岩溶区不同围岩加固方案下盾构隧道列车 振动荷载响应研究*

邹仁高 谢建斌,2** 李明卓 魏胜斌 许 坤

(1.云南大学建筑与规划学院, 650500, 昆明; 2.昆明军龙岩土工程有限公司, 650021, 昆明∥第一作者, 硕士研究生)

云南省全省岩溶分布面积约占30%[1],昆明市区近滇池侧除有岩溶分布外,还广泛分布着泥炭质土等软土,昆明市邻近滇池侧的地铁隧道常需穿越泥炭质土-岩溶交接分布的软硬复合岩土层。岩溶区溶洞的分布、形态、填充程度,以及土岩复合地层中土、岩分布不同等因素,严重影响昆明地铁盾构隧道施工,增加了隧道施工难度及安全隐患[2]。文献[3]基于南京地铁沉降监测数据,采用有限元法研究了列车运行振动荷载作用下粉细砂地层中地铁动力响应及长期沉降变形。

为研究岩溶区土岩复合地层地铁盾构隧道结构长期运营的累计沉降,本文依托昆明地铁4号线某区间工程[4],基于岩溶专项勘察成果和有限元分析方法,研究了岩溶区土岩复合地层不同围岩加固时,地铁盾构隧道结构在列车运行荷载作用下的动力响应,并对隧道运营100年后隧道结构基底的累计沉降进行了预测分析。

1 工程概况

昆明地铁4号线连接昆明主城与呈贡新区,线路自西北向东南穿越整个昆明盆地。本文选择4号线联大街站—吴家营站区间地铁盾构隧道为研究对象,该段里程为YDK40+853.97—YDK40+ 973.97。该区间位于滇池东侧,属较典型的滨湖相与河流交汇沉积地貌。勘探揭示该区间为较典型的“上软下硬”土岩复合地层,区间内共有7处溶洞,其中左线隧道1个、右线隧道6个。所有溶洞均为全填充,填充物以1-2硬塑状黏性土为主。各岩土层及溶洞填充物的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

2 三维有限元建模

2.1 模型尺寸及网格

昆明地铁4号线盾构隧道管片外径为6.44 m,隧道顶部距地面38.9 m,隧道左、右线轴心间距为12.903 m,里程段内各层土体的剪切波波速介于126.27～988.00 m/s之间。

选取模型宽度尺寸为隧道开挖直径的8～12倍[5],建立如图1所示的盾构隧道三维有限元模型。图1中,模型整体尺寸为:长70 m,宽120 m,高70 m。

图1 昆明地铁4号线联大街站—吴家营站区间有限元模型

2.2 材料本构及模型边界条件

材料本构:模型中土体选用莫尔-库伦本构,盾构管片采用弹性本构。隧道结构部分参数见表2。

表2 隧道结构力学参数

模型边界条件:①由于盾构隧道模型下部为基岩,在采用Midas GTS-NX软件进行计算分析时,模型底部可选用固定边界约束;②为减少边界对计算结果的影响,模型周边边界选用黏性边界;③盾构隧道衬砌和接头处均采用刚性连接。

2.3 列车荷载模拟

为表征列车行驶过程中的荷载-时程曲线,文献[6]选取了一个激励力函数用于模拟列车荷载-时程曲线,该列车荷载包括静荷载和系列正弦函数叠加而成的动荷载。本文参照文献[6],选用反映列车不平顺、附加荷载和轨面波形磨损效应的激振力来模拟昆明地铁列车荷载图。昆明地铁列车振动荷载时程曲线如图2所示。

图2 地铁列车振动荷载时程图

3 动力分析

为研究不同围岩加固方案的加固效果,本文针对4种地铁盾构隧道围岩(隧道周边软弱地层)注浆加固方案分别进行建模研究。A类注浆加固方案为地铁盾构隧道围岩全断面注浆加固,B类注浆加固方案为隧道两侧注浆加固(67.5°圆心角),C类注浆加固方案为隧道下部3/8圆弧(135°圆心角)范围注浆加固,D类注浆加固方案为隧道下部半圆(180°圆心角)范围注浆加固。

