（岩土工程专业论文）盾构隧道下穿既有铁路站场地基加固研究.pdf

中文摘要 随着地铁建设的发展，隧道穿越问题对周边环境的影响受到了越来越多的关 注，为防止盾构隧道下穿既有铁路对列车行驶安全造成影响，进行既有线加固成 为一个重要的课题。 本文结合成都地铁红花堰站火车北站人民北路区间隧道工程，通过对盾 构穿越时的复合地基加固效果进行分析，尝试发现此种条件下地基加固的规律性。 本文利用修正p e c k 沉降曲线、数值计算曲线和实测数据的比较，找出合理参 数，采用有限差分法，运用f l a c 软件建立桩体分离模型和等效实体模型，对有效 桩长，有效板厚、有效置换率和列车荷载的影响进行了研究，在计算结果的基础 上分析了桩长、板厚、置换率在盾构开挖条件下对地表变形的影响规律。为类似 工程提供一定的参考。 关键词：盾构下穿；复合地基：有限差分法；桩长；置换率 j 匕塞交通太堂亟堂僮j 金塞垦墨至b ! a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u b w a yc o n s t r u c t i o n ，t u n n e l si n f l u e n c eo ns u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n ti sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o t op r e v e n ts h i e l d d r i v e nt u n n e la c r o s s e x i s t i n gr a i l w a ya f f e c t i n gt h es a f e t yo ft r a i n s ，r e i n f o r c e m e n to fe x i s t i n gr a i l w a y b e c o m e sa l li m p o r t a n ti s s u e c o m b i n e dw i t ht h et u n n e lp r o j e c tl o c a t e di nt u n n e ls e c t i o nh o n g h u a y a ns t a t i o n r m l w a yn o r t hs t a t i o n r e n m i nn o r t hr o a di nc h e n g d u ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e r e i n f o r c i n ge f f e c t so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw h e ns h i e l d d r i v e nt u n n e la c r o s sb e l o w a n d t r i e st of i n dt h er e g u l a r i t yi ns o i lf o u n d a t i o ni m p r o v e m e n tu n d e rs u c hc o n d i t i o n s t h ep a p e rc o m p a r e sm o d i f i e dp e c ks e t t l e m e n tc u r v ea n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n c u r v ew i t h p r a c t i c a l l ym e a s u r e dd a t a , f i n d s s u i t a b l ep a r a m e t e r s ，a n de s t a b l i s h e s p i l e s - s o i ls e p a r a t i o nm o d e la n de q u i v a l e n ts o l i dm o d e lu s i n gs o f t w a r ef l a c i naf i n i t e d i f f e r e n c ew a y i na d d i t i o n ，r e s e a r c ho ni n f l u e n c eo fe f f e c t i v ep i l el e n g t h ，e f f e c t i v ep l a t e t h i c k n e s s e f f e c t i v ed i