软土作为一种近代水下沉积形成的一种特殊土体,在中国的沿海地区广泛分布。随着沿海城市快速发展,既有城市建设已无法满足经济建设的需求,一大批轨道交通、高速公路、码头及机场等基础建设工程列入城市发展规划。而软土由于其自身的高压缩性、高灵敏度及低强度等特性给工程建设带来许多难题
[1-4]。伴随着城市轨道交通的发展,地铁隧道下穿既有铁路路基的情况常有发生,地铁隧道开挖不可避免引起既有铁路路基沉降
[5]。盾构隧道掘进过程中对周围土体扰动引起的地层损失会使得开挖范围内地表以及路基等出现不同程度的沉降变形,而路基下方土体扰动先后顺序的不同造成的钢轨不均匀沉降现象严重影响列车行车安全。铁路由于其变形控制要求严格,因而盾构隧道下穿既有铁路时必须采取合理的掘进参数以及加固措施。
中外学者通过有限元计算、理论分析以及模型实验对盾构隧道下穿既有路基沉降控制展开了大量研究。Vinoth等
[6]对盾构施工过程中土体的松动区以及承载区进行研究,分析了粉土以及砂质土在不同掘进参数下的松动区演变,结果表明,粉土地层中施工诱发的松动区范围大于砂质土地层,在不同地层施工时需采取不同的掘进参数。Schiena等
[7]使用有限元软件Plaxis对盾构诱发沉降进行研究,通过对比常规的线性弹塑性M-C(Mohr-Coulomb)模型以及小应变刚度(HSS)高级硬化土模型,采用小应变刚度高级硬化土模型能够更好地吻合现场测量的沉降结果。娄洪峻等
[8]基于PLAXIS有限元软件建立铁路路基-土体-隧道的三维精细化数值模型,探讨了盾构掘进过程中地层损失率、开挖面支护压力、盾尾注浆压力对隧道上方城际铁路路基沉降规律的影响,结果表明,选取合理的盾尾注浆压力能够较好控制路基沉降。孙连勇等
[9]采用Abaqus软件对盾构隧道近距离下穿胶济铁路线桥梁与路基进行研究,采用钻孔灌注桩加固效果良好,对既有铁路沉降变形起到了积极的控制作用。冯超等
[10]建立FLAC三维数值模型对盾构隧道下穿宁启铁路桥涵进行计算分析,当采用袖阀管注浆对地基进行加固时可以将地铁下穿带来的铁路沉降影响降至0.7 mm。王文谦等
[11]通过数值模拟对三种路基防护方案进行研究,当采用保压循环注浆时,对于既有路基变形控制效果最好。在理论分析方面,Peck公式作为经典的沉降槽预测公式被用于下穿施工后铁路不均匀沉降预测以及沉降控制标准指定
[12-14]。建立在相似理论基础上的模型试验方法能够很好模拟复杂环境下岩土体变形,因而常用于研究地下工程当中土体破坏特征及破坏机理
[15-16]。刘勇等
[17]以拟建的石家庄市轨道交通4号线下穿京石高速铁路路基为工程背景,基于几何相似比配制了地层和结构模型试验材料,结果表明,盾尾脱出阶段发生的地层沉降占比大于74%。
分析类似工程案例可知,铁路轨道由于其高平顺性要求,通过控制盾构掘进参数控制既有铁路沉降往往达不到理想效果,因而采取相应的辅助工法对于地层进行加固是十分必要的。为此,以宁波地铁七号线下穿北环下行线及牵出线为依托,通过建立搅拌桩群桩加固效应的数值模型结合现场监测对盾构隧道下穿既有铁路软土路基变形进行研究。首先,采用FLAC当中的Pile结构单元模拟搅拌桩群桩,精细化建立考虑桩-土协同作用的群桩复合地基效应的数值模型并对路基填筑进行模拟;其次,揭示双线盾构施工掘进过程中,铁路软土路基沉降的演化规律及叠加效应;最后,基于数值模拟评估“MJS(metro jet system)桩组合压密注浆”沉降控制技术加固效果并通过现场实测验证方案的可行性。研究成果可为海积软土地区类似盾构下穿工程的沉降变形控制提供技术参考,对保障城市轨道交通建设与既有铁路大动脉的安全运营具有重要的工程实践意义。
1 工程概况
宁波市轨道交通7号线工程是南北方向的市区线,线路南起东钱湖地区线,途经邱隘镇、东部新城、老外滩、湾头、庄桥等地。线路全长约39.4 km,全部为地下线,设站25座,其中换乘站11座。宁慈路站—宝轴西站区间为全线第18个区间,采用盾构法施工,线路出宁慈路站后沿康桥南路敷设,向北下穿军用输油管、楼家河桥、恒业化工设备有限公司门卫房(侧穿)、北环下行线、江北大河、铸峰路污路水管及沉井等,继续向北前行,进入宝轴西路站。区间隧道穿越土层主要为:②2b淤泥质黏土、②2c淤泥质粉质黏土、③2粉质黏土、④1b淤泥质粉质黏土、④2b粉质黏土。
