南京地铁三号线白雨区间下穿宁芜铁路沉降控制分析
2012-07-13陈小娟
陈小娟
(南京地下铁道有限责任公司)
南京地铁三号线白雨区间下穿宁芜铁路沉降控制分析
陈小娟
(南京地下铁道有限责任公司)
南京地铁三号线白雨区间需下穿运营中的宁芜铁路，宁芜铁路为碎石道床，为保证隧道施工过程中铁路的安全，通过大型非线性有限元Abaqus分析了盾构穿越过程中的沉降特性，得出模拟分析道床沉降结果并提出穿越过程对沉降变形的工程控制措施。
宁芜铁路;模拟分析;沉降变形;控制措施
1 工程概况
南京地铁三号线线路在雨花门站前先后下穿宁芜铁路，地铁区间隧道在该段拟采用盾构法施工，在施工过程中，要采取有效措施，确保铁路结构安全及正常运营。
通过有限元计算分析方法，推断出地铁施工过程的影响程度，并结合我国当前盾构下穿运营中的铁路或者地铁隧道的工程实例所采取的措施，经综合分析比较后，提出有针对性的铁路保护措施。
2 地质概况
根据勘察揭示的地层结构和地下水的赋存条件，本段地下水类型主要为松散地层中的孔隙水，其次为基岩裂隙水。
2.1 松散地层的孔隙水
松散地层中的孔隙水是本段地下水的主要类型，根据其埋藏条件和水力性质，可以划分为上层滞水、浅层潜水、弱承压水。
(1)上层滞水。
勘探揭示，上层滞水主要分布于人工填土层。
(2)浅层潜水。
勘探揭示，浅层潜水主要分布秦淮河古河道漫滩、坳沟范围，含水层包括人工填土层、中—晚全新世冲淤积成因的砂性土层和软弱粘性土层。
2.2 基岩裂隙水
分布于江宁路中段、晨光巷一带的安山岩中，浅部岩层风化强烈，已呈砂土混碎块状，部分地段中风化岩岩体较破碎，节理裂隙发育，存在裂隙水。
土层及岩层的基本物理力学参数如下:第1层为杂填土，含水量为31%，土重度为 19.4 kN/m3，孔隙比为 0.780，塑性指数为 13.8，粘聚力为 29.1 kPa，内摩擦角为 13.5°;第2层为素填土，含水量为27.2%，土重度为19.4 kN/m3，孔隙比为 0.781，塑性指数为 14.6，粘聚力为 25.0kPa，内摩擦角为16.1°;第3 层为粉质粘土，含水量为 28.0%，土重度为19.5 kN/m3，孔隙比为 0.779，塑性指数为 14.4，粘聚力为25.0 kPa，内摩擦角为 15.1°;第 4 层为淤泥质粉质粘土，含水量为36.2%，土重度为18.5 kN/m3，孔隙比为1.006，塑性指数为 14.4，粘聚力为 17.9 kPa，内摩擦角为 11.1°;第 5 层为强风化泥质粉砂岩、粉砂岩泥岩，粘聚力为39.0 kPa，内摩擦角为 20.2°。
3 盾构隧道上方地层沉降成因
地表变形是由于盾构法施工而引起隧道周围土体的松动和沉陷，它直观表现为沉降或隆起。受其影响隧道附近地区的构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。
3.1 土体损失
隧道的挖掘土量常常由于超挖等原因而比按照隧道断面积计算出的土量大得多，这样，就使隧道与衬砌之间产生空隙。在软粘土中空隙会被周围土壤及时填充，引起地层运动，产生施工沉降(也称瞬时沉降)。
3.2 固结沉降
由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，从而引起地层沉降称为固结沉降。
3.3 长期延续沉陷
指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降。
4 模拟分析结果
采用大型有限元通用软件Abaqus进行数值模拟分析，采用摩尔—库仑模型模拟土层，采用线弹性模型模拟管片，土层的破坏准则是张拉剪切组合的Mohr-Coulomb准则。计算结果如图1、2所示。
图1 地应力平衡阶段整体地应力分布