s p l a c e m e n tr a t i oa n dt r a i nl o a d si sc a r r i e do u t ，b a s e do nw h i c h i n f l u e n c i n gr e g u l a t i o no fp i l el e n g t h ，p l a t et h i c k n e s sa n dd i s p l a c e m e n tr a t i oo ng r o u n d d e f o r m a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fs h i e l d d r i v e rt u n n e le x c a v a t i o n i s a n a l y z e d m o r e o v e rt h i sc a no f f e rr e f e r e n c ef o rs i m i l a rp r o j e c t st oac e r t a i ne x t e n t k e y w o r d s ：s h i e l d - d r i v e nt u n n e la c r o s se x i s t i n gr a i l w a y ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ； f i n i t ed i f f e r e n c ew a y ；p i l el e n g t h ；d i s p l a c e m e n tr a t i o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名- 冀锯 签字日期：口年月多日 l ， 导师签名：1 弘哆沈 签字日期：08 年6 月占日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 5 3 致谢 本论文的工作是在我的导师曾巧玲教授的悉心指导下完成的，导师严谨的治 学态度、求真务实的学风、宽以待人的师表风范以及孜孜不倦的敬业精神为我树 立了榜样，使我受益颇丰，终身享用。就读硕士两年以来，无论是在学习上还是 在思想上，曾巧玲老师均给予我热情的鼓励和无微不至的关怀，我的进步和成长 与老师谆谆教诲是密不可分的，值此硕士论文完成之际，学生谨向恩师致以最衷 心的感谢! 感谢北京交通大学土建院的老师和师兄弟对本人的关心和帮助，本文研究工 作的顺利完成离不开众多师兄弟的无私帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢父母、表哥丁斌给予我的极大鼓励和支持，使我能够专心完成我的学业。 感谢齐诚大师及夫人、郑仲琛先生及夫人给予我人生的启迪，让我学会了乐 观豁达的面对生活，严谨认真的对待专业的态度。 感谢丁建先生及夫人让我学会了用更高的视角看待问题，并给予我的宽容和 理解，以及在生活和思想上的无微不至的帮助。 感谢从小到大身边众多朋友的关心和爱护，使我的生活丰富多彩、笑声不断。 大爱润无声! 生命中遇到各位是我的荣幸! 祝各位幸福平安! 1 1 选题意义 第一章绪论 随着城市地铁建设的不断发展，各种关于隧道施工对周围环境的影响问题也 逐渐增多，城市隧道施工引起的地表沉降，是施工中的难点和控制重点问题，随 着问题广泛讨论与技术总结研究，城市隧道开挖在施工技术、地层加固和控制施 工技术等方面积累了丰富的经验。 成都地铁盾构l 标红花堰站火车北站人民北路区间隧道工程，是成都地 铁1 号线一期工程的重要组成部分，其中红花堰站火车北站区间隧道始于红花 堰站南端，止于火车北站北端。该区间隧道将下穿火车北站铁路股道，共穿过火 车北站11 股道及5 个站台，隧道至铁路股道道床的距离约1 1 m ，隧道施工对土体 图1 1 工程地理位置图 扰动会造成铁路股道道床的过度沉降与变形。 根据铁路线路维修规则u 1 规定：两股钢轨顶面水平的容许偏差，j 下线及到 发线不得大于4 m m ，其他站线不得大于5 m m 。一般情况下，超过允许限值的水平差， 只是引起车辆摇晃和两股钢轨的受力不均，导致钢轨的不均匀磨损。但如果在延 长不足1 8 m 的距离内出现水平差超过4 m m 的三角坑，将导致一个车轮减载或悬空， 如果此时出现较大横向力作用，有可能发生脱轨事故。前后高低不平顺对线路运 营危害较大。列车通过这些地方时，冲击动力可能成倍增加，加速道床变形，从 而更进一步扩大轨道不平顺，加剧机车车辆对轨道的破坏，形成恶性循环。一般 情况下，前后高低不平顺的破坏作用同不平顺( 坑洼) 的长度成反比，而同它的深 度成正比。