隧道为两条内径5.9 m、外径6.6 m单洞单线圆形隧道,线间距为13.0~34.7 m;线路纵坡呈“V”字坡,隧道顶部埋深约9.61~26.07 m。其中存在下穿盾构施工节点6为北环下行线和洪塘乡Ⅳ场牵出线的并行路基段,对应铁路里程为北环下行K3+084、K3+102。节点6始发掘进1 518 m后下穿第一处铁路北环线下行线,盾构外边线距离铁路既有桩基础底部最小距离约12.09 m,右线盾构顶标高23.289 m,盾构外边线距离既有桩基础底部最小距离约9.14 m,节点6现场施工环境如
图1所示。
2 盾构下穿软土路基数值模型
2.1 数值模型
根据宁波地铁七号线宁宝区间左右线地质纵断面图,以盾构下穿北环下行线断面作为参考进行模型建立。为便于模型建立,假设地表层和各地层是均匀分布的。盾构隧道外径6.6 m,区间隧道穿越地层为④
2b粉质黏土地层。地层分布及各地层厚度如
图2所示。
根据新建双线盾构隧道和既有铁路空间关系进行建模采用六面体网格进行网格划分,根据圣维南原理取左右及下边界至隧道距离为5
D(
D为隧道洞径),模型尺寸为82 m(长)×72 m(宽)×62 m(高),网格划分后的三维数值模型如
图3所示。划分后节点数量为347 001个,单元数量为332 240个。计算过程当中上表面为自由边界,左右表面施加
x方向约束,前后表面施加
y方向约束,地面施加
z方向约束。既有铁路路基采用参数为
φ0.5@1.2 m水泥搅拌桩加固路基,数值模拟中采用pile单元进行模拟。
2.2 参数选取
在数值模拟过程中,地层采用理想弹塑性材料模拟,遵循Mohr-Coulomb屈服准则。宁波地铁七号线工程地质勘察报告提供了各土层的天然重度,含水率以及孔隙比等物理指标。各土层的弹性模量根据地勘报告给出的压缩模量换算得到;各土层黏聚力以及内摩擦角根据地勘报告中土体快剪实验数据整理得到。参考文献[
18]中宁波地区软土的典型工程参数经验值范围对地勘报告中各土层参数进行综合选取,确保模型参数准确。管片采用线弹性本构模型,考虑拼装部位接头对于整体结构的减弱,将管片弹性模量折减为原先80%。盾尾空隙、土体向盾尾空隙的自然充填及注浆后浆体的分布情况和隧道壁面受扰动的程度和范围对于地表位移有着重要影响,数值模拟中可将其概化为一均值弹性等代层进行分析等代层的厚度,计算公式为
式(1)中:δ为等代层厚度;$\ddot{A}$为计算的盾尾空隙,即盾构外径与衬砌外径之间的差值的1/2,m;针对本工程案例,盾构管片外径为6.6 m,盾构机外径为6.8 m,计算可得盾尾间隙为0.1 m,取软黏土折减系数η为1.6,即本次计算等代层厚度为0.16 m。
地层、管片、等代层以及路基的物理力学参数如
表1所示。
2.3 搅拌桩加固及路基填筑模拟
既有北环下行线和洪塘乡Ⅳ场牵出线采用水泥土搅拌桩进行软黏土基础加固,水泥作为固化剂与软土发生的一系列物理化学反应,能够使得软土进行硬化从而提升强度。在荷载作用下,天然地基土体和水泥土搅拌桩体共同承担荷载。在模拟盾构隧道开挖之前,需要在土体自重应力平衡后进行水泥土搅拌桩加固模拟以及路基填筑过程模拟。
通过FLAC
3D当中内置pile单元进行水泥土搅拌桩模拟,在模型当中以1.2 m为间隔,采取正方形布桩的方式进行打设,共计打设1 173根桩单元。考虑原有设计,采用粉砂地层作为持力层,桩长为14 m,桩体重度为2 500 kN/m
3,弹性模量为100 MPa,泊松比为0.25。考虑桩-黏土接触,根据内置手册,接触面遵循摩尔库伦准则,桩土接触面切向刚度和法向刚度均设置为3.58×10
8 kN/m
3,黏聚力设置为4 kPa,摩擦角设置为16°,黏聚力设置为4 kPa。为模拟桩基深部承载效果,删除桩底端节点连接,并赋予新的法向屈服弹簧刚度。地应力平衡后打设水泥搅拌桩,桩身轴力如
