大跨度隧道下穿铁路施工的地层固结影响分析

大跨度隧道下穿铁路施工的地层固结影响分析

方亮

身份证号：421182198807034718

摘要：随着我国交通设施的发展，大跨度隧道下穿既有铁路工程给既有线路变形控制带来了极大挑战。变形原因除施工的直接影响外，还有下穿施工扰动带来的穿越地层排水固结因素。其中后者是由于施工扰动导致的超孔隙水压消散，固结变形过程与地层损失造成的沉降相比缓慢且变形更大，因此有必要从下穿施工扰动引起的地层再固结角度对路基沉降与地层超孔隙水压力间联系进行研究，分析路基稳定影响。

关键词：大跨度隧道下穿铁路；施工；地层固结；影响分析

引言

随着地铁不断发展，地铁线网规划时，受周边建(构)筑物、地下管线等环境因素的制约，越来越多的地铁隧道下穿高速公路、桥梁、铁路等既有工程。地铁盾构区间隧道在施工整个过程中会对隧道周围土体产生较大的扰动，进而影响既有桥桩、路基等建(构)筑物结构的自身稳定性，从而导致既有结构的破坏，受到国内外学者广泛关注。

1.合理计算混凝土配合比

在铁路路基加固工程建设实践当中，混凝土结构断面一般都较大，使得具体施工过程中存在配比难、原材料消耗量大、施工工程量大等特征。在准备工作完成后，施工单位应结合工程实际合理筛选建筑材料，如沙子、各种规格集料、水泥等，不仅要满足建筑施工需求，还应符合建筑质量要求。混凝土作为盾构隧道下穿既有铁路路基混凝土结构的主要材料，由于各种建筑材料成分不同，在混合操作中，会产生化学反应或物理反应，因此，科学配比非常关键。在开展建筑混凝土工程施工中，最能影响工程质量的当属混凝土强度，而要保障混凝土强度就需在工程施工之前，进行一系列试验操作，结合工程质量要求确定适宜的混凝土强度配比。混凝土配比设计不仅要保障其强度，还要充分考虑到散热能力情况，要与施工标准相符，从而有效杜绝施工中出现水热化问题或裂缝问题，导致建筑整体质量下降。考虑到混凝土配合比对于结构强度的巨大影响，因此，可通过合理计算混凝土配合比，提升其强度等级，达到加固目的。

2.开挖引起的超孔隙水压

天然状态下，土体内超孔隙水压力为0。在黏土层上方施作了不透水的铁路路基后，黏土的超孔隙水压受荷稳定后会维持在一个定值，对比其与隧道开挖后引起的最大水压状态进行隧道下穿施工引起超孔隙水压变化的分析。经计算施作铁路路基固结后的超孔隙水压均为负压，最大－97．5kPa。而从由下穿施工引起的超孔隙水压区域可以看出:隧道开挖后对上下引起的超孔隙水压为负压，降低了原赋存水压;对隧道两侧围岩引起正压，相比原稳定水压(－77．9kPa)增加59．4kPa。同时两侧及底部的水压增量比上部区域大。另外由大断面开挖引起的超孔隙水压力变化区域集中在隧道断面周围约1～1．5倍洞径的围岩区域内，越靠近隧道，水压增量越大，其余不透水层几乎无变化。

3.盾构隧道下穿铁路桥涵施工

（1)在穿越范围内，采用多孔特殊管片，取代普通段落的二次注浆，施作二次深孔加强注浆加固，以提高管片强度和稳定性，减少后期沉降。(2)下穿单位内左、右线各采用高强度配筋衬砌管片。(3)通过对盾构施工工艺的优化，在施工参数设定、盾构姿态控制的条件下，进一步减小地层沉降、桥梁变形。（4)结合国内轨道交通区间隧道下穿国铁的成功经验，为确保下穿期间铁路的运营安全，建议对列车进行限速，限速45km/h减速缓慢行驶。(5)另外通过盾构同步注浆、盾尾补压浆及二次注浆的措施，能够有效地控制铁路桥桩的水平位移、竖向沉降。(6)对铁路布设严密的监控网，加强其监控量测，严格监视各项控制指标的变化，用监测数据指导设计、施工。盾构区间隧道施工时通过采取控制掘进参数、加强管片配筋、多孔注浆等措施可以有效的控制下穿段铁路桥桩的水平、竖向位移。通过三维数值模拟计算，对地面沉降、桥桩沉降、相邻墩台差异沉降、墩台倾斜等变形指标进行分析可知，东北联络线的工后变形量满足控制标准。地铁施工对工务、电务、通信、供电、电力等既有设备的影响满足变形控制标准，且无需进行迁改、防护设计。

