高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固法下盾构隧道施工过程路基沉降影响分析

欧阳林　杨双发　张东明

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都　610052)



高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固法下盾构隧道施工过程路基沉降影响分析

欧阳林杨双发张东明

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都610052)

以福州地铁1号线下穿福州火车站铁路工程为依托，应用有限元软件MIDAS/GTS建模并分析地基不加固、仅采用高压旋喷桩加固、仅采用袖阀管注浆加固、高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固4种施工方案控制路基沉降的效果。试验及计算表明，高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固地基方法能发挥高压旋喷排桩隔水和袖阀管注浆加固地基提升土体强度的优势，可减少沉降50%，是改善复杂地质条件地区盾构隧道施工中路基产生过大变形的有效方法。

盾构隧道铁路路基沉降高压旋喷桩袖阀管注浆数值分析

盾构隧道下穿火车站铁路工程日益增多，施工产生的铁路路基沉降不容忽视，这方面的研究已取得一定成果。以大量实测数据为基础，国内外学者提出或修正了多种预测路基沉降的经验公式[1-5]；综合分析并进行室内模型试验，得出土体性质、隧道埋深、施工方法等参数是影响路基沉降的主要因素[6-9]。但在复杂地质环境下盾构法隧道施工对铁路路基沉降的研究相对较少。有限元软件能模拟复杂地质条件下盾构法隧道施工过程，得出铁路路基沉降规律。

以福州地铁1号线下穿福州火车站铁路工程为研究对象，在分析岩土工程勘察报告及地基加固设计等资料的基础上，建立盾构法隧道施工模型，并与监测数据进行对比分析，探讨联合加固方法对减少路基沉降的影响。

1　工程概况

福州地铁1号线下穿福州火车站工程位于罗汉山站—福州火车站站区间。火车站西端咽喉区共有15条铁路，铁路1～5股道位于原有铁路位置，为夯填块石加固路基，基础深度约3.5m；6～14股及牵出线铁路地基采用搅拌桩或旋喷桩进行加固，桩长约6～10m，上端至地表面。隧道与铁路平面位置关系如图1所示。

图1　盾构隧道与铁路平面关系

区间线路有一段平面曲线，双线曲线半径均为400m，线间距从11.00m变化到16.93m；纵断面为V字形坡，最大纵坡29‰，最小纵坡4‰；上、下行线长度分别为141.739m和153.025m；盾构隧道埋深约11.76～18.92m。该段穿越地层主要为粉质黏土、残积砾(粉)质黏性土、全风化岩(花岗岩)，地基加固区地层剖面情况如图2所示。

图2　地基加固区地层剖面

2　有限元模型建立

2.1基本模型建立

根据岩土工程勘察报告及隧道下穿施工方案等资料，建立地基不加固、仅进行高压旋喷桩加固、仅进行袖阀管注浆加固、高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固4个基本模型，如图3～图6。模型中，盾构隧道内径5.5m，外径6.2m，管片厚0.35m；各模型长187m，宽83m，高36m，四周为限制水平方向位移约束，底面为限制竖向位移约束，顶面为自由面；土体为理想弹塑性材料，遵守Mohr-Coulomb屈服准则，路基、盾尾管片-注浆体为线弹性材料。

图3　既有加固条件模型

图4　袖阀管注浆加固模型

图5　高压旋喷桩加固模型

图6　高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固模型

袖阀管注浆加固范围：1～5股正下方横向扩展至双线隧道外轮廓线外1D范围，竖向自隧道底部往上2D范围内区域。

高压旋喷桩加固范围：1股道外、3-4股道间、5-6股道间、7-8股道间、10-11股道间以及牵出线外地基，模型中以1.2m厚隔离墙形式等代，其高度自隧道底部延伸至地表，宽度扩展至双线隧道外轮廓线外1D范围。双线隧道与加固体相对位置关系如图7所示。

图7　双线隧道与加固体相对位置关系

2.2基本假定

根据实际情况，建模过程中做以下假设：

(1)简化的6层土层中，除粉质黏土层和全风化岩层为不等厚层外，其他土层均为等厚层。

(2)5～14股和牵出线铁路既有搅拌桩或旋喷桩复合地基加固区增强体视作一个整体，加强区土体复合模量按Esp=mEp+(1-m)Es计算，其中Esp为复合地基的压缩模量，m为桩体面积置换率，Ep为桩的压缩模量，Es为桩间土的压缩模量，实际工程中m=20%。