规范规定：线路轨道前后高低差用l = l o m 弦量测的最大矢度值不应超 过4 m m 。根据隧道施工引起的地表沉降槽规律，地表横向变形要比沿隧道轴线方向 的变形显著。当既有线路正交于施工隧道轴线时，既有线路的运营安全主要受控 于轨道的前后高低不平顺的影响。因此轨道沉降控制标准为每股相邻轨道横向水 平差不得超过4 m m ，线路轨道前后高低差不超过4 r a m l o r e 。 表卜1 沉降控制参数 序号监测项目累计变化量报警速率报警称准采源 1 地表沉降+ 1 0 ，一3 0 舢3 m m d 以设计文件要求和 铁道部铁路线路 2 线路沉降4 m m l o m ( 轨道前后高差) 2 m m 次 维修规则等相关 3 邻近结构沉降 3 0 r a m5 m m d 标准为基础 本文以此为背景，通过对盾构隧道下穿条件下对既有铁路站场地基桩基加固 效果的研究，尝试发现此种条件下地基桩基加固的规律性。从而保证隧道暗挖施 工中列车的正常运营和铁路车站的正常使用，避免因列车停运而增加的工程成本， 提高经济效益；同时也为该种工程环境条件下地下工程建设提供一定的实践经验。 因此该项研究具有一定的理论意义和实际应用价值。 1 2 研究现状 随着地铁下穿既有铁路的工程越来越多，为防止盾构在推进过程中造成既有 铁路区段土体下沉、危及行车安全，同时确保隧道在列车运行荷载作用下的结构 稳定，采取在推进前对铁路线路预加固和对铁路影响范围内的隧道采用加强配筋 的砼管片，以及在盾构推进时实行信息化反馈施工并进行信息分析，及时调整并 由铁路部门及时对线路进行养护等措施，以保证工程和铁路的行车安全。 2 为了确保隧道下穿既有铁路股道时的安全，除了隧道施工作业本身要调整外， 还经常要对既有股道进行预加固，通常采用技术主要有扣轨、注浆加固、桩基加 固等。 1 2 1 扣轨法 扣轨法眙1 是国内外进行既有铁路股道加固时，一种常用的方法，它是把短 横穿轨( 横抬梁) 当成原线路上的轨枕使用，置于纵向扣轨梁( 纵梁) 上， 纵向扣轨( 纵梁) 是主梁，承受由横穿轨传来的线路荷载而转达到支墩上， 而支墩形式和深度需要根据地质情况进行详细检算。纵梁和横梁一般根据要 求采用相应的工字钢或d 型梁。 短横扣轨梁 纵向主扣轨梁 枕轨 一 线路基本轨 卜- i 一支墩 厂一一 ll l l j j 短横扣轨梁 图卜2 扣轨平面布置图 在隧道下穿既有铁路股道工程中，有长春站南北广场地下通道工程，南京地铁1 号线南京站下穿南京铁路站场工程口小3 7 1 ，杭州市解放路隧道下穿越沪杭铁路2 1 等 多项工程中采用了扣轨加固法。 2 扣轨的优点： ( 1 ) 堂口安全可靠。因轨束梁承受力强，施工中列车通过开挖堂口，不容易 发生开裂、压挤、坍塌等现象。 ( 2 ) 线路状态稳定。因受力点被均衡扩散，开挖地点的两股钢轨水平、高低、 方向均不发生变化，无须在施工中起道对水平。 ( 3 ) 不须更换钢筋混凝土轨枕。因横穿轨从枕间穿入，每个堂口只需把二根 钢筋混凝土轨枕向两侧拨动，不因钢筋混凝土轨枕影响扣轨，能保持原轨面状态 3 稳定，更不用成段更换轨枕整修线路，缩短了施工期。 1 2 2 注浆法加固 注浆技术( 亦称灌浆技术) ，是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆 管把浆液均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密的方式，将土颗粒或岩石裂 隙中的水分和空气排除后占据其位置，经一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂 隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、防水性能高和化学稳定性良好的“结 石体”。注浆的实质在于胶结、增强与加固。注浆使松散、被扰动的低品质的土体 材质变成高品质的材质，即改变土体的c 、由、e 值。距文献记载，国外最早的注 浆是法国人查理土贝里尼于1 8 0 2 年用冲击泵注入粘土和石灰加固港口砌筑强，距 今已有2 0 0 年历史了。2 0 世纪5 0 年代，美国人推出了高分子型的化学注浆材料进 行注浆。6 0 年代初期，日本始创出高压喷射注浆方法，将注浆技术向前推进了一 大步。就现代化的注浆技术而言，我国起步较晚，5 0 年代开始初步掌握注浆技术。 我国于6 0 年代开始在水电行业采用静压注浆法进行坝基基础注浆，7 0 年代末在铁 道行业开始进行高压喷射注浆法的研究和应用。经过近四十年的发展，我国注浆 技术已经逐步很成熟。 1 注浆法加固作用 ( 1 ) 渗入、劈裂和压密作用。