地铁区间隧道合理地层加固范围的研究

张 晓 君

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

地铁区间隧道合理地层加固范围的研究

张 晓 君

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

结合青岛市某地铁线路中下穿既有铁路线的某一段区间隧道施工工程背景，采用有限元软件MIDAS/GTS对不同地层加固工况进行数值模拟计算分析，为软弱地层或较差地质条件下浅埋暗挖隧道施工提供一些建议。

地铁隧道，地表变形，沉降，地层加固

0 引言

随着国家经济和社会的不断发展，人们对于交通出行的需求也与日俱增。目前解决该问题的主要方法是大量修建城市地铁。在修建地铁过程中，为了减少或者避免对城市地面交通的影响，暗挖法是修建城市地铁主要采用的方法之一。结合青岛市某地铁中一段区间隧道工程实例，通过数值模拟计算比较了不同地层加固范围下地表沉降结果，确定了合理的地层加固范围，为同类型的城市浅埋大断面软弱围岩地铁区间隧道施工提供了建议以及指导。

1 工程概况

青岛市某地铁线路中一段区间隧道下穿既有铁路线路。该区间隧道为曲线段，曲线半径450 m，线间距约11 m～12 m。既有铁路线为直线段，区间隧道与既有铁路平面夹角约为42°。区间左右线隧道均以13‰的坡度下穿既有铁路，该段区间隧道上覆岩土厚度约为9 m～11 m。

既有铁路每日列车上行68列，下行69列，上行时速为95 km/h，下行时速为90 km/h；钢轨是60 kg/m标准轨，轨枕是ⅢA型轨枕，弹条Ⅱ型扣件，道床为一级道砟。

2 工程地质与水文地质概况

隧道区间线路下穿既有铁路线路，表覆第四系全新统人工堆积层，下伏燕山晚期不同风化程度的花岗岩，局部糜棱岩、砂土状碎裂岩及碎裂状花岗岩发育，煌斑岩、花岗斑岩岩脉穿插。基地稳固，地下水为基岩裂隙水，局部具弱承压性，富水性一般贫～极贫，局部构造发育地段，富水性贫～中等。

具体地层参数见表1。

表1 地层和材料参数

3 施工工法

为保证铁路安全和正常使用，隧道下穿既有铁路段采用台阶法施工，棘突施工步骤及参数如下:

1)施工拱部120°φ42 mm小导管注浆超前支护，长度L=3.5 m，水平倾角10°，环距0.3 m，纵向间距2.0 m。弱爆破开挖上台阶并施作初期支护，即初喷3 cm厚混凝土，铺设钢筋网，架立钢架，并设锁脚锚杆，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

2)在滞后上台阶一段距离后弱爆破开挖下台阶，台阶周边部分初喷3 cm厚混凝土，铺设钢筋网，接长钢架，并设锁脚锚杆，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

3)待初期支护收敛后及时施作防水层、模筑二次衬砌，并进行衬砌背后回填压浆，保证初期支护与二衬之间密实。

4)先施工一侧隧道，待该隧道下穿胶济铁路段二次衬砌施作完成且混凝土强度达到设计要求后，方可开挖施工另一侧隧道，以防止同时开挖左、右线隧道引起较大沉降。

4 数值模拟

出于偏安全方面的考虑，文中计算以地表面的沉降值为研究对象来评判线路的变形和沉降。在考虑地面动荷载时直接将动荷载等效荷载施加在地表面。采用地层—结构模式进行相应的分析，初期支护按主要承载结构设计。取最不利断面(即区间隧道与既有铁路线相交处的隧道横断面)作为重点研究对象。

根据围岩性质和设计需要，并考虑开挖影响的范围选取合理的区域和尺寸剪力计算模型，模型尺寸为宽×高=110 m×36 m，采用有限元软件MIDAS/GTS进行二维模拟分析。

建立的模型地表面为自由面，四周采用单向变形约束条件，底部采用全约束条件。土体模型采用弹塑性理论计算并采用摩尔—库仑准则。关于模型的荷载条件，路基顶面施加列车动荷载等效静载及钢轨重、轨道板、混凝土底座等静载，采用无渗流模式并且采用不透水边界条件。

计算结果见图1。

隧道围岩在右隧道下台阶开挖第四次扰动后，隧道上部土体产生的Y向位移云图形状同上部台阶开挖完毕后的基本相同，只是隧道拱底的地层位移变化范围以及量值区间有较大变化。计算结果表明：右隧道拱顶沉降量值为21 mm，右隧道拱底隆起位移量值41 mm。