图4所示。
计算水泥搅拌桩打设至平衡后,赋予路基网格Mohr-Coulomb模型,继续计算至平衡,通过水泥搅拌桩加固,
Z方向沉降呈现由中间向两边减小的“U形”沉降槽形态,最大沉降量为4.79 cm(
图5)出现于路基中部基底位置,能够较好反应路基填筑过程中的变形。为了方便后续计算,在路基填筑模拟完成后,将所有网格位移赋予0,后续位移云图均为盾构隧道开挖所引起的施工沉降。
3 盾构下穿软土路基数值模型
为了分析盾构掘进过程当中路基沉降变化,在既有北环下行线和洪塘乡Ⅳ场牵出线左路肩和右路肩布设4条测线,如
图6所示,从开挖方向四条测线依次为北环下行线-右路肩、北环下行线-左路肩、洪塘乡Ⅳ场牵出线-右路肩以及洪塘乡Ⅳ场牵出线-左路肩。为分析盾构下穿对于既有铁路影响,分别分析盾构左线开挖至路基正下方、盾构右线开挖至路基下方以及盾构双线开挖完成后路基沉降变化。
3.1 左线开挖至路基下方
当左线隧道开挖至第30环时,此时开挖面位于路基正下方,此时由于掌子面土仓压力以及同步注浆压力对土体的挤压,路基整体呈现略隆起状态,整体变形曲线近似服从正态分布,由路基
Z方向位移云图(
图7)最大沉降量位置位于先行左线隧道正上方,最大值为1.72 mm。由于北环下行线-右路肩测点位于掌子面后方,其沉降槽相较于其他测线“窄而深”(
图8)。4条测线均为沉降槽中心位于左线盾构隧道中线位置的沉降槽曲线。
3.2 右线开挖至路基下方
当右线隧道开挖至第30环时,此时开挖面位于路基正下方,由于此时左线盾构已经完全通过北环下行线,路基整体呈现沉降状态,路基两侧略微隆起。由路基
Z方向位移云图(
图9),路基最大沉降量为5.85 mm,出现于北环下行线路基基底。由于盾构隧道右线的开挖,铁路路基逐渐受到右线开挖引起地层损失的影响,最大沉降位置由盾构隧道左线上方向两隧道中线方向偏移(
图10)。当左线隧道通过水泥搅拌桩加固区后,既有路基沉降量急剧增大,由于盾构隧道右线此时开挖面位于路基正下方,此时既有路基沉降量主要由左线开挖引起。
3.3 开挖完成
当盾构隧道左线和右线都开挖完成后,路基最大沉降量位于两隧道中心线的上方。此时沉降量最大位置出现在洪塘乡Ⅳ场牵出线路基基底位置,最大沉降量为8.70 mm(
图11)。全线贯通后,4条测线均呈现呈两隧道中心线对称的“U形”沉降槽曲线(
图12)。受双线盾构隧道的开挖影响,既有路基累计最大变形量为8.45 mm,出现在洪塘乡Ⅳ场牵出线左路肩位置处,已经超过铁路路基沉降量限定值6 mm的规定
[7]。受水泥搅拌桩复合地基的加固效果,两条铁路线路路基沉降由中心向两侧逐渐增加,最大沉降量位置均发生于线路外侧。通过对两条铁路线路四条测线进行分析,此时路基出现一定程度上的不均匀沉降现象,在洪塘乡Ⅳ场牵出线路基上更为明显,最大不均匀沉降量为0.57 mm。数值模拟结果表明,如不采用相应辅助工法对既有路基进行加固,既有路基累计沉降量无法满足既有运营铁路沉降要求,因此必须对既有铁路采取相应的加固手段,确保铁路运营的安全性。
4 加固方案及效果
4.1 现场加固方案
节点6处下穿北环线路基段铁路的防护形式如下:在铁路两侧坡脚附近设置一道
φ1.8 m@1.2 m的MJS 旋喷桩止浆墙帷幕,形成后的止浆墙宽1.8 m,长41.4 m。帷幕之间路基下方的土体,盾构顶以上7 m至盾构底以下3 m范围内进行压密注浆加固(
图13)。注浆液采用42.5普通水泥按1∶1(质量比)进行制拌,注浆时先灌入稀浆开孔,然后再注入设计按配合比制拌的浆液。施工期间北环下行线慢行60 km/h。现场加固示意图如
图13所示。
4.2 加固后数值模拟
数值模拟过程中通过提高土体力学参数达到对模拟压密注浆的效果,数值模拟中忽略注浆压力对于土层的影响。加固区力学参数选用水泥土的力学参数,弹性模量为250 MPa,重度为2 400 kN/m
3,泊松比取0.25,黏聚力取值为83 kPa,内摩擦角为35°。模拟过程同前文一样,在地应力平衡后进行搅拌桩加固及路基填筑模拟,计算至平衡后对地层相应区域赋予加固区土体力学参数(
