天津地鐵既有線改造工程中的控制差異沉降研究

1、天津地鐵既有線改造工程中的控制差異沉降研究摘要：天津地鐵一號線改造工程是在原有地鐵線路的根底上對車站和局部隧道進展重建，為了列車的運行平安，必須嚴格控制新舊隧道構(gòu)造交接處的差異沉降。通過有限元數(shù)值分析，對所要采用的高壓旋噴加固地基方案進展數(shù)值模擬，確定了加固方式和厚度?，F(xiàn)場實測結(jié)果說明，此次數(shù)值模擬是符合實際的，所選取的方案是經(jīng)濟合理的。關(guān)鍵詞：差異沉降；高壓旋噴樁；地基加固；數(shù)值分析；有限元；現(xiàn)場實測1前言在基坑工程當中，差異沉降往往是造成建筑物開裂、構(gòu)造失效的主要原因之一。引起差異沉降的原因主要有：地基土層性質(zhì)分布不均；根底頂面荷載分布不均；新舊構(gòu)造相接處地基沉降不同。在緊鄰既有構(gòu)造物一側(cè)

2、進展基坑開挖和新構(gòu)造的施作，假如地基的差異沉降控制不好就會引起構(gòu)件的開裂失效。對于地下鐵路而言，地基的差異沉降將會嚴重威脅列車運行平安。天津地鐵一號線工程是沿南北交通主軸在既有地鐵線路的根底上進展的南延北伸。既有線路位于市區(qū)中心地鐵一號線的中段，在撤除與舊車站相連的局部區(qū)間段的根底上，重新修建地鐵區(qū)間隧道，將新建車站與既有區(qū)間隧道連接起來。這樣大規(guī)模的地鐵改造工程在世界范圍內(nèi)實屬罕見。新舊區(qū)間隧道的差異沉降控制是改造工程中的技術(shù)難點和重點1，其研究結(jié)果對保證既有構(gòu)造和列車運營的平安具有重大意義。該工程采用高壓旋噴加固新建隧道下地基土的加固方案，本文通過有限元數(shù)值分析來確定其加固型式和厚度，并用

3、現(xiàn)場觀測的差異沉降數(shù)值進展的對照，結(jié)果說明，差異沉降控制措施是合理的。2工程概況該工程位于天津市南開區(qū)地鐵一號線西南角站，地貌上屬沖積平原，地形較為平坦。勘探深度范圍內(nèi)土層自上而下共分8層，分別是第四系全新人工填土層、新近沉積層、第陸相層、第海相層、第陸相層、第陸相層、第海相層、第陸相層。巖性以雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土為主，土質(zhì)松軟多呈可塑流塑狀，屬中高壓縮性土。無地震可液化層，地震根本烈度為度。地下水埋深0.84，水位變幅12，隧道埋深為2.96。3差異沉降控制方案在新舊區(qū)間隧道相接處，新建構(gòu)造在基坑開挖、隧道體施工、覆土回填的過程中由于基底土體回彈和壓縮會產(chǎn)生固結(jié)沉降，沉降量的大小與支護情況

4、、基底土質(zhì)、地下水位上下等因素有關(guān)；另一方面，既有地鐵線路建于1970年，基底土經(jīng)過長期的固結(jié)，沉降已趨于穩(wěn)定。因此，在新舊構(gòu)造相接處必然會產(chǎn)生一個差異沉降。然而，地鐵運行平安的要求是該差異沉降值必須控制在5范圍內(nèi)，否那么將會危及列車運行平安。在現(xiàn)有的地基加固處理方法當中，高壓旋噴法是一種較為靈敏有效的新方法，常用于復合地基中加固地基土以進步承載力和減少根底沉降。利用高壓噴射注漿形成的固結(jié)體，還可以有效地糾正因根底不均勻沉降而導致的建筑物傾斜，充填有裂隙和洞穴的地層或地下工程壁后空隙。因此，為了嚴格地控制差異沉降，在新舊隧道相接的過渡段處，新構(gòu)造隧道底板下采用高壓旋噴法加固地基土，如圖1所示。

5、基坑兩側(cè)采用咬合樁作為基坑的支護構(gòu)造和止水帷幕，所用樁長L=16.2，樁徑=1000；同時，在過渡段既有構(gòu)造一側(cè)10范圍內(nèi)的隧道兩側(cè)及基底下一定深度內(nèi)分別設(shè)置6和3的縱橫向高壓旋噴樁止水帷幕來改變滲流途徑，防止地下水向新隧道基坑內(nèi)滲入，新舊隧道之間設(shè)置2的沉降縫。由于新構(gòu)造坑底地基土加固是控制差異沉降的關(guān)鍵措施，因此有必要通過有限元數(shù)值計算來確定高壓旋噴加固的型式和加固厚度。目前，在地鐵基坑設(shè)計當中，經(jīng)常采用的高壓旋噴加固方法有基底程度面全斷面加固、抽條加固以及旋噴樁加固3種型式。在本文的數(shù)值計算分析當中，采用3類比照方案：基底不加固；厚度分別為4，5，6的全斷面加固；厚度分別為4，5，6的抽

