軟土路基堆載下既有隧道變形特性分析

龔呂雄

摘要： 筆者在本文中將區(qū)間隧道上方的部分施工路段作為相關(guān)的研究材料，通過使用Midas NX這款有限元的軟件來建立一個有限元的模型，主要研究的對象是建立在深厚土層中路基堆載對于地鐵盾構(gòu)去間中的隧道變形情況。在這個模型的建立過程中，充分的考慮到對流固耦合作用下軟土的變形特性對于整個復(fù)合地基中加固處理的效果。從整個建模的結(jié)果來看：在沒有提前采用加固處理的情況之下，軟土地基的堆載對于整個隧道周邊都會產(chǎn)生一個較大的影響;對于深厚的軟土進行加固，往往采用的方法就是CFG樁+水凝土攪拌樁的方式，在完成復(fù)合地基的之后對于整個的變形控制標準而言可以進一步的加強。

關(guān)鍵詞：深厚軟土;盾構(gòu)隧道;數(shù)值模擬;路基堆載;復(fù)合地基

1 前言

近年來，隨著我國城市化進程日益加快，基礎(chǔ)的城市配套設(shè)施也在不斷的完善，地鐵等相關(guān)的交通設(shè)施建設(shè)也是在如火如荼的開展之中。但與之而來的就是地下建筑物的增加，隨著地鐵修建的增多，地下施工工作也在不斷的進行，其中有一些施工的具體位置在隧道附近，這些工作對于整個地鐵隧道安全而言具有非常嚴重的影響。眾所周知，對于整個的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)而言，地面堆積往往會對其造成縱向或者是環(huán)向，甚至出現(xiàn)變形以及接縫張開等問題。這些問題對于整個隧道安全而言，影響都是很大的。

2 路基盾構(gòu)隧道工程的相關(guān)研究現(xiàn)狀

此前有很多的專家對于隧道發(fā)生的豎向不均勻變形的原因進行相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)主要的原因就是因為在隧道的周邊，其所承擔(dān)的荷載發(fā)生了巨變，同時對隧道出現(xiàn)豎向變形的原因和機理進行了闡述。其中在上海地區(qū)的軟土地層地鐵隧道主要施工方法采用的就是盾構(gòu)法的施工方法，采用了這種施工方法，一旦隧道整體的縱向或者橫向的變形過大就會對整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。

國際隧道協(xié)會曾在2000年發(fā)布過盾構(gòu)法隧道設(shè)計的相關(guān)指導(dǎo)意見，其中更是將隧道的豎向變形對于隧道的整體影響寫入到了荷載類別中去，把它歸類為特殊荷載。美國運輸協(xié)會也曾在其年度報告中指出，軟土變形會直接導(dǎo)致軟土地層中的隧道和管道的損害。因此，要想從本質(zhì)上確保隧道使用的安全性，就必須要從地面卸載對于整個盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)變形影響來進行相關(guān)的研究。

就目前的相關(guān)資料來看，很對研究人員的研究主要是關(guān)于基坑開挖以及新建隧道的施工來進行的，而對于盾構(gòu)結(jié)構(gòu)在地面堆載下的受力情況下變形而進行的相關(guān)研究還不是很多。因此，在本文之中筆者主要就是針對福建地鐵6號線上方施工城市的快速路作為研究的背景。對整個的軌道交通建設(shè)、運營管理的辦法進行研究，并且也通過有限元建模分析了盾構(gòu)隧道手路基堆載的影響，對堆載引起的盾構(gòu)隧道變形的原因也進行了分析。該成果也為軟土地層盾構(gòu)周邊堆載情況下的變形機理及整治對策研究提供了一定的參考。

3 路基與盾構(gòu)隧道工程概況

以福州城市的綜合性主干道為例，道慶路（峽漳路至漳江路）為雙向六車道，整個道路寬52米，整體的設(shè)計時速在60km/h以上。在福州市的軌道交通系統(tǒng)之中，6號線是其主要線路，全程途徑福州機場、濱海新城、長樂以及東部新城等地，是福州市城市整體東進的龍頭項目之一，對城市沿江海發(fā)展，引導(dǎo)和支持長樂、濱海新城的建設(shè)有著非常重要的意義。其中道慶路與福州地鐵六號線的鶴上站-萬壽站的路線有著很強的一致性。

從整體的隧道建設(shè)情況來進行分析，該路段的主要地貌單元是沖海積-海陸交互平原，整體的地形都是較為的平坦，整體的海拔變化不大，地理結(jié)構(gòu)從上到下分別包含了泥細中砂，淤泥質(zhì)土，粉質(zhì)黏土以及全風(fēng)化花崗巖。

