陶德敬

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

由于城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展和城市地下空間的進(jìn)一步開發(fā)，交通隧道、地下車站等地下構(gòu)筑物不可避免地變得越來越密集，于是便出現(xiàn)了大量在既有隧道近旁進(jìn)行堆載的現(xiàn)象。地面堆載是引起既有盾構(gòu)隧道變形的重要因素，而地鐵隧道過大的縱向和橫向變形將導(dǎo)致嚴(yán)重的隧道結(jié)構(gòu)安全問題。本文重點(diǎn)分析基于工期原因先盾構(gòu)通過后場(chǎng)坪堆載的施工時(shí)序，增設(shè)地下連續(xù)墻(或者采取其他加強(qiáng)措施)的必要性，以及為相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工提供理論支持和參考。下面主要從兩個(gè)方面進(jìn)行分析：(1)設(shè)置地下連續(xù)墻對(duì)附近地層變形的影響；(2)設(shè)置地下連續(xù)墻(或者采取其他加強(qiáng)措施)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。

1 工程背景

茶山站～榴花公園站區(qū)間東起茶山站、西至榴花公園站，區(qū)間線路大體呈東西走向，區(qū)間前半段出茶山站后下穿大片魚塘并過寒溪河，到寒溪河西側(cè)的中間風(fēng)井，后半段大體上沿莞龍路下穿。其中茶山站～中間風(fēng)井段區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。

在茶山站～中間風(fēng)井段中部左線隧道(里程范圍ZDK2+687～ZDK3+117，長(zhǎng)430 m)的南側(cè)，為R2線車輛段，車輛段現(xiàn)狀地面為大片魚塘，需經(jīng)吹填場(chǎng)坪和地基處理后作為車輛段建設(shè)用地。車輛段吹砂場(chǎng)坪高度約6 m，由于附近地層存在較大范圍的淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等軟弱地質(zhì)，吹砂堆載可能產(chǎn)生較大地層變形，為減少地層變形對(duì)正線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力和變形的不利影響，原設(shè)計(jì)采取的措施主要有：(1)在車輛段完成吹砂場(chǎng)坪后6個(gè)月，地層變形基本穩(wěn)定后，進(jìn)行正線盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)；(2)在左線盾構(gòu)隧道的南側(cè)，車輛段場(chǎng)坪邊緣施作25 m寬深層攪拌樁隔離帶。

但根據(jù)施工進(jìn)展情況，場(chǎng)坪堆載方案尚未完全確定(涉及到兩個(gè)標(biāo)段的工序銜接等系列問題)，而茶山站～榴花公園站區(qū)間的工期壓力較大，為滿足工期要求，擬考慮先作盾構(gòu)隧道掘進(jìn)，后作車輛段車輛段場(chǎng)坪堆載，同時(shí)為減少車輛段場(chǎng)坪引起的地層變形對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，擬在盾構(gòu)通過前先施作車輛段隔離帶，并沿隔離帶增設(shè)1條地下連續(xù)墻。

2 地層變形分析

2.1 工況選擇

地層變形分析考慮三種工況：

(1)無連續(xù)墻與攪拌樁；(2)有25 m攪拌樁加固條帶；(3)有連續(xù)墻，平面位置上布置在場(chǎng)地邊界附近。

模型地層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)詳見表1所示。

表1 各地層物理力學(xué)計(jì)算指標(biāo)

2.2 計(jì)算結(jié)果

(1)無連續(xù)墻與攪拌樁(圖1)。(2)有25 m攪拌樁加固條帶(圖2)。(3)有連續(xù)墻，連續(xù)墻長(zhǎng)度21 m時(shí)，平面位置上做在場(chǎng)地邊界附近(圖3)。分析表明：

圖1 無連續(xù)墻與攪拌樁地層變形

圖2 25m攪拌樁加固條帶地層變形

圖3 有連續(xù)墻地層變形

①施作深層攪拌樁隔離帶或地下連續(xù)墻對(duì)減少地層變形的作用主要體現(xiàn)邊坡附近一定深度(17～20 m)范圍，可一定程度降低堆載引起的潛在不穩(wěn)滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，其中深層攪拌樁隔離帶比地下連續(xù)墻更有效。

