巖溶區(qū)不同圍巖加固方案下盾構(gòu)隧道列車 振動荷載響應研究*

鄒仁高 謝建斌,2** 李明卓 魏勝斌 許 坤

(1.云南大學建筑與規(guī)劃學院, 650500, 昆明; 2.昆明軍龍巖土工程有限公司, 650021, 昆明∥第一作者, 碩士研究生)

云南省全省巖溶分布面積約占30%[1],昆明市區(qū)近滇池側(cè)除有巖溶分布外,還廣泛分布著泥炭質(zhì)土等軟土,昆明市鄰近滇池側(cè)的地鐵隧道常需穿越泥炭質(zhì)土-巖溶交接分布的軟硬復合巖土層。巖溶區(qū)溶洞的分布、形態(tài)、填充程度,以及土巖復合地層中土、巖分布不同等因素,嚴重影響昆明地鐵盾構(gòu)隧道施工,增加了隧道施工難度及安全隱患[2]。文獻[3]基于南京地鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),采用有限元法研究了列車運行振動荷載作用下粉細砂地層中地鐵動力響應及長期沉降變形。

為研究巖溶區(qū)土巖復合地層地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)長期運營的累計沉降,本文依托昆明地鐵4號線某區(qū)間工程[4],基于巖溶專項勘察成果和有限元分析方法,研究了巖溶區(qū)土巖復合地層不同圍巖加固時,地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在列車運行荷載作用下的動力響應,并對隧道運營100年后隧道結(jié)構(gòu)基底的累計沉降進行了預測分析。

1 工程概況

昆明地鐵4號線連接昆明主城與呈貢新區(qū),線路自西北向東南穿越整個昆明盆地。本文選擇4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間地鐵盾構(gòu)隧道為研究對象,該段里程為YDK40+853.97—YDK40+ 973.97。該區(qū)間位于滇池東側(cè),屬較典型的濱湖相與河流交匯沉積地貌。勘探揭示該區(qū)間為較典型的“上軟下硬”土巖復合地層,區(qū)間內(nèi)共有7處溶洞,其中左線隧道1個、右線隧道6個。所有溶洞均為全填充,填充物以1-2硬塑狀黏性土為主。各巖土層及溶洞填充物的物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

2 三維有限元建模

2.1 模型尺寸及網(wǎng)格

昆明地鐵4號線盾構(gòu)隧道管片外徑為6.44 m,隧道頂部距地面38.9 m,隧道左、右線軸心間距為12.903 m,里程段內(nèi)各層土體的剪切波波速介于126.27～988.00 m/s之間。

選取模型寬度尺寸為隧道開挖直徑的8～12倍[5],建立如圖1所示的盾構(gòu)隧道三維有限元模型。圖1中,模型整體尺寸為:長70 m,寬120 m,高70 m。

圖1 昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間有限元模型

2.2 材料本構(gòu)及模型邊界條件

材料本構(gòu):模型中土體選用莫爾-庫倫本構(gòu),盾構(gòu)管片采用彈性本構(gòu)。隧道結(jié)構(gòu)部分參數(shù)見表2。

表2 隧道結(jié)構(gòu)力學參數(shù)

模型邊界條件:①由于盾構(gòu)隧道模型下部為基巖,在采用Midas GTS-NX軟件進行計算分析時,模型底部可選用固定邊界約束;②為減少邊界對計算結(jié)果的影響,模型周邊邊界選用黏性邊界;③盾構(gòu)隧道襯砌和接頭處均采用剛性連接。

2.3 列車荷載模擬

為表征列車行駛過程中的荷載-時程曲線,文獻[6]選取了一個激勵力函數(shù)用于模擬列車荷載-時程曲線,該列車荷載包括靜荷載和系列正弦函數(shù)疊加而成的動荷載。本文參照文獻[6],選用反映列車不平順、附加荷載和軌面波形磨損效應的激振力來模擬昆明地鐵列車荷載圖。昆明地鐵列車振動荷載時程曲線如圖2所示。

圖2 地鐵列車振動荷載時程圖

3 動力分析

為研究不同圍巖加固方案的加固效果,本文針對4種地鐵盾構(gòu)隧道圍巖(隧道周邊軟弱地層)注漿加固方案分別進行建模研究。A類注漿加固方案為地鐵盾構(gòu)隧道圍巖全斷面注漿加固,B類注漿加固方案為隧道兩側(cè)注漿加固(67.5°圓心角),C類注漿加固方案為隧道下部3/8圓弧(135°圓心角)范圍注漿加固,D類注漿加固方案為隧道下部半圓(180°圓心角)范圍注漿加固。