6、條加固抽條寬度2.066，間距從1開場逐漸加寬，增幅為0.5。鋼筋砼隧道體的彈性模量E和泊松比分別為3.1107kPa和0.2，咬合樁和高壓旋噴樁體的E與分別為2.5107kPa和0.25，各土層參數(shù)見表1。4數(shù)值分析4.1計算理論與方法新隧道的構(gòu)筑是在撤除一局部既有隧道后進展的，土方開挖量不大。本文采用有限單元法，按照平面應(yīng)變問題來分析新隧道構(gòu)造斷面的基底沉降，以期找到較為合理的地基加固處理方式。由于舊構(gòu)造固結(jié)幾乎完成，又采取了加固措施，同時施工中所受擾動較小施工中的位移監(jiān)測也證實了這一點，故計算時僅分析新建隧道的沉降，只要控制住新建隧道沉降，必然就能控制住差異沉降實際上，舊構(gòu)造的沉降可減小

7、差異沉降。新隧道構(gòu)造斷面的計算域范圍如圖2所示。模型中單元采用4節(jié)點等參單元，單元每個節(jié)點分別有x和y方向上的兩個位移自由度。土體采用Druker-Prager屈從準那么2。在常用的接觸面單元中，Gdan單元3如圖3所示可以較好的反映構(gòu)造與土體接觸面的特性，因此在圍護構(gòu)造與土體之間設(shè)置了一層Gdan單元。文中，基坑開挖等效荷載的計算采用Ghabussi(1984)4和Brn(1985)5對ana法6提出修正的方法。由于原隧道為淺埋隧道，隧道底部的附加壓力不大，故在本文中近似按自重應(yīng)力建立初始應(yīng)力常接觸面單元的初始應(yīng)力由相鄰土體單元的初始應(yīng)力來確定。4.2數(shù)值計算結(jié)果分析沉降計算的過程分為以下5

8、步：自重應(yīng)力場的計算；基坑兩側(cè)打入咬合樁支護，基坑開挖至基底，做旋噴樁加固并封底，此時為新構(gòu)造沉降計算初始值；構(gòu)筑新隧道體，計算底板沉降；上覆土體回填，計算底板沉降；長期固結(jié)沉降預(yù)測。按照高壓旋噴加固厚度為4，5，6的抽條加固和全斷面加固的方式分別計算，計算得出的隧道底板處在施工完畢時刻的沉降值如圖4所示。圖中，橫坐標的節(jié)點表示計算模型中隧道底板處的19個單元節(jié)點，縱坐標表示各個節(jié)點處的沉降值，也是新舊構(gòu)造在底板處的差異沉降值。從圖4可以看出：基底不加固處理和加固厚度為4的抽條以及全斷面加固方案的沉降值均超出了5的容許沉降控制標準；厚度為5和6的高壓旋噴樁抽條加固和全斷面加固的的沉降值相近厚度

9、為5的抽條及全斷面加固底板平均沉降值分別是-3.15和-2.78；厚度為6的抽條及全斷面加固底板平均沉降值是-2.83和-2.10，均滿足差異沉降的控制要求。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.在沉降計算過程當中考慮了土體的固結(jié)作用，按照施工初期的基坑降水過程是瞬間完成且水位面長期維持不變的假定簡化土體的主固結(jié)和長期固結(jié)沉降計算。從新構(gòu)造底板澆筑完畢第1d到施工完成時刻第105d，隧道底板中心點處的固結(jié)沉降隨時間的變化如圖5所示。從圖中可以看出，基底不進展高壓旋噴加固方案的固結(jié)沉降隨時間變化最大，加固厚度為分別為5和6的抽條以及全斷面加固方案的固結(jié)沉降隨時間的變化較校根據(jù)圖4和圖5所示，可以看出基底不加固和