图2表示的是：在右隧道开挖完毕后，在相距左右隧道中心线一定范围内地表面的沉降量值曲线图，其中距离的“+”“-”分别表示左右隧道中间距处的正右方向和正左方向。整体位移云图近似地呈现W形，在左右隧道中间距处地表面的沉降量值为25 mm，地表面最大沉降量值为27 mm，在左右隧道中间距处地表面右方2 m左右处；在距离该处0 m～4 m范围内地表面的沉降量值有所增加；在左右隧道中间距处的正右方向4 m～20 m范围内沉降量值呈现缓慢的减小，在相距20 m之外的区域地表面沉降量值呈现急剧地减小。在左右隧道中间距处的正左方向4 m～20 m范围内沉降量值呈现缓慢的减小，在相距20 m之外的区域地表面沉降量值呈现急剧地减小。

当地层加固范围较小时，注浆加固层不能够有效地控制地层的沉降变形，造成更多的经济损失；当地层加固范围较大时，注浆量的增加不仅影响工期，而且增加了工程的成本，产生较差的经济和社会效益。针对这一问题，本模型选取了六种不同加固层的施工过程分别进行数值模拟计算。研究分析采取不同加固层范围时，对周围地层产生的加固效果，从而得到合理的加固层范围，确保区间隧道开挖时引起的地表面沉降量值在允许的范围之内，为该类工程的设计和施工提供相关的数据和资料。建立模型时，所采用的七种加固层范围是：4 m，3.5 m，3 m，2.5 m，2 m，1 m和未注浆加固。

图3和图4分别是在不同加固层范围的工况下左右隧道拱顶沉降量值以及地表面最大沉降量值的曲线图。

从图中可以看出：

1)预先采取注浆加固措施对于控制地表面的沉降的效果是显著的。随着加固层范围的增大，区间左右隧道拱顶以及地表面的沉降量值逐渐减小，最后趋于平缓。

2)随着注浆加固层范围的增大，区间左右隧道拱顶沉降量值逐渐减小。当未采取注浆加固时，区间隧道拱顶沉降量值超过了沉降允许量值。在加固层范围小于2.5 m时，随着加固层范围的扩大，区间隧道拱顶沉降量值降幅较大，达到5 mm左右。当加固层范围大于2.5 m时，随着其值的增大，区间隧道拱顶沉降量值降幅减小，直至趋于平缓，即不再减小。这说明加固层范围超过2.5 m时，该因素已经不再是有效控制隧道拱顶沉降的关键因素。若是继续增大范围，所取得经济效益将大打折扣。因此可以得出：注浆加固层范围取值2.5 m左右时，可以有效地控制隧道拱顶沉降量值，并且取得较好的经济效益。

3)随着注浆加固层范围的增大，地表面最大沉降量值逐渐减小。在加固层范围小于3 m时，随着加固层范围的扩大，地表面最大沉降量值减小较快。这说明该阶段加固层范围的大小是影响地表面最大沉降量值的关键因素之一。在加固层范围大于3 m时，曲线渐趋平缓。这表明该阶段中加固层范围的大小对于控制地表面沉降效果已经不是很显著。

5 结语

通过上述对比分析可以得出：

1)在隧道开挖施工中，采用旋喷桩超前加固地层能够改变加固区土体的力学性质。在这一过程中，加固范围内的土层弹性模量大于加固区以外土层的弹性模量，从而使得加固区内土体的地层位移大于加固区外无限大弹性体地层位移，最终达到减少地层沉降和保证施工安全的目的。

2)依据本工程的实际情况并且考虑各种因素的影响作用，建议该工程的合理加固区范围为2.5 m～3 m。

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Study rational subway tunnel stratum reinforcement scope

Zhang Xiaojun

(ChinaRailwayTunnelSurveyDesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133,China)

Combining with the sectional tunnel construction engineering background of the subway route under-crossing existing railway in Qingdao city, the paper applies finite element software MIDAS/GTS for numerical simulation computation analysis of various stratum reinforcement conditions, which has provided some suggestions for shallow embedding tunnel construction under soft stratum and bad geological conditions.

subway tunnel, surface deformation, subsidence, stratum reinforcement

2015-02-26

张晓君(1986- )，男，硕士，助理工程师

1009-6825(2015)13-0182-03

U457.3

A