在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力渗入孔 隙和裂隙中，在较大压力下，注浆液首先在注浆管端深度对土体产生劈裂作用，使 浆沿着土体中的裂隙( 包括显裂隙和隐裂隙) 渗透：注浆液延伸长度和厚度与注浆 压力有关，压力越大，延伸长度和厚度就越大。劈裂注浆后土体中的部分裂隙和一 些大孔隙被充填和胶结，使土体的强度得以提高。随着土中裂隙被不断充填，最后 注浆液在注浆管端部不断聚集，形成“浆泡，对周围土体进行压密，使孔隙减少， 土体强度增加。 ( 2 ) 骨架作用。经注浆后，土体中的裂隙和孔隙得到充填和压密，注浆液固 结体呈鱼骨状分布在土体中，使土体的整体性得到加强，密度和强度相应提高：另 一方面由于注浆液在土中凝固后，土体也产生了较高的强度，注浆固结体在土体中 起到了骨架作用。 ( 3 ) 防渗堵漏作用。注浆后，充填了裂隙和孔隙，防止或减少了水分的纵横向 迁移，降低了水对路基的不利影响。 ( 4 ) 土质改性作用。当由水泥和粉煤灰等组成的浆液与填土混合后，会发生 一系列的化学反应，如水泥的水化反应、粉煤灰的火山灰效应等，这些反应会使土 体形成凝胶体混合物，具有很高的强度。 4 2 注浆法加固的优势 优点在于注浆技术不影响行车秩序，无需采用重型碾压设备，整治后的基床表 层土的物理力学性能满足提速线路的强度，基床稳定，排水效果好。 1 2 3 桩基加固( 竖向增强体复合地基) 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或 在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体或被改良的天然地基 土体) 和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷 载的作用。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强 体复合地基。水平向增强体复合地基主要指加筋土地基。竖向增强体复合地基通 常称为桩体复合地基。 1 桩基加固机理 由于复合地基中桩体的刚度较周围土体为大，在刚性基础下等量变形时，地 基中应力按材料的模量进行分配，因此，桩体上产生应力集中现象。大部分荷载 将由桩体承担，桩间土上应力相应减小，这样就使得复合地基承载力较原地基有 所提高，沉降有所减少，随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更为明显。 复合地基的施工工艺因桩身材料不同而各异，因为对既有铁轨的加固条件的 限制，采用复合地基加固时一般采用小直径桩型。如注浆桩、树根桩、以及现在 比较新颖的灌注钢管桩都是这种桩型。 2 小直径桩加固的优势 ( 1 ) 所需施工场地较小，一般平面尺寸为0 6 - - 1 8m 2 ，净空高度为2 1 2 7m 即可施工。 ( 2 ) 施工时噪音小，钻机操作时振动小，对既有结构物和地铁隧道结构产生不 利影响小。 ( 3 ) 所有的施工操作都可在地面上进行，因而比较方便。 ( 3 ) 施工时因成孔小，因而对地层土体几乎不产生任何应力，对地层扰动范围 小，对既有结构物和地铁隧道结构较为安全。 ( 5 ) 布孔、布桩灵活，由于成孔小，在狭小的空间内，可以灵活布孔、布桩。 ( 6 ) 地层适应强，适应于各种类型的土层情况。 3 桩体形式及加固方法7 m 1 ( 1 ) 微型钢管灌注桩p 1 其桩身由钢管和混凝土组合而成，桩上荷载由钢管和混凝土共同承受。在桩 上荷载作用下，钢管起到双重作用，即纵向受压承受荷载，环向受拉约束管内混 5 凝土。混凝土在受蓟侧向约束的条件下， 力状态，混凝土的抗压强度大幅度提高， 横向变形受到阻止，形成兰向受压的应 桩身混凝土承载能力也相应提高。随着 荷载的增大，钢管的纵向压应力和环向拉应力也随着增大，对混凝土的侧向约束 力也越来越大。钢管首先纵向受压屈服，随后环向受拉屈服，不能再阻止混凝土 的进一步横向变形，最后才使混凝土压碎破坏。由于钢管与混凝土共同工作，改 变了混凝土的应力状态，既提高了其截面承载力，也改善了混凝土的脆性性能， 并且比同直径的混凝土截面大大提高了抗弯刚度， 从而减少了桩身园长细比较大 而发生纵向弯曲失稳的可能性，允许桩身采用较大的长细比。在桩身承载力和稳 定性保证的前提下，地基对桩提供的承载力大小决定了单桩承载力的数值。微型 钢管灌注枕的承载力由两部分组成，一部分由桩周地基土的摩阻力提供，这部 分首先作用于钢管外侧的水泥浆固结体，然后通过水泥浆固结体与钢管之间的界 面粘结力传递给钢管，最后才由钢管和混凝土共同承受。由于水泥浆固结体厚度 的不均匀性，桩周摩阻力实际上又是由因侧向正应力而引起的摩擦力和因界面不 平整而引起的机械咬台力共同组成的。 