②施作深層攪拌樁隔離帶或地下連續(xù)墻對(duì)減少盾構(gòu)隧道附近地層變形的作用有限，盾構(gòu)隧道周圍的地層位移沒有大的差別，在5～15 mm范圍內(nèi)，推測(cè)可能由于盾構(gòu)隧道埋深較大，周圍地層變形受場(chǎng)坪堆載影響較小。

3 隧道結(jié)構(gòu)受力及變形分析

3.1 分析思路

基于上述設(shè)置地下連續(xù)墻對(duì)車輛段邊坡穩(wěn)定性及附近地層變形的影響分析結(jié)果，擬定三種方案車輛段場(chǎng)坪加固方案。

(1)方案1(原方案):在左線盾構(gòu)隧道的南側(cè)，沿車輛段場(chǎng)坪邊緣施作25 m寬深層攪拌樁隔離帶，隔離帶長(zhǎng)約430 m，深約18 m。(2)方案2:在方案1的基礎(chǔ)上沿隔離帶外緣增設(shè)地下連續(xù)墻，連續(xù)墻厚1.0 m，深約25 m(以深入隧底為原則)，長(zhǎng)約430 m，連續(xù)墻少量配筋。為不影響出入段線盾構(gòu)掘進(jìn)，在相應(yīng)位置預(yù)留通道。(3)方案3:在方案1的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整攪拌樁格柵帶為三軸型鋼攪拌樁帶，并調(diào)整深度由18 m調(diào)整為深約24 m(以深入中風(fēng)化混合巖<10-2>為原則)，寬度由5 m調(diào)整為1.07 m，加固段調(diào)整為由10 m調(diào)整為5 m，過渡段由10 m調(diào)整為5 m寬。加固段和過渡段攪拌樁深度按照方案1。

按初步擬定的連續(xù)墻方案(即方案2)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，增設(shè)連續(xù)墻對(duì)改善地層變形、隧道結(jié)構(gòu)受力及變形的作用相對(duì)有限，且投資增加較多，還涉及不同工法，故車輛段工點(diǎn)提出方案3，主要為與方案2作進(jìn)一步技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

分別針對(duì)上述三種方案計(jì)算2種工況的隧道結(jié)構(gòu)受力和變形，其中工況1為先場(chǎng)坪堆載后盾構(gòu)通過，工況2為先盾構(gòu)通過后場(chǎng)坪堆載，以期論證相應(yīng)方案及措施的技術(shù)合理性；另外為便于對(duì)比分析，也按上述2述兩種工況計(jì)算不作任何加固措施的方案(方案4)。需要說明的是，工況1(即先場(chǎng)坪堆載后盾構(gòu)通過)假定在盾構(gòu)通過前由場(chǎng)坪堆載引起的地層變形已基本穩(wěn)定，而實(shí)際情況為：場(chǎng)坪堆載結(jié)束后，可能完成大部分地層變形，完全穩(wěn)定還需經(jīng)過較長(zhǎng)一段時(shí)間。

3.2 計(jì)算模型

由于分析地段各地層在空間分布雜亂，本計(jì)算模型以該剖面中主要地層為主，合并次要的地層。

在計(jì)算斷面盾構(gòu)隧道施工影響范圍內(nèi)，地層主要為吹填砂層、淤泥質(zhì)黏土<3-4>、淤泥質(zhì)砂<3-6>、中砂<3-10>、粗砂<4-10>、全風(fēng)化混合片麻巖<10-1>、微風(fēng)化混合片麻巖<10-2>、中等風(fēng)化混合片麻巖<10-3>和微風(fēng)化混合片麻巖<10-4>等。各地層的物理力學(xué)參數(shù)以詳勘地質(zhì)報(bào)告為基準(zhǔn)，并以初始地應(yīng)力場(chǎng)不出現(xiàn)塑性區(qū)為原則，軟弱砂、土層進(jìn)行參數(shù)修正取值，中等風(fēng)化和微風(fēng)化混合片麻巖的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行縮小取值。擬建隧道主要位于粗砂、全風(fēng)化混合片麻巖、微風(fēng)化混合片麻巖等地層中。