4 地鐵變形控制標準

關(guān)于這種有地鐵盾構(gòu)隧道變形的結(jié)構(gòu)，我們的主要關(guān)注的是有兩個，其中一個關(guān)于隧道的最多戰(zhàn)許變形值，這些變形值會直接對豎向沉降、扭轉(zhuǎn)以及傾斜等造成嚴重的影響，這些直接反應(yīng)了已存在隧道結(jié)構(gòu)的安全問題;而另一個我們主要關(guān)注的內(nèi)容就是既有隧道的最大戰(zhàn)許變形速率。因此，我們在對既有隧道進行變形控制時，主要側(cè)重在對沉降控制值、沉降速率控制值、不均與沉降控制值、結(jié)構(gòu)傾斜控制值以及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)控制值等方面。

從《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護》中的相關(guān)條款中我們可以看出，在城市軌道交通結(jié)構(gòu)方面的安全控制指標有很多的具體要求，這些都可以用來作為確定隧道的容許變量的重要依據(jù)。具體規(guī)格如表1所示：

5 軟土地層上方堆載的變形特性分析

由于整個的盾構(gòu)路線的中心線基本上都會沿著路基的中心線來穿過，因此，對于相關(guān)模型的分析我們需要做到平面應(yīng)變，具體的操作方法就是使用MIDAS GTS-NX這一款軟件來對其進行具體的分析，并結(jié)和路基堆載的詳細條件來預(yù)測地鐵盾構(gòu)隧道的詳細變形情況。

設(shè)計人員實地考察施工場地之后，建立具體的模型，在進行具體的路基堆載模型建立時，我們往往會采用實際路基寬度的3-4倍進行模擬，整體的深度是實際隧道底部標準的2.5倍以上，然后再根據(jù)工程中的實際尺寸來確立模型尺寸為167m × 55m，整個的模型單元共含有37068個，模型的單元節(jié)點有35740個，當堆載完成時的有限元模型及相關(guān)的網(wǎng)格劃分。（如圖1所示）

在上圖中，我們所采用的模擬堆載高度是實際工程之中最不利的情況，為5米，一共為兩層堆載。整個的模型邊界條件為：底部約束水平和豎向的位移，兩側(cè)約束法位移，頂部自由。

在建立該模型時，我們就假定整個的圖層與填土都采用的是Mohr-Coulomb的彈塑性本構(gòu)造模型，對于設(shè)計的整個盾構(gòu)支護結(jié)構(gòu)采用的是彈性材料的模擬，在地鐵隧道管片混泥土的結(jié)構(gòu)之中通過使用環(huán)向的螺荔來降低整個管片的剛性強度。因此，整個的管片結(jié)構(gòu)的彈性模量可以按照混泥土材料的彈性模量來進行適當?shù)恼蹨p。

6 綜合方案加固軟基的效果分析

為了保障整個的堆載可以在軟土層中的變形不超相關(guān)市級規(guī)定的限定值，在本項目之中，我們采取了一個較為綜合的反感來對整個隧道周邊的地層，進行了相關(guān)的加固以形成較為良好的地基。該項工程所采用的主要措施就是將盾構(gòu)類化3米以作布設(shè)GFC樁行訂長的3米規(guī)持，作為布設(shè)的水泥土策協(xié)樁，在使用CFG樁時樁寬，嵌入粉質(zhì)黏土層可達3米，CFG樁的直徑可以達到0.5米，相間的間距可以達到2米，在樁頂?shù)耐翆又g可以每隔20厘米設(shè)立一層土工格柵，環(huán)布可以設(shè)置為三層。

7 結(jié)語

根據(jù)整個的軟土路基堆載情況下對于既有的軌道變形進行一個詳細切充分的分析，得出了一些行之有效的方法，可以運用到城市軌道交通的隧道具體建設(shè)之中去，其對于整個既有隧道穩(wěn)定性以及安全性都起到了有利影響。同時，相關(guān)建筑施工技術(shù)人員應(yīng)不斷進行技術(shù)的探索與革新，根據(jù)施工地的具體情況，綜合分析，權(quán)衡利弊，進而進行有效的施工方案設(shè)計。

參考文獻：

[1]呂荔炫.軟土路基堆載下既有隧道變形特性分析[J].路基工程，2019（03）：125-129.

[2]肖明清，門燕青，孫連勇，廖少明.軟土盾構(gòu)隧道縱向應(yīng)力松弛規(guī)律的數(shù)值分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018，55（S2）：544-551.

[3].深厚軟土層地鐵盾構(gòu)隧道修建與變形復(fù)位技術(shù)[J].建設(shè)科技，2017（20）：40-41.