某种意义上来讲，对桩侧进行压力注浆即要解决因地铁隧道施工及降水施工 引起的桩周地层的扰动、松散问题，改善桩周土体的工作性能，使土体固结、稳定， 提高其抗压、抗剪的能力，进而保证地基承载力j 下常发挥，达到加固地基的目的。 ( 2 ) 树根桩( 亦称微型桩) ，它是就地灌注的小直径钢筋混凝土桩，直径为m 7 5 - - - - , 3 0 0 唧，在2 0 世纪3 0 年代由意大利的f l i z z i 首创，小直径灌注桩可以竖 向、斜向设置，网状布置如树根状，故称为树根桩。在该工程中的加固原理为：利用 树根桩、树根桩与树根桩之间的土体以及树根桩桩顶的联系梁共同形成的隔断墙 将既有灌注桩桩基周围的土体与隧道施工影响区域进行隔开，减少桩基周围的土 体因隧道施工而扰动的程度，控制桩基周围土体的位移和变形，保证桩周土体稳定， 达到加固桩基的目的。隔断墙主要承受地铁隧道施工引起的侧向土压力和地基差 异变形。 ( 3 ) 注浆桩，注浆桩施工工艺种类繁多，可分为前处理注浆( 是指成孔后即 成桩前，对孔底或孔壁土体进行压力注浆的桩型) 和后处理注浆( 按照注浆的位 置可以分为桩端压力注浆、桩侧压力注浆和桩端桩侧联合注浆桩) 。注浆桩一个重 要特点就是注浆对桩间土的改良作用，浆液除在孔内胶结骨料成桩后，还有部分 渗入桩周土。这部分浆液除了与桩周土发生化学反应外，还能通过渗透、挤密、 填充、压密及固结或多种形式的组合等不同作用，改变桩周土的物理力学性能。 这部分性质提高的桩周土便是浆液扩散区。 6 1 3 研究方法、目的及内容 1 3 1 研究目的 随着城市地下交通网络越来越发达，隧道穿越铁路( 包括需要对地表进行加 固处理的地基) 工程将越来越多。目前对地下隧道施工产生的地层移动和对周边 环境的影响分析较多。但对于隧道穿越复合地基时对其影响的研究比较少，大部 分工程在进行加固地基时采用工程经验和工程类比法进行施工，给工程带来较多 的不确定因素和匮乏的理论依据。基于上述现状，本文以数值计算为手段，以成 都地铁1 号线盾构隧道下穿火车北站站场股道为工程背景，以地表沉降为控制标 准，对盾构区问下穿复合地基时的影响规律进行分析和总结。希望能对隧道穿越 复合地基加固工程提供一些理论依据，同时对成都火车北站站场地基加固的施工 控制有所指导，对类似工程提供一些参考。 1 3 2 研究方法 1 、收集资料：对隧道和周边环境进行调查分析，确定研究对象。收集整理确 定相关物理力学参数。 2 、加固方案必选：通过对现有的既有铁路站场桩基加固的常用方法对比，结 合工程实际选出合理加固方案进行讨论研究。 3 、建模计算：利用按a n s y s f 2 0 】建立三维数值模型，采用有限差分数值计算 软件f l a c 3 d 【1 3 】【4 3 1 对隧道与复合地基进行建模计算。 4 、效果分析：通过加固方式对比，对加固方案进行优化选择。对盾构穿越条 件下复合地基加固效果的影响规律进行初步探讨。 1 3 3 本文研究主要内容 1 、以盾构穿越既有铁路站场地表沉降为控制因素，对桩基加固效果进行研究。 2 、对复合地基加固方案研究：通过分析加固方案，利用有限差分软件f l a c 3 d 对地层结构、隧道开挖方式和加固体结构进行合理的模拟，评价各种指标，对合 理加固方案进行优选。 1 ) 复合地基有效桩长研究：通过对复合地基的数值模拟分析，分析盾构穿越 对复合地基的有效桩长的影响规律并提出建议。 7 2 ) 复合地基有效混凝土板厚度研究：通过对复合地基的数值模拟分析，分析 盾构穿越对复合地基的有效板厚的影响规律并提出建议。 3 ) 复合地基有效置换率研究：通过对复合地基的数值模拟分析，分析盾构穿 越对复合地基的有效置换率的影响规律并提出建议。 3 、讨论列车荷载对地表变形的影响。 第二章盾构隧道下穿既有铁路站场地基桩基加固相关理论 盾构隧道下穿既有铁路站场，可能出现站场地表沉降过大的情况，从而影响 列车的正常行驶。因此有必要对站场地基进行一定的加固。加固的关键是将地表 沉降控制在允许值范围内。 根据成都地铁工程实际情况，主要考虑采用桩基加固的方式来控制沉降过大 的问题。针对此种工况条件下，桩基加固的主要作用是提高加固区域的整体刚度， 刚度提高必然导致加固体变形量减小，因此，盾构隧道下穿既有铁路站场地基桩 基加固问题，实际上是盾构开挖过程中对复合地基的影响问题，由于实际工程主 要关注地表沉降对列车运行的影响，所以本文也重点关注盾构下穿对复合地基地 表沉降的影响。 2 1 复合地基的概念和分类 当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时，需要进行地基处理，形成人工 地基，以保证建筑物的安全与正常使用。