數(shù)值計(jì)算采用ABAQUS有限元程序，各地層模型采用Mohr-Coulomb模型，單元采用8節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，即CPE8。C50管片襯砌采用梁?jiǎn)卧狟22模擬，并采用線彈性模型。其中方案3的數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 鋼梁、攪拌樁與隧道結(jié)構(gòu)之間關(guān)系(方案3)

3.3 計(jì)算結(jié)果

方案1～4主要計(jì)算匯總?cè)绫?、表3所示。以下對(duì)于工況1先場(chǎng)坪堆載，后盾構(gòu)通過。

對(duì)于工況2先盾構(gòu)通過，后場(chǎng)坪堆載。

在方案3中，在工況一中地下連續(xù)墻內(nèi)垂直應(yīng)力分布分別如圖5(a)所示，地下連續(xù)墻內(nèi)垂直拉應(yīng)力的最大值為4.52 MPa；在工況二中地下連續(xù)墻內(nèi)垂直應(yīng)力分布分別如圖5(b)所示，地下連續(xù)墻內(nèi)垂直拉應(yīng)力的最大值為3.46 MPa。

表2 工況1計(jì)算結(jié)果

表3 工況2計(jì)算結(jié)果

根據(jù)TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，混凝土C25的極限抗拉強(qiáng)度為2.0 MPa，C30的極限抗拉強(qiáng)度為2.2 MPa，因此，地下連續(xù)墻下半段可能因拉應(yīng)力而產(chǎn)生破壞。

從地下連續(xù)墻內(nèi)垂直拉應(yīng)力和垂直壓應(yīng)力的分布可知，地下連續(xù)墻存在彎曲效應(yīng)，即同一截面內(nèi)即存在拉應(yīng)力，也存在壓應(yīng)力，地下連續(xù)墻截面內(nèi)存在彎矩。對(duì)于工況1，提取實(shí)體單元內(nèi)的彎矩，其最大值約1 056 kN·m，對(duì)應(yīng)的軸力為748.1 kN；對(duì)于工況2，提取實(shí)體單元內(nèi)的彎矩，其最大值約826.0 kN·m，對(duì)應(yīng)的軸力為760.3 kN。

分析表明：

(1)車輛段場(chǎng)坪堆載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響主要體現(xiàn)于左線隧道。(2)車輛段場(chǎng)坪堆載時(shí)序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響較大。(3)基于先盾構(gòu)通過后場(chǎng)坪堆載的施工時(shí)序，采取相應(yīng)地層加固措施的方案1～3可改善隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形，但作用相對(duì)有限。

(a)工況一

(b)工況二

4 分析結(jié)論及建議

從上述分析，可得出如下結(jié)論及建議：(1)車輛段場(chǎng)坪堆載時(shí)序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響較大，建議盡量實(shí)現(xiàn)先場(chǎng)坪堆載后盾構(gòu)通過的施工時(shí)序。(2)基于先盾構(gòu)通過后場(chǎng)坪堆載的施工時(shí)序，增設(shè)地下連續(xù)墻可提高邊坡穩(wěn)定性，控制地層變形，改善隧道結(jié)構(gòu)受力和變形。(3)基于先盾構(gòu)通過后場(chǎng)坪堆載的施工時(shí)序，若采用方案2，為避免墻體在場(chǎng)坪堆載過程發(fā)生破壞，建議在下半部適當(dāng)配筋。(4)基于先盾構(gòu)通過后場(chǎng)坪堆載的施工時(shí)序，鑒于左線隧道上半部變形較大，建議針對(duì)地質(zhì)較差地段在洞內(nèi)注漿加固地層。(5)另外需說明，上述數(shù)值分析的力學(xué)模型不能完全準(zhǔn)確模擬實(shí)際情況，同時(shí)受相關(guān)技術(shù)參數(shù)取值影響較大，僅供設(shè)計(jì)施工借鑒參考。