建模分析時,各類圍巖加固范圍均為隧道盾構(gòu)管片輪廓外延3 m,注漿鋼花管長3.5 m、壁厚3.5 mm,水泥漿液注漿,各類圍巖加固方案實施后的巖土層無側(cè)限抗壓強度均不小于0.8 MPa。注漿加固后圍巖的物理力學參數(shù)按表3取值。

表3 改良后土體力學參數(shù)

鑒于昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間隧道將穿越較小承載力的泥炭質(zhì)土層,因此本文選取盾構(gòu)隧道周邊泥炭質(zhì)土層分布最多的截面為監(jiān)測斷面。

3.1 列車荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道位移響應

圖3為數(shù)值模擬得到的右線列車荷載作用下,圍巖未加固時與加固后監(jiān)測斷面處隧道結(jié)構(gòu)的位移幅值圖。

圖3 監(jiān)測斷面處隧道不同位置的位移幅值

由圖3可知:

1) 加固后,列車荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的沉降均有所減少,其中采用A類注漿加固方案時拱底的沉降最小,為0.507 mm。

2) 在列車振動荷載作用下,監(jiān)測斷面處隧道結(jié)構(gòu)中拱底處位移最大,右側(cè)拱腰處位移略大于左側(cè)拱腰處位移,拱頂處位移最小。

3) 未加固時,隧道基底最大沉降達0.743 mm,采用A類注漿加固方案時隧道基底最大沉降為0.507 mm,與未加固時相比,降幅為31.7%;采用B類、C類和D類注漿加固方案時,隧道基底最大沉降分別為0.636 mm、0.583 mm、0.557 mm,與未加固時相比,降幅分別為14.4%、21.5%和25.0%。由此可見,A類注漿加固方案的加固效果最好。

3.2 列車荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道應力響應

圖4為數(shù)值模擬得到的右線列車荷載作用下,圍巖未加固時與加固后監(jiān)測斷面處隧道基底最大主應力。

圖4 監(jiān)測斷面處隧道基底主應力幅值

由圖4可知:當隧道受列車振動荷載作用時,圍巖未加固時與加固后的隧道基底的最大主應力有一定差異;采用A類注漿加固方案時,隧道基底最大主應力的數(shù)值最小,為136.6 kPa,與未加固時相比,降低了4.6%,小于疲勞狀態(tài)下C50混凝土抗拉強度設計值(1 190 kPa)[7];采用B類、C類和D類注漿加固方案時,隧道基底最大主應力降幅分別為1.7%、1.3%和1.5%。該模擬結(jié)果也表明,采用隧道圍巖二次注漿加固工藝對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的應力影響并不顯著。

3.3 列車荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道加速度響應

表4為數(shù)值模擬得到的右線列車荷載作用下監(jiān)測斷面處隧道不同位置最大加速度。

由表4可知,與圍巖未加固相比,圍巖加固后列車荷載作用下監(jiān)測斷面處隧道不同位置的最大振動加速度均有減小;未加固時,隧道拱底振動加速度最大值為22.634 mm/s2;當采用A類注漿加固方案加固時,隧道拱底的最大振動加速度為15.755 mm/s2,與未加固時相比,降幅為30.4%;采用B類、C類和D類注漿加固方案加固時,隧道拱底最大振動加速度分別為18.306 mm/s2、18.692 mm/s2和18.010 mm/s2,與未加固時相比,降幅分別為19.1%、17.4%和20.4%。

4 地鐵盾構(gòu)隧道工后累計沉降

4.1 列車荷載作用下隧道典型斷面處基底沉降

由列車荷載作用下監(jiān)測斷面處地鐵盾構(gòu)隧道的位移、應力及振動加速度分布可知,列車運行振動荷載對地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)有一定影響。為研究巖溶區(qū)穿越“土巖交接”復合地層,尤其是下臥軟土層的地鐵盾構(gòu)隧道在工后列車運行振動荷載作用下的累計沉降,分析地鐵盾構(gòu)隧道運營100年后的沉降,本文采用經(jīng)典Monismith簡單指數(shù)模型[8]計算并預測昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間地鐵盾構(gòu)隧道運營100年后的拱底累計沉降,計算公式為:

ε=ANb

式中:

ε——隧道基底土體的累積塑性應變;