地基处理方法很多，按地基处理的加固 原理分类，主要有下述六大类：置换，排水固结，振密挤密，灌入固化物，加筋， 以及冷、热处理等。经过地基处理形成的人工地基大致上可分为三类：均质地基， 多层地基和复合地基。 2 1 1 复合地基的概念 复合地基n 8 1 是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换， 或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体或被改良的天然地 基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承担 荷载的作用。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增 强体复合地基。水平向增强体复合地基主要指加筋土地基。竖向增强体复合地基 通常称为桩体复合地基。 复合地基 f 散体材料桩复合地基 竖向增强体复合地基 粘结材料桩复合地基 需蕞篆萎喜釜萋 图2 - ! 复合地基分类 9 2 1 2 复合地基的作用机理n 田 复合地基中增强体方向不同，复合地基性状不同。桩体复合地基中，桩体是 由散体材料组成，还是由粘结材料组成，以及粘结材料桩的刚度大小，都将影响 复合地基荷载传递性状。根据复合地基工作机理可作下述分类，不论何种地基， 都具有以下一种或多种作用： 1 桩体作用： 由于复合地基中桩体的刚度相对桩周土体大，在刚性基础下等量变形时，地 基中应力按材料的模量进行分配，因此，桩体上产生应力集中现象。大部分荷载 将由桩体承担，桩间土上应力相应减小，这样就使得复合地基承载力较原地基有 所提高，沉降有所减少，随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更为明显。 2 垫层作用： 桩与桩间土复合形成的复合地基，在加固深度范围内形成复合层，它可起到 类似垫层的换土，均匀地基应力和增大应力扩散角等作用，在桩体没有贯穿整个 软弱土层的地基中，垫层的作用尤其明显。 3 挤密作用： 对砂桩、砂石桩、土桩、灰土桩、二灰桩和石灰桩等，在施工过程中由于振 动、沉管挤密或振冲挤密、排土等原因，可使桩问土起到一定的密实作用。采用 生石灰桩，由于其材料具有吸水、发热和膨胀等作用，对桩间土同样可起到挤密 作用。 4 加速固结作用： 部分桩形能加速土的固结，如砂( 砂石) 桩、碎石桩等桩本身具有良好的透水性， 起到加速固结的作用。 5 加筋作用： 复合地基除了可提高地基的承载力外，还可用来提高土体的抗剪强度，为此 可提高土坡的抗滑能力。国外将砂桩和碎石桩用于高速公路的路基或路堤加固， 都归属于“土的加筋”，这种人工复合的土体增加地基的稳定性。 2 2 复合模量计算方法的研究现状 2 2 1 桩土复合地基数值模型的种类 桩土复合地基作为一种材料存在较明显非均质性的特性，数值分析的关键之 一在于采用什么样的模型模拟复合地基。目前，非均质复合地基的数值分析计算 1 0 模式大致可分为三大类方法【2 1 ： ( 1 ) 采用复合材料的观点和方法，通过一定的力学公式，根据原状土与桩各自 的特性，利用等效参数的形式将复合地基转化为一种等价的均质材料，采用均质 材料的有限差分法求解，将该方法简称为复合模量的简化模型。 ( 2 ) 将原状土与桩分离，借鉴大坝中面板和土体的相互作用的实践经验考虑二 者的分界面，在原状土与桩之间加入接触单元，将复合地基看作是由原状土单元 和桩单元并通过二者之间的接触单元联系起来的有机体，接触单元应力的大小、 方向随原状土单元与水泥土桩单元之间的相对位移而改变，将该方法简称为接触 单元模型。 ( 3 ) 将原状土与桩分离，但忽略桩土在界面上的错动、滑移，也就是假定原状 土与桩体直接相连能自动实现位移协调，原状土与桩分别取各自的材料参数，将 该方法简称为分离式模型。 方法( 1 ) 在求取有元计算参数和有限元计算实施方面有明显的优势，易于实 现且概念清楚，有助于理解，能较合理地反映如堆场地基、铁路路基、桥台基础 等加固形式，但不能具体分析桩体、桩间土应力及应变。方法( 2 ) 无疑是较能合理 地描述复合地基的实际情况，但由于模型复杂，不仅参数难于合理确定，计算困 难，而且花费较高。方法( 3 ) 在桩体和桩周土体不会产生较大相对位移时，计算比 较合理。 由于本文分析在盾构下穿铁路股道条件下复合地基的加固效果，将根据情况 采用方法( 1 ) 和方法( 3 ) 来考虑盾构开挖对于加固体复合地基地表变形的影响，采用 方法( 1 ) 中提到的复合模量的简化模型来分析置换率对加固效果的影响，由于置换 率概念来源于复合模量，因此比较贴切，并概念清楚，便于实现；然而当考虑桩 长和混凝土板厚对复合地基加固效果的影响时，采用桩土分离模型比较符合实际， 也跟有利于发挥数值模型计算的优势。 