4.有效构建相对应的数值模型

在针对路基进行加固处理的过程中，要充分利用信息化技术打造相对应的信息化管理软件，以此建立相对应的路基有线模型，这样可以更充分体现出盾构隧道下沉过程中开挖过程的具体情况，针对铁轨的变形和沉降等相关方面的问题，进行精准有效的计算和充分的明确，然后通过数字模型的有效分析和推进，通过修正摩尔库伦模型的形式，使数值模型得到更充分的应用。在结构设计方面可以结合实际情况选用线弹性模型，对于有线源计算而言，在力学方面要进行严格的把关，对于混凝土弹性模量来说，要得到充分的控制，利用有线源模拟对于周围的土体进行相对应的约束处理，并且在针对相关模型进行计算之前，对于自重荷载进行有效施加以此在模型中进行充分的体现，利用有限元计算模式得出相对应的数值，然后为下穿铁路录入及变形情况进行充分的检测，以此进行精准有效的加固处理，同时和没有进行加固处理的路基变形展开对比分析。

5.桩基与隧道近接影响分区与设计对策

根据桩基础抗冲切岩层厚度和隧道开挖压力拱的研究，可以得到隧道开挖影响区域。填充区域为桩基础满足其冲切锥体破坏的岩层厚度范围，填充区域为隧道开挖扰动的引起的围岩松弛范围，填充区域为两者组合影响区域。在组合影响边界线以外的区域满足桩基础抗冲切破坏的岩板厚度要求，也位于隧道开挖引起的围岩松动圈范围之外。可以判断桩基底部位于组合线以外时，桩基础对围岩的影响和隧道开挖对围岩的影响不重叠，两者相互影响较小，为隧道开挖时桩基础较为安全的区域，同时桩基础荷载对隧道的影响也小。根据普氏理论，洞室开挖后其围岩岩体的松动压力与垂线夹角为45°-φ/2，而隧道开挖横向影响范围主要为开挖中心两侧2倍开挖跨度。根据满足桩基-围岩稳定性要求的最小抗冲切破坏岩板厚度和围岩-隧道稳定性分析确定的围岩松动圈，将隧道与桩基础的影响区域分为4个区。其中Ⅰ区岩板厚度小于桩基础冲切破坏的最小岩板厚度要求，受桩底冲切荷载作用，围岩极易失稳，隧道开挖时易造成围岩垮塌、桩基沉降；Ⅱ区虽然满足桩基础冲切破坏的最小岩板厚度要求，但抗冲切锥体位于隧道开挖扰动的影响范围内，在应力释放和重分布过程中，岩体力学指标降低，桩基础可能产生大的变形，进而影响桥梁的正常运营。因此，线路规划时应规避桩基础位于Ⅰ区的情况，尽量减少桩基础位于Ⅱ区，从安全性、经济性上考虑，尽量选择桩基础在Ⅲ区、Ⅳ区的方案，各分区的围岩稳定性判断情况。为研究不同位置桩基础所在的分区，假定不同位置的桩，根据隧道下穿桩基础工程对围岩稳定性的影响，进行影响程度的分区，以便于在不同分区下的桩基础设计中采取不同的安全、合理的设计对策。

结束语

通过模拟大跨度隧道下穿施工后路基固结沉降的过程，研究地层中的超孔隙水压力状态，得出结论:隧道开挖引起的超孔隙水压力变化区域在断面附近约1～1．5倍洞径范围内，越靠近隧道，超水压增量越大;施工扰动后地层固结引起路基沉降量约是施工瞬时引起沉降量的6倍;超孔隙水压的消散历程与路基的沉降稳定过程在变化趋势与各时段的变化百分比上基本吻合。

参考文献

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