土和③2層軟黏土則需要近20年沉降才趨于穩(wěn)定。

(4)分析的運(yùn)營期沉降均滿足運(yùn)營要求。但運(yùn)營期最大沉降在本隧道結(jié)構(gòu)的過渡段，達(dá)到82 mm，沉降量還是比較大，需要較長的過渡段，因此，施工階段需重點(diǎn)關(guān)注。

(5)對沉降變化較大段選擇建設(shè)方案，應(yīng)首選避開不利軟弱地層；其次考慮對地層變化較大處地層進(jìn)行復(fù)合地基加固處理措施，以控制基底不均勻沉降量不超過1 mm/m；再次加強(qiáng)盾構(gòu)隧道細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以改善結(jié)構(gòu)受力。

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Analysis of Shield Tunnel Settlement in Deep Saturated Soft Soil under Train Load

NING Mao-quan

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Shield tunnel settlement in deep soft soil has been concerned as a key problem in engineering. With reference to engineering practices， this paper analyzes the settlement response of shield tunnel in deep soft soil under dynamic load of train by means of the theory of non-drainage circulating cumulative deformation， parameters of cyclic tri-axial test， simplified dynamic FEM and layer-wise summation. The results illustrate that the shallower of tunnel depth and the thicker of soft soil under the bottom of shield tunnel and the larger of the settlement during operation; the maximum settlement rate occurs during the initial stage of the operation; the softer of soil， the larger of settlement; the slower of settlement rate， the longer the stability time of settlement. The implementation of settlement control measures show that the settlement of shield tunnel under cyclic loading of train during operation in the soft soil is controllable. Reasonable settlement control measures for shield tunnel in deep soft soil are determined based on project characteristics and analysis results．

Shield tunnel; Deep saturated soft soil; Circulating cumulative deformation; Cyclic tri-axial test; Simplified dynamic FEM; Layer-wise summation method; Train load; Operation period settlement

2015-03-11

寧茂權(quán)(1972—)，男，高級工程師，2005年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：5458832.2@qq.com。

1004-2954(2015)10-0094-05

U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.022