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真空预压加固软土地基对浅埋轨道交通盾构隧道的影响

2021-08-08马驰

铁道建筑 2021年7期
关键词:右线试验段负压

马驰

铁科院(深圳)研究设计院有限公司,广东深圳518034

我国东部沿海地区,部分轨道交通线路位于新填海场地。新填海场地内广泛分布着海相、湖相沉积的软弱黏土层,具有高含水率、高压缩性、低强度、低渗透性等特点,在填土、车辆、建(构)筑物等荷载作用下会产生较大的沉降,地基承载力和稳定性差。在填海场地修建道路、机场等,应进行软土地基处理,有效消除软土的沉降变形,提高地基承载力和稳定性,以满足工程建设的需要。

浅埋轨道交通隧道上方进行软土地基处理工程时,地下水位变化、卸载、加载等会造成隧道变形,对隧道安全产生不利影响,甚至会造成轨道变形超标,盾构隧道出现裂缝、漏水,甚至影响地铁运营,给人民生命财产造成损失。丁加亮、张明远、石国伟、张国亮、李宇升等[1-5]研究了紧邻地铁基坑开挖对隧道的影响,刘浩、康佩、楼晓明等[6-8]研究了桩基础施工、上部高层建筑对轨道交通隧道的影响,而有关真空预压、复合地基等软土地基处理工法对轨道交通隧道的影响研究较少。

本文结合软土性质、地铁变形控制指标等因素,研究真空预压加固软土地基对轨道交通隧道的影响,对于合理确定软土地基处理方法,保障轨道交通设施安全,具有重要的现实意义。

1 真空预压分析方法

对真空预压加固软土地基机理的认识存在一定的分歧,主要有两种观点[9-12]:

1)等效荷载理论,认为把膜内外压差即“真空度”作为等效荷载作用在地基土上,加固机理同堆载预压,如图1中红色箭头所示。

2)负压固结理论,抽真空后的地基土处于大气压力小于标准大气压力的作用下,即处于所谓的负压作用下,由于抽真空作用导致边界上的气压或者孔隙水压力降低,造成地基内孔隙水势的不平衡。若将大气压看作边界,则在负压作用下的基本原理和标准大气压作用下的基本原理相同。在负压条件下的土体受到三向压应力,如图1中蓝色箭头所示。

根据真空预压加固机理,真空预压加固软土地基对隧道的影响分析可采用两种方法计算:

1)单向加载、卸载

真空压力视为竖向加载,对真空处理层之下会造成附加应力,计算的隧道沉降偏大(参见图1)。停止抽真空时,真空处理层的附加应力消失,隧道会发生较大的反弹。

2)三向加载、卸载

真空压力造成的土体附加应力为体应力。对真空处理层形成三向压力,不会对真空处理层以下的土层产生附加应力。抽真空、停止抽真空过程中对真空处理层以下的土层影响较小。

等效荷载理论由于没有考虑到真空预压荷载的复杂性,计算的隧道变形偏大。故本文采用负压固结理论,按照三向加载、卸载分析真空预压加固软土地基对隧道的影响。

2 真空预压试验段

深圳地铁11号线、穗莞深城际穿过深圳机场T4航站区,地处淤泥下卧的粉质黏土层。为了研究真空预压加固软土地基对隧道的影响,在深圳机场T4航站区选择典型的地段进行现场试验,面积1万m2,如图2所示。

图2 真空预压试验段

试验段土层自上而下有淤泥层、中粗砂层、粉质黏土层,其中淤泥层是真空预压处理的对象,隧道处于粉质黏土层中。各土层物理力学性质指标见表1。

表1 土层的物理力学性质指标

试验段采用真空预压处理:在现状泥面清表后铺设1层土工布、0.3 m厚砂垫层;采用轻型插板机打设塑料排水板;边界开挖压膜沟,铺设真空管系、保护土工布、密封膜等;抽真空,满载时间3个月;真空预压施工期间,对隧道、轨道的变形进行自动化监测,累积变形超过报警值时停止施工,查明导致变形过大的主要原因,制定有针对性的控制措施后方可继续施工。

3 数值计算结果

采用PLAXIS有限元计算软件对真空预压加固软土地基引起的隧道变形进行计算,模型如图3所示。土的本构模型采用摩尔库伦模型,强度指标采用固结不排水抗剪强度指标。

图3 真空预压计算模型(单位:m)

真空预压期间,盾构隧道变形数值计算结果见图4。可知:吸力最大值为80.64 kN∕m2,最小值为0。真空预压后隧道水平位移最大值为0.14 mm,最小值为-0.16 mm。真空预压后隧道竖向位移最大值为1.00 mm,最小值为-0.70 mm。隧道的水平位移远小于竖向位移,说明真空预压加固软土地基对隧道的变形影响以竖向位移为主。

图4 真空预压后吸力分布及隧道位移

经计算可知,隧道顶部下沉1.0 mm,隧道底部下沉约0.7 mm,隧道顶部竖向位移略大于底部。

4 轨道交通隧道实测变形

真空预压过程中,沿隧道纵向每隔50 m设置1个变形监测断面(图5),选用自动监测设备观测隧道结构的水平位移、竖向位移以及轨道高低、轨向变形,按每天不少于3次的频率监测各变形项目。

图5 监测断面示意

选取右线隧道实测值进行分析,隧道变形情况见图6和图7。

图6 右线隧道顶端竖向位移和两侧水平位移

图7 右线隧道轨道板处竖向位移

由图6可知:右线隧道顶端竖向位移实测最大值约为1.0 mm,与计算的最大值1.0 mm基本保持一致;右线隧道右侧水平位移实测最大值约为0.4 mm,大于计算的最大值0.1 mm。由图7可知,右线隧道轨道板处左侧和右侧竖向位移实测最大值分别约为0.6、0.8 mm,与计算值基本一致。

总体来讲,采用三向加载方式模拟的隧道变形与实测值基本上一致,故采用负向固结理论模拟的真空预压影响符合实际情况。

5 结论

本文依托深圳机场T4航站区真空预压试验段工程,根据实际施工情况以及有限元模拟分析,提取真空预压期间隧道实测变形,重点分析了真空预压对隧道变形的影响。得到以下结论:

1)在浅埋盾构隧道上方采用真空预压处理软土地基,对地铁隧道的影响较小,隧道变形可控。

2)采用负压固结理论分析计算的隧道变形与本工程的实际监测结果较吻合。

3)隧道变形对应于真空预压加载有一定的滞后性;隧道竖向变形大于隧道横向变形,真空预压对隧道的变形影响以竖向变形为主;隧道顶部沉降略大于隧道底部沉降。

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