10、加固厚度為4的方案不滿足容許的沉降控制標準，因此這兩種方案予以放棄。在滿足容許沉降的控制標準的前提下，考慮工程的經(jīng)濟造價因素，設(shè)計方選用了厚度為5的高壓旋噴抽條加固作為最終的方案。在5厚抽條加固地基方案中，隧道底板中點處的超孔隙水壓力隨時間的變化如圖6所示。從圖中可以看出，在新構(gòu)造的施工過程中，由于施工荷載的逐漸施加引起的超孔隙水壓力在隧道上覆土回填完畢前到達峰值，當施工完畢后，超孔隙水壓力很快消散。由于土層浸透系數(shù)較大，在施工完成后的3個月內(nèi)，超孔隙水壓力幾乎完全消散，地基土的固結(jié)完成很快，長期固結(jié)對差異沉降的影響非常校長期固結(jié)沉降的開展趨勢如圖7所示，可以看出：施工完畢后的20年內(nèi)次固結(jié)的

11、開展非常緩慢，沉降值始終控制在容許值范圍內(nèi)。在這里需要指出的是，當隧道上覆土體回填完畢之后1個月時基坑停頓降水。此時在滲流作用下地下水位逐漸由基坑下恢復到自然地下水位面?？梢钥隙ǖ氖?，由于地下水位面的上升在基底產(chǎn)生的浮托力可以減小新舊構(gòu)造的差異沉降，這對于控制差異沉降措施問題是個積極的因素。因此為了簡化問題便于計算，本文在計算長期固結(jié)沉降時假定基坑降水后地下水位面一直保持不變，因此這樣計算出的固結(jié)沉降值會比考慮該條件的計算值大，這樣的設(shè)計也是偏于平安的。5與實測數(shù)據(jù)的比擬為了驗證高壓旋噴樁加固地基的理論計算結(jié)果，在新舊隧道相接處隨著施工進度進展了沉降觀測。當基坑開挖至基底，做好高壓旋噴樁抽條加

12、固體并構(gòu)筑隧道底板新構(gòu)造底板標高與既有構(gòu)造一樣后，在過渡段處新舊構(gòu)造兩邊沿隧道寬度方向各等間距布設(shè)5個測點。其中A1A5代表既有構(gòu)造的測點，B1B5為新構(gòu)造的測點，測點布設(shè)如圖8所示。本次現(xiàn)場觀測共4次：2022年6月16日新隧道底板封底此時布點，新舊構(gòu)造初始沉降均為0.0，7月6日，7月16日隧道構(gòu)造模板支撐完畢、10月11日新隧道構(gòu)建完畢并覆土回填，A1B5的累計沉降觀測值見表2和表3。根據(jù)表2和表3可以看出，從沉降觀測開場至新隧道構(gòu)筑完成時10月11日，新舊隧道構(gòu)造的平均累計沉降差SB-SA=0.92；在整個觀測過程當中，舊構(gòu)造A1A5點的沉降幾乎沒有發(fā)生變化，說明在做好止水和地基加固措

13、施之后，新構(gòu)造對舊構(gòu)造沉降幾乎沒什么影響，因此本文按照平面應(yīng)變問題來進展有限元分析是可行的。由于有限元對實際施工過程的簡化以及不考慮地下水位恢復的影響等因素，計算結(jié)果與實測差異沉降值有一定差距，盡管如此，它們的規(guī)律還是一致的，如圖9平均差異沉降計算值與實測值的比照所示。由以上可知，采用厚度為5的高壓旋噴抽條加固地基的方案，其數(shù)值分析結(jié)果和實測值均滿足差異沉降控制要求，因此是經(jīng)濟且合理的最正確方案。6完畢語天津地鐵一號線改造工程在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)，改造工程的關(guān)鍵在于新舊構(gòu)造的差異沉降控制，只要合理控制差異沉降就能解決改造工程中的技術(shù)難題，對于地鐵建立工程而言是一個很好的范例。根據(jù)數(shù)值分析與現(xiàn)場實測，

14、采用厚度為5的高壓旋噴抽條加固的地基處理方法可以嚴格有效的控制新舊隧道交接處的差異沉降；在高壓旋噴加固處理設(shè)計當中，采用有限元數(shù)值分析的方法可以較為合理確實定加固方式、加固層厚度以及范圍等；對于差異沉降控制非常嚴格的地鐵基坑而言，高壓旋噴加固的地基處理是一種平安可靠、經(jīng)濟合理的方法，操作簡單施工方便，加固后地基長期穩(wěn)定性好，具有廣闊的推廣前景。參考文獻1鄭剛，姜忻良，侯樹民，等.天津地鐵改造中車站箱體位移控制研究J.巖土力學,2002,23(6):733736.ZHENGang,JANGXin-liang,HUShu-inetal.ntrlfstatinbxdisplaeentsduetrenstrutinfTianjinetrsysteJ.RkandSilehanis.2002,23(6):733736.2黃文熙.土的工程性質(zhì).北京:水利電力出版社，1983.3錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算.北京:中國水利水電出版社,1996.4GhabussiJ,PeknldDA.Inreentalfiniteeleentanalysisfgeetriallyalteredstrutures