A——單次荷載作用下盾構(gòu)隧道基底土體的塑性應變,取決于土體類型、物理狀態(tài)和偏應力;

N——荷載的作用次數(shù)即列車振動荷載的作用次數(shù);

b——由土體類型和地鐵列車運營工況決定的參數(shù),取值為0.17。

圖5為列車荷載作用下盾構(gòu)隧道典型斷面處(樁號里程YDK40+863.97處,圖1所示模型距左端7 m處的斷面)基底運營100年時段內(nèi)的累計沉降曲線。

圖5 列車運行100年隧道典型斷面處基底累計沉降

由圖5可知:

1) 與未加固時相比,加固后的隧道運營100年后基底累計沉降均有一定程度減小。其中,采用B類注漿加固方案加固時隧道基底累計沉降最大,C類的次之,D類的較小,A類最小。

2) 采用A類注漿加固方案加固時隧道基底累計沉降為8.176 mm,但是,第1年內(nèi)的隧道基底沉降為3.737 mm,為百年總沉降量的45.7%;前2年內(nèi)的隧道基底累計沉降為4.205 mm,為百年總沉降量的51.4%;前10年內(nèi)的隧道基底累計沉降為5.528 mm,為百年總沉降量的67.6%。由此可知,列車運行荷載作用下隧道基底累計沉降主要發(fā)生在運營初始階段。

4.2 列車荷載下地鐵盾構(gòu)隧道基底沿程沉降

為全面研究列車運行荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道基底的沿程沉降情況,本文自模型左端(樁號里程YDK40+863.97處)開始,沿模型每隔5.0 m(隧道下臥軟土區(qū)段)或3.5 m(隧道穿越土巖交接區(qū)段)設一分析預測點,以預測該處隧道基底的累計沉降值。圖6為預測的地鐵運營100年后昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間下臥軟土層段隧道基底沿程沉降曲線。

圖6 地鐵運營100年后隧道沿線基底累計沉降

根據(jù)城市軌道交通沉降監(jiān)測要求:地鐵盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)基底差異沉降應小于0.000 4ΔLx[9-10](ΔLx為分析預測點間距);在昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間,在0～73.5 m(ΔLx為5.0 m)區(qū)段,相鄰監(jiān)測點基底沉降差值不應大于2 mm;在73.5～120.0 m(ΔLx為3.5 m)區(qū)段,相鄰監(jiān)測點基底沉降差值不應大于1.4 mm。由圖6可知,采用A類、C類和D類注漿加固方案加固時,隧道管片結(jié)構(gòu)基底相鄰預測點的差異沉降均符合規(guī)范要求,而圍巖未加固時及采用B類注漿加固方案加固時,隧道管片結(jié)構(gòu)基底相鄰預測點的差異沉降則不符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文依托昆明地鐵4號線某巖溶區(qū)間工程,采用理論分析及數(shù)值模擬方法,研究了列車動力荷載作用下巖溶區(qū)不同圍巖注漿加固方案下地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的動力響應及運營期隧道基底的累計沉降,研究結(jié)果表明:

1) 4類圍巖加固方案均可減少列車動力荷載作用下地鐵盾構(gòu)隧道的位移、應力和振動加速度。其中,A類注漿加固方案的效果最好,與未加固時相比,列車運行荷載作用下隧道典型斷面處的位移、應力和振動加速度的減幅分別為31.7%、30.4%和4.6%。

2) 在列車運行荷載作用下,昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間盾構(gòu)隧道的基底累計沉降主要發(fā)生在地鐵運營前10年內(nèi),地鐵運營前10年內(nèi)的隧道基底累計沉降達運營100年后總沉降量的2/3。故應加強盾構(gòu)隧道工后前10年的監(jiān)測與管控,以保證隧道結(jié)構(gòu)安全。

3) 地鐵盾構(gòu)隧道運營100年后,未加固時,隧道基底沉降為11.357 mm;采用A類、B類、C類和D類注漿加固方案時隧道基底的沉降分別為8.176 mm、10.527 mm、9.293 mm和8.392 mm;而未加固時及采用B類注漿加固方案時,隧道管片基底累計沉降不滿足隧道不均勻沉降的控制標準。因此,泥炭質(zhì)土-巖溶交接分布軟硬復合巖土層中或下臥軟土層時,地鐵盾構(gòu)隧道圍巖加固選用全斷面注漿加固方案或隧道下部加固方案為宜。