大跨度隧道下穿铁路施工的地层固结影响分析

杨建烽

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

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[1]，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。

1 工程概况

国内一某拟建大跨度城际铁路隧道在软土地层中下穿上方运营铁路，前期根据下穿开挖影响比选采用复合式衬砌的支护形式[2]。新建隧道的断面信息及支护形式见表1。

表1 大跨度隧道断面及支护形式

2 固结原理及模型

本文计算采用有限元计算软件Midas GTS NX，地层的渗透固结模拟基于Biot固结理论。

2.1 Biot固结方程

(1)

Biot假定土体为连续介质，从其基本方程出发，建立了可反映孔隙水压力消散与土体变形间耦合感化的固结理论，如式(1)[3]，包括4个偏微分方程，式中位移u是关于坐标和时间的函数。

2.2 数值模型

在前期用于分析施工影响的三维模型基础上，选取一个典型纵断面建立长120 m、高80 m的平面模型，见图1，其中水位设置在地表0 m处，隧道拱顶埋深22 m。采用实体平面应变单元模拟围岩、土体、路基及隧道衬砌。左右、底面设置法向位移边界，软黏土及不透水层之间设置排水边界。

图1 固结二维数值模型

2.3 模型参数及计算步序

模型中涉及的围岩及支护物理力学参数如表2。其中黏土层各向渗透系数为2.95×10-9m·s-2，风化岩层不透水。

表2 围岩及支护物理力学参数

大跨度隧道下穿后固结的模拟过程包括4个关键计算步：①建立初始应力场；②增添铁路路基，并完成地层固结；③模拟隧道下穿施工；④设置时间步，使超孔隙水压力降低，模拟工后沉降。

3 模拟结果及分析

隧道的下穿施工会对土体及赋存水压环境带来扰动，提高了围岩的超孔隙水压，而后期的水压消散将伴随着上伏路基的沉降变形，因此通过研究隧道围岩的超孔隙水压消散与路基变形的过程建立两者间的联系。

3.1 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(图2)进行隧道下穿施工引起超孔隙水压变化的分析。

图2 隧道开挖后最大超孔隙水压力状态

经计算施作铁路路基固结后的超孔隙水压均为负压，最大-97.5 kPa。而从图2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(-77.9 kPa)增加59.4 kPa。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。

3.2 超孔隙水压消散过程

在具体施工过程中，大断面开挖及初支过程会引起最大的水压力增量，而施作二衬后将开始消散，因此对不同位置的超孔隙水压力消散过程进行研究。研究的节点选择如图2中A-C所示，研究的固结时间从最大水压力状态开始，由0～360 d不等，各个节点的超孔隙水压消散过程如图3所示。

图3 各节点超孔隙水压力消散过程

从图3中可以看出各节点处的超孔隙水压均向路基稳定后的地层状态趋近；下穿施工后的30 d内水压变化速度最快，30 d时各节点的超孔隙水压增量减小约50%～60%；施工后约180 d时超水压基本稳定。分别位于隧道围岩上、下方的A、C组点的超孔隙水压增加，位于两侧的B组点减小，其中下方C组点由正超水压变化为负超水压。各组点中靠近隧道衬砌的1号点变化量均最大。

3.3 路基沉降过程

取填筑的铁路路基表面沉降作为研究对象，研究沉降曲线在下方地层固结沉降过程中的变化规律，见图4。可以看出路基受到影响而沉降的范围在下穿节点前后30 m范围；下穿施工引起的沉降为-2.65 cm，施工30 d时沉降约为总沉降的40%；后期180 d时固结沉降基本稳定在19～20 cm，固结沉降量约为施工沉降的6倍。

图4 路基沉降过程

由图5可以看出，超孔隙水压的消散过程与路基的固结沉降稳定过程基本吻合，在180 d左右达到固结稳定。

图5 路基沉降与超孔隙水压力消散对比

4 结论

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。