建模分析时,各类围岩加固范围均为隧道盾构管片轮廓外延3 m,注浆钢花管长3.5 m、壁厚3.5 mm,水泥浆液注浆,各类围岩加固方案实施后的岩土层无侧限抗压强度均不小于0.8 MPa。注浆加固后围岩的物理力学参数按表3取值。

表3 改良后土体力学参数

鉴于昆明地铁4号线联大街站—吴家营站区间隧道将穿越较小承载力的泥炭质土层,因此本文选取盾构隧道周边泥炭质土层分布最多的截面为监测断面。

3.1 列车荷载作用下地铁盾构隧道位移响应

图3为数值模拟得到的右线列车荷载作用下,围岩未加固时与加固后监测断面处隧道结构的位移幅值图。

图3 监测断面处隧道不同位置的位移幅值

由图3可知:

1) 加固后,列车荷载作用下地铁盾构隧道结构的沉降均有所减少,其中采用A类注浆加固方案时拱底的沉降最小,为0.507 mm。

2) 在列车振动荷载作用下,监测断面处隧道结构中拱底处位移最大,右侧拱腰处位移略大于左侧拱腰处位移,拱顶处位移最小。

3) 未加固时,隧道基底最大沉降达0.743 mm,采用A类注浆加固方案时隧道基底最大沉降为0.507 mm,与未加固时相比,降幅为31.7%;采用B类、C类和D类注浆加固方案时,隧道基底最大沉降分别为0.636 mm、0.583 mm、0.557 mm,与未加固时相比,降幅分别为14.4%、21.5%和25.0%。由此可见,A类注浆加固方案的加固效果最好。

3.2 列车荷载作用下地铁盾构隧道应力响应

图4为数值模拟得到的右线列车荷载作用下,围岩未加固时与加固后监测断面处隧道基底最大主应力。

图4 监测断面处隧道基底主应力幅值

由图4可知:当隧道受列车振动荷载作用时,围岩未加固时与加固后的隧道基底的最大主应力有一定差异;采用A类注浆加固方案时,隧道基底最大主应力的数值最小,为136.6 kPa,与未加固时相比,降低了4.6%,小于疲劳状态下C50混凝土抗拉强度设计值(1 190 kPa)[7];采用B类、C类和D类注浆加固方案时,隧道基底最大主应力降幅分别为1.7%、1.3%和1.5%。该模拟结果也表明,采用隧道围岩二次注浆加固工艺对盾构隧道结构的应力影响并不显著。

3.3 列车荷载作用下地铁盾构隧道加速度响应

表4为数值模拟得到的右线列车荷载作用下监测断面处隧道不同位置最大加速度。

由表4可知,与围岩未加固相比,围岩加固后列车荷载作用下监测断面处隧道不同位置的最大振动加速度均有减小;未加固时,隧道拱底振动加速度最大值为22.634 mm/s2;当采用A类注浆加固方案加固时,隧道拱底的最大振动加速度为15.755 mm/s2,与未加固时相比,降幅为30.4%;采用B类、C类和D类注浆加固方案加固时,隧道拱底最大振动加速度分别为18.306 mm/s2、18.692 mm/s2和18.010 mm/s2,与未加固时相比,降幅分别为19.1%、17.4%和20.4%。

4 地铁盾构隧道工后累计沉降

4.1 列车荷载作用下隧道典型断面处基底沉降

由列车荷载作用下监测断面处地铁盾构隧道的位移、应力及振动加速度分布可知,列车运行振动荷载对地铁盾构隧道结构有一定影响。为研究岩溶区穿越“土岩交接”复合地层,尤其是下卧软土层的地铁盾构隧道在工后列车运行振动荷载作用下的累计沉降,分析地铁盾构隧道运营100年后的沉降,本文采用经典Monismith简单指数模型[8]计算并预测昆明地铁4号线联大街站—吴家营站区间地铁盾构隧道运营100年后的拱底累计沉降,计算公式为:

ε=ANb

式中:

ε——隧道基底土体的累积塑性应变;