图14)。加固范围为盾构隧道拱顶以上7 m至拱底以下3 m范围内。赋予加固区力学参数后计算至平衡进而进行盾构隧道开挖模拟,模拟过程同1.4节。
当盾构隧道左线和右线都开挖完成后,路基最大沉降量位于两隧道中心线的上方。此时沉降量最大位置出现在洪塘乡Ⅳ场牵出线路基基底位置,最大沉降量为3.89 mm(
图15),最大沉降量位于两隧道中心轴线的上方。通过分析既有4条测线(
图16)可知,最大沉降量发生在洪塘乡Ⅳ场牵出线-左路肩测线,最大累计沉降量为3.65 mm,小于铁路路基沉降量限定值6 mm的规定。相较于未加固前的工况,洪塘乡Ⅳ场牵出线-左路肩测线累计最大沉降量减少57%。采用MJS桩组合压密注浆工法能够提高地层强度,减少盾构开挖对土体及路基结构扰动,使得既有路基累计沉降量满足规范要求。
4.3 现场加固效果分析
路基监测点布置于两侧的路肩,K3+024~K3+164路基段布点间距按照10 m间距布设监测点(根据345号文件布点,因考虑盾构穿越施工风险较大加密布设),路基左右测共计布设38个监测点;根据设计要求北环下行线和洪塘乡Ⅳ场牵出线的并行路基段K3+024~K3+164(北环下行线里程)区域布设路基、轨道监测点,K3+064~K3+124区域按照5 m间距进行埋设,K3+054~K3+064、K3+124~K3+134区域按照10米间距埋设,K3+024~K3+054、K3+134~K3+164区域按照15 m间距埋设,双线共计埋设19个监测断面,现场监测点布设示意图如
图17所示。
该节点盾构于2023年11月27日—12月5日顺利穿越,选取盾构穿越后路基沉降稳定时监测数据如
图18所示。由现场路基监测横向沉降曲线图可知,在盾构隧道穿越后,路基测线的沉降显现出中间大,两边小的变形规律,且路基最大沉降量出现两隧道中心线位置,最大累计沉降量不超过4 mm,与数值模拟得到的结果相近。事实表明,采取MJS桩组合压密注浆工法能够显著降低盾构施工对既有路基的影响,路基累计沉降量小于规范中的要求,验证了本文工法的有效性。MJS桩组合注浆工法在盾构下穿铁路路基的工程中,通过显著缩短工期、提升施工安全性、降低材料损耗和后期维护成本,展现了极高的经济效益和社会价值。通过应用“MJS桩组合压密注浆”组合工法,七号线下穿北环下行线和洪塘乡Ⅳ场牵出线期间,减少工期约32 d,减少成本投入约286万元,取得了良好效果。
5 结论
针对宁波地铁七号线下穿北环下行线及牵出线为依托,通过数值模拟结合现场监测对双线盾构隧道下穿既有铁路软土路基变形时空演变特征进行研究,并提出采用MJS桩组合注浆工法控制铁路软土路基沉降,通过数值模拟以及现场监测验证了加固的有效性。得出如下主要结论。
(1)采用Pile结构单元模拟搅拌桩群桩,精细化建立考虑桩-土协同作用的群桩复合地基效应,通过删除单元底部节点连接并设置弹簧刚度模拟深部承载效果,路基填筑最大沉降量为4.79 cm,能较好反应搅拌桩的加固效果。
(2)通过分析双线盾构不同施工期诱发沉降,得到双线盾构诱发沉降叠加规律,路基的变形伴随着双线盾构的掘进进行演变。后行盾构的施工会是的先行盾构诱发的沉降槽范围扩大,沉降槽槽底向两隧道中心线偏移。
(3)通过建立无加固措施下数值模拟工况对下穿施工影响进行研究,不采取加固措施下双线盾构诱发的铁路路基顶面累计沉降量最大值为8.45 mm,出现于洪塘乡Ⅳ场牵出线左路肩处,无法满足运营铁路6 mm的沉降控制标准,必须采取相应辅助工法控制路基沉降。
(4)采用数值模拟与现场监测相结合的手段对MJS桩组合压密注浆加固方式效果进行验证。数值模拟结果显示路基顶面累计最大沉降为3.65 mm,相较于未加固工况,累计最大沉降量减少57%,加固效果良好。此外现场监测数据表明,既有路基沉降量不大于4 mm,加固效果显著。所提出的MJS桩组合压密注浆工法可为类似软土地层盾构下穿施工提供参考。
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