(3)初始应力场仅考虑土体自重应力场，不考虑地层的构造应力。

(4)不考虑施工过程地下水位升降的影响，忽略盾构掘进后地层的次固结沉降，认为隧道施工完成的同时路基沉降也已经完成。

(5)由于路基面仅高出地表0.7m，路基材料强度较大且为弹性材料，故认为路基所在位置地表沉降量为路基沉降量。

2.3参数选取

(1)地层及施工材料性质参数

根据岩土工程勘查报告、地基加固及盾构隧道下穿铁路施工方案，并参照混凝土结构设计规范[10]等资料，确定各土层和主要施工材料的物理力学性质参数(见表1和表2)。

表1　地层物理力学性质参数

表2　加固后地层及施工材料物理力学性质参数

(2)列车荷载确定

隧道下穿铁路期间，进出站列车限速45km/h，列车荷载采用特种活载模型，运用换算土柱法计算对路基面施加宽度5.4m、59.02kPa的移动列车荷载[11]。

列车荷载作用形式：同时对盾构正上方、紧邻盾尾第1段管片正上方以及盾尾后方第5段和第6段管片壁后注浆位置正上方的路基面施加均布荷载(即同一时间有4道均布荷载作用于路基面)；随着盾构的掘进，均布荷载的位置也同步向前移动，移动列车荷载施加示意如图8。

图8　移动列车荷载施加示意

(3)土舱压力确定

土舱压力垂直作用于盾构前方未开挖土体，压力大小根据盾构中心线位置的静止土压力按下式确定

式中，p0为盾构中心线处的静止土压力，K0为静止侧压力系数，γi为第i层土的容重，zi为第i层土的厚度。

由于双线隧道倾斜，盾构中心线位于地表以下14.86～22.02m，土舱压力根据盾构不同埋深位置取相应值，土舱压力平衡示意如图9。

图9　土舱压力平衡示意

3　计算结果及分析

为使结果具有可比性，选取盾构掘进至既有夯填块石区中部、既有桩区中部和双线隧道贯通3个开挖步距的双线对称中线正上方的地表沉降进行分析。不同地基加固工况下地表沉降情况如图10～图12所示。

图10　盾构掘进至既有夯填块石加固区中部时路基沉降情况

从图10分析可知，当上行线盾构掘进至既有夯填块石加固区中部时，地基未加固情况路基沉降最大，最大沉降20mm；经袖阀管注浆加固处路基沉降明显减小；由于高压旋喷桩加固位于整个场区北段，对改善既有夯填块石区路基沉降起不到明显效果；监测数据与数值法结果接近，均表明经高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固后，路基沉降明显减少，最大沉降仅为9mm。

图11　盾构掘进至既有桩加固区中部时路基沉降情况

从图11分析可知，当上行线盾构掘进至既有桩加固区中部时，未加固工况与经高压旋喷桩加固工况结果比较接近，而高压旋喷桩加固地基的作用主要体现在改善盾构前方未开挖土体引起的路基沉降；经袖阀管注浆加固后，路基最大沉降为17mm；监测数据与数值法结果均表明，经高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固后，路基沉降明显均优于一种加固方法的处理效果，最大沉降仅为11mm。

图12　双线贯通时路基沉降情况

从图12分析可知，双线隧道贯通时，高压旋喷桩加固与不加固地基工况相比，路基最大沉降减少23.1%左右；经袖阀管注浆加固后，路基最大沉降为18mm；监测数据与数值法结果均表明，经高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固后，路基沉降明显均优于仅采用一种加固方法的处理效果，最大沉降仅为13mm，沉降减少达50%。

4　结论

采用袖阀管注浆加固既有夯填块石区地基，可有效改善地层结构，提升土体强度参数，从而起到减少路基沉降的作用；高压旋喷排桩把盾构下穿铁路区域分隔为7个区段，起到隔水的作用，当盾构在一个区段掘进时，下一个区段的水土不进入盾构工作面，从而减少地层损失；高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固地基方法能有效发挥两种加固方法的优势，是改善盾构隧道下穿复杂地质条件工况下路基沉降的有效方法。

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Subgrade Settlement Analysis in Shield Tunnel Construction Process Using High-pressure Rotary Jet Grouting Pile Joint with Sleeve Valve Barrel Grouting Reinforcement Method

OU YanglinYANG ShuangfaZHANG Dongming

2016-04-26

欧阳林(1988—)，男，2015年毕业于华东交通大学建筑与土木工程专业，工学硕士，助理工程师。

1672-7479(2016)04-0064-04

U416.1

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