图2 开挖完成后整体竖向位移
经上述模拟分析可以看出，在盾构隧道双线全部通过铁路断面后地面沉降约为4 mm。
5 对铁路保护的处理措施
5.1 加强施工监测
监测是施工效果的直接反映，是地铁盾构施工中对重要建筑物进行保护的重要手段。所谓信息化施工是指通过监测数据的反馈分析，判断当前的施工状况是否科学合理，及时发现工程中存在的问题，为采取有效的防范措施提供基础信息，指导施工安全顺利进行。监测内容包括:(1)垂直沉降;(2)水平位移;(3)轨道左右两侧高差;(4)土体位移。
5.2 优化盾构推进参数
盾构施工对周边土层影响程度受控因素很多，如土仓压力、推进速度、总推力、出土量、刀盘转速、注浆量和注浆压力等施工参数，针对优化施工参数选择主要施工措施可以归纳如下。
控制出碴量:通过加气保压使土仓内压力值保持恒定，尽量将其波动值控制在最小范围内以确保开挖面的稳定;严格控制出土量，根据以往施工经验及现有地层特点严格控制出碴量。
加强碴土改良:适当增加泡沫剂及水的用量，根据掘进情况及时调整加入量。
控制掘进速度:盾构下穿时，严格控制掘进速度，避免出现速度的较大波动，将对地层的扰动降至最小。
5.3 严格控制盾构推进姿态
对盾构掘进进行严格的线形控制和姿态控制，姿态调整不宜过大、过频，减少纠偏，特别是较大纠偏，姿态调整控制在±5 mm范围内，以避免对土体的超挖和扰动。
5.4 对道床路基进行加固处理
在盾构通过前对道床下部土体进行注浆加固，道床两侧沿铁路两侧进行旋喷桩加固。在盾构通过时视具体情况对铁路基础进行跟踪注浆。
5.5 确保同步及二次注浆的注浆量及注浆压力
确保同步注浆质量和数量，防止地层变形、提高结构的抗渗性、改善结构受力情况，防止较大沉降的发生，确保管片围岩间隙及时充填密实，同时结合下穿段具体地质情况确保注浆量及注浆压力。
5.6 快速通过
众所周知，在隧道开挖过程中洞身围岩塑性区的发展是具有一定滞后性的。换言之，在围岩塑性区得到完全发展之前迅速通过后，随即向尚未为软土变形所填充的管片背后空隙中充分注浆，如此一来可有效控制隧道上方覆土沉降。然而要引起重视的是快速的通过并不是指单纯的加大盾构推力，加快掘进速度，而是指通过快速的完成管片拼装的方式来减少盾构停机的时间。
5.7 建立专项安全施工方案、专项安全应急预案
为了及时、有序、有效地控制施工过程中可能发生的安全事故，根据《中华人民共和国安全生产法》等相关条例的要求，结合施工实际，制定了专项安全施工方案和专项安全应急预案。
5.8 对盾构通过期间的铁路保护
根据过往的工程经验建议按如下限制进行控制:
(1)铁路轨面沉降最大允许值:-10 mm;
(2)相邻两股钢轨不均匀沉降最大允许值:6 mm;
(3)相邻两股钢轨三角坑不得超过5 mm。
上述监测数据一旦超过限值时，需对轨道进行调整或采取限速措施。
5.9 铁路沉降后的处理措施
通过垫渣起道作业，调整碎石道床高度，可有效解决铁路沉降问题。
6 结论
(1)目前国内盾构施工技术能够保证在铁路运营与安全不受影响的前提下顺利完成下穿铁路隧道的施工。
(2)有限元及理论公式的计算表明，考虑目前对地层损失及扰动所能达到的的技术水平，下穿铁路隧道期间引起的地面沉降不超过5 mm时，能够确保铁路运营与安全不受影响。
［1］吕培林，周顺华.软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析［J］.中国铁道科学，2007，28(2).
［2］佘才高.地铁盾构隧道下穿铁路的安全措施［J］.城市轨道交通研究，2009，12(4).
U416.1
C
1008-3383(2012)02-0014-02
2011-12-10
陈小娟(1984-)，女，江苏盐城人，本科，助理工程师，主要从事工程管理工作。