A——单次荷载作用下盾构隧道基底土体的塑性应变,取决于土体类型、物理状态和偏应力;

N——荷载的作用次数即列车振动荷载的作用次数;

b——由土体类型和地铁列车运营工况决定的参数,取值为0.17。

图5为列车荷载作用下盾构隧道典型断面处(桩号里程YDK40+863.97处,图1所示模型距左端7 m处的断面)基底运营100年时段内的累计沉降曲线。

图5 列车运行100年隧道典型断面处基底累计沉降

由图5可知:

1) 与未加固时相比,加固后的隧道运营100年后基底累计沉降均有一定程度减小。其中,采用B类注浆加固方案加固时隧道基底累计沉降最大,C类的次之,D类的较小,A类最小。

2) 采用A类注浆加固方案加固时隧道基底累计沉降为8.176 mm,但是,第1年内的隧道基底沉降为3.737 mm,为百年总沉降量的45.7%;前2年内的隧道基底累计沉降为4.205 mm,为百年总沉降量的51.4%;前10年内的隧道基底累计沉降为5.528 mm,为百年总沉降量的67.6%。由此可知,列车运行荷载作用下隧道基底累计沉降主要发生在运营初始阶段。

4.2 列车荷载下地铁盾构隧道基底沿程沉降

为全面研究列车运行荷载作用下地铁盾构隧道基底的沿程沉降情况,本文自模型左端(桩号里程YDK40+863.97处)开始,沿模型每隔5.0 m(隧道下卧软土区段)或3.5 m(隧道穿越土岩交接区段)设一分析预测点,以预测该处隧道基底的累计沉降值。图6为预测的地铁运营100年后昆明地铁4号线联大街站—吴家营站区间下卧软土层段隧道基底沿程沉降曲线。

图6 地铁运营100年后隧道沿线基底累计沉降

根据城市轨道交通沉降监测要求:地铁盾构管片结构基底差异沉降应小于0.000 4ΔLx[9-10](ΔLx为分析预测点间距);在昆明地铁4号线联大街站—吴家营站区间,在0～73.5 m(ΔLx为5.0 m)区段,相邻监测点基底沉降差值不应大于2 mm;在73.5～120.0 m(ΔLx为3.5 m)区段,相邻监测点基底沉降差值不应大于1.4 mm。由图6可知,采用A类、C类和D类注浆加固方案加固时,隧道管片结构基底相邻预测点的差异沉降均符合规范要求,而围岩未加固时及采用B类注浆加固方案加固时,隧道管片结构基底相邻预测点的差异沉降则不符合规范要求。

5 结语

本文依托昆明地铁4号线某岩溶区间工程,采用理论分析及数值模拟方法,研究了列车动力荷载作用下岩溶区不同围岩注浆加固方案下地铁盾构隧道结构的动力响应及运营期隧道基底的累计沉降,研究结果表明:

1) 4类围岩加固方案均可减少列车动力荷载作用下地铁盾构隧道的位移、应力和振动加速度。其中,A类注浆加固方案的效果最好,与未加固时相比,列车运行荷载作用下隧道典型断面处的位移、应力和振动加速度的减幅分别为31.7%、30.4%和4.6%。

2) 在列车运行荷载作用下,昆明地铁4号线联大街站—吴家营站区间盾构隧道的基底累计沉降主要发生在地铁运营前10年内,地铁运营前10年内的隧道基底累计沉降达运营100年后总沉降量的2/3。故应加强盾构隧道工后前10年的监测与管控,以保证隧道结构安全。

3) 地铁盾构隧道运营100年后,未加固时,隧道基底沉降为11.357 mm;采用A类、B类、C类和D类注浆加固方案时隧道基底的沉降分别为8.176 mm、10.527 mm、9.293 mm和8.392 mm;而未加固时及采用B类注浆加固方案时,隧道管片基底累计沉降不满足隧道不均匀沉降的控制标准。因此,泥炭质土-岩溶交接分布软硬复合岩土层中或下卧软土层时,地铁盾构隧道围岩加固选用全断面注浆加固方案或隧道下部加固方案为宜。