2 2 2 复合地基的复合模量理论 1 采用复合模量的依据 复合模量法n 胡是龚晓南教授根据复合材料力学理论提出来的，因此也称为材 料力学法。其基本思想是：将复合地基加固区中的增强体和基体两部分视为复合土 体，采用复合模量来评价复合土体的压缩性及变形特性。尝试将复合模量引入盾 构穿越区域地基加固效果的考虑是基于以下几点： ( 1 ) 从现有的理论计算而言，复合模量理论相对成熟，基于该理论已经衍 生出很多更贴合实际的理论。 ( 2 ) 从应用的角度来看，复合模量理论是相对成熟简单实用有效的理论， 正是基于这点，该理论被广泛应用于工程领域。 ( 3 ) 从本加固工程特点来看，竖向变形因素是决定性因素，因此采用复合 模量考虑加固体及其地表的变形是合适的。这将直接反映到对地表变 形的影响。 2 复合模量法基本计算方法n 田： 为了解决复合地基沉降量计算问题，很多学者结合自己的工程实践经验提 出了一些沉降计算方法，龚晓南教授将这些计算方法总结复合模量法，应力修正 法和桩身压缩量法。这些方法都是为了解决加固区土层压缩量的计算问题提出来 的。 其中复合模量法中的复合模量的计算方式主要包括了以下三种： ( 1 ) 采用面积加权平均法计算竖向增强体复合地基复合土体压缩模量，即 舷= m e t , , + ( 1 - 聊) 民 ( 2 1 ) 式中e 。一桩体压缩模量 e 。一桩间土压缩模量 m 一复合地基置换率 ( 2 ) 复合模量也可采用弹性理论方法求出解析解或数值解，王兴业、唐羽 章( 1 9 8 8 ) ，张士乔( 1 9 9 2 ) 等采用弹性理论方法，根据复合地基总应变能与桩和 桩间土应变能之和相等的原理推导出复合土体的复合模量公式，求出如下解析解： e c = m ep + ( 1 - m ) e ，+ 普剖黑精2 ， k 。：二生一k 。：垦一 ( 2 3 ) p 2 ( 1 + y p ) ( 1 2 1 ，p ) 5 2 ( 1 + 匕) ( 1 2 v ，) g ： 堡 ( 2 4 ) 5 2 ( 1 + v ，) e 。、e 。一分别为桩体和土体的杨氏模量 1 ，。、y 。一分别为桩体和土体的泊松比 m 一复合地基置换率 式中第一项和第二项表示面积加权之和，第三项可看成是桩体和桩间土在荷载作 用下相互作用引起的复合模量的改变量。不难看出，式中第三项大于零，于是有 e 。m e 。+ ( 1 一朋) e ( 2 5 ) ( 3 ) 复合土体的复合模量也可以通过室内试验测定。林琼采用不同置换率的 水泥土一土复合土样进行压缩试验得到置换率与复合模量的关系曲线。图表示试 1 2 验得到的曲线与分别由式2 1 和式2 2 计算得到的置换率与复合模量的关系曲线的 比较情况。由图可以看出：由压缩试验得到的复合模量最大，基于弹性理论的计 算式得到的次之，由面积比计算式得到的最小。工程上应用面积比式计算的复合 土体的复合模量进行沉降计算是偏安全的。 e p e s 1 o 00 20 40 6 0 81 o 图2 2 水泥土复合土体复合模量与置换率的关系 2 2 3 既有铁路中常见的两种桩加固形式 钢管 注浆混凝土 水泥浆固结体 天然土体 混凝土 浆液扩散区 天然土体 图2 3 钢管灌注桩复合地基示意图图2 4 注浆桩复合地基示意图 l 钢管灌注桩 ( 1 ) 施工工艺 先进行测量放线，然后钻进成孔，接着清孔，安装下放空心钢管， 浆管，然后注入水泥浆，振动拔升注浆管，密封钢管口，二次加压， 浆管，然后成桩。 ( 2 ) 复合模量计算 钢管灌注桩的截面形式为： 钢管直径为3 0 o m m ，壁厚2 5 m m 截面积尺寸为2 9 5 c m z 钢管混凝土结构的变形，可以按一般结构力学的方法进行计算， 混凝土柱截面的整体刚度可按下式计算： 轴心受力刚度【2 1 】e t a f = e a s + e 。氏 e 厂瑚材弹性模量2 0 3 0 0 0 m p a 1 3 然后安装注 振动拔升注 计算时钢管 ( 2 6 ) e c _ 混凝土弹性模量取c 1 5 为2 2 0 0 0 m p a a s _ _ 钢管横截面积2 9 5 c m 2 八主体混凝土面积 那么根据前面的公式有当钢管灌注桩复合地基布桩间距平均为0 6 0 7 8 ， 表2 1 钢管灌注桩复合模量值 复合模量e c ( m p a )桩模量e p ( m p a )土体模量e s ( m p a )置换率m 9 7 0 1 72 5 3 0 3 3 3 11 8 4 0 0 3 8 1 2 8 1 3 72 5 3 0 3 3 31 1 8 4o 0 5 1 7 8 9 3 22 5 3 0 3 3 311 8 40 0 7 2 5 5 1 0 92 5 3 0 3 3 31 1 8 4o 1 2 压力注浆桩 ( 1 )施工工艺 注浆桩施工工艺种类繁多，可分为前处理注浆( 是指成孔后即成桩前，对 孔底或孔壁土体进行压力注浆的桩型) 和后处理注浆( 按照注浆的位置可以分为 桩端压力注浆、桩侧压力注浆和桩端桩侧联合注浆桩) 。 ( 2 ) 复合模量计算 一般而言，注浆桩的桩体强度等级为c 5 _ c 1 5 ，低于钻孔灌注桩的强度， 为了方便比较，将注浆桩桩体的材料定为低强度混凝土c 1 5 ，将浆液扩散区的强度 降低一个数量级，由于扩散半径与土层性质、浆液配合比、注浆压力、深度有关， 暂定为注浆桩体直径5 0 m m ，扩散区半径7 5 n u n ， 轴心受力刚度e t a f e 。a s + e 。a 。 e s - 桩体弹性模量取c l5 为2 2 0 0 0 m p a e c - _ 扩散区弹性模量为2 2 0 0 m p a a r 桩体横截面积 a c _ 扩散区横截面面积 表2 - 2 压力注浆桩复合模量值 复合模量e c ( m p a )桩模量e r ( m p a )十体模晕e s ( m p a )置换率m 5 0 9 5 71 3 2 0 01 1 8 40 0 3 7 7 6 7 1 2 51 3 2 0 0 11 8 4o 0 5 9 3 5 0 21 3 2 0 01 1 8 4o 0 7 1 3 3 0 6 61 3 2 0 011 8 4o 1 1 4 ( 3 ) 压力注浆桩扩散半径 根据杭千高速公路k 2 段注浆桩进行的现场开挖量测的数据表明阻1 当钻孔径为5 0 c m 时，注浆桩液扩散区为2 0 c m 表2 3 杭千高速公路现场开挖结果 桩号 1 #2 # 3 # 4 # 5 # 半径( c m ) 1 51 52 51 82 0 因此根据实际经验注浆桩液扩散区半径为0 5 r 3 钢管灌注桩与注浆桩的对比 当为满足同样强度的复合地基e c ，钢管灌注桩与压力注浆桩的置换率对比如下： 表2 4 相同强度复合地基条件下钢管灌注桩与压力注浆桩的置换率对比表 复合模量e c ( 1 v i p a )钢管灌注桩置换率m压力注浆桩置换率m 9 7 0 1 70 0 3 80 0 7 3 5 0 9 0 3 3o 0 50 0 9 6 1 0 1 6 8 8 3 o 0 7 o 1 3 8 1 5 2 3 7 3 4o 1o 1 9 3 2 7 0 0 2 5 0 0 2 3 0 0 矗 垒2 1 0 0 蛞 辎1 9 0 0 宴1 7 0 0 鑫1 5 0 0 1 3 0 0 1 1 0 0 9 0 0 o o 0 50 1o 1 5o 2 置换率 图2 5 两种桩犁相同复合模量条件下置换率示意图 1 5 器 9 0 01 2 0 01 5 0 01 8 0 02 1 0 02 4 0 02 7 0 0 复合地基模量m p a 图2 6 两种桩型相同复合模量条件下置换率差值变化趋势示意图 从图能看出，当要求的复合模量相同时，压力注浆桩所需要的置换率要比钢 管灌注桩所需置换率大，而且随着复合模量的增大，这两种置换率之间的差距将 逐步增大，呈线性递增趋势( 图2 6 ) ，因此当布桩方式与间距相同时，压力注浆 桩比钢管灌注桩需要更大的桩径，所以钢管灌注桩具有更好的体积和强度优势。 用于既有铁路地基加固将更方便、灵活。 2 3 双线盾构开挖地表沉降预测 对单隧道估算地面沉降的方法很多，归纳起来可分为三种：经验法、解析法和 数值法。经验法最典型的数p e c k 公式h 引，在绝大多数地铁区间隧道中，常常在同一 埋深地层平行修建两条隧道( 上、下行线) ，通常双隧道距离较近，两平行隧道开挖 对地层沉降的影响往往相互叠加，双孔平行隧道建设引起的地层变形比单一隧道 更为复杂，沉降预测更加困难，为了更好的预测双线盾构开挖地表沉降值需要对 p e c k 公式进行修正矧嘲罄1 2 9 儿蜘 2 3 1p e c k 法用于单孔平行隧道施工的地表沉降预测 1 9 6 9 年，p e c k 提出了地层损失的概念和估计单隧道施工引起地面沉降的实用 方法通过对大量地表沉降实测数据分析后，p e c k 认为地表沉降槽近似正态分布 曲线，假定地面沉降槽的体积等于隧道施工中产生的地层损失的体积，p e c k 公式 中： 巧= 4 ( d 巍- d 2 ) ( 2 - 7 ) 1 6 叮惦舛吆 o o o o o o o o翠绷诲蝼睡辑燃r蹬”辑爆艇拉 扛忑煮习2 面羁1 3 0 一s 鹪8 )l2 7 _ 2 i 石一25 0 6lz 一6 ， 风( 4 5 0 一纠风( 4 5 。一等) s 一= 弓皂= 0 0 1 3 3 m 二h | s ( x ) 为横断面上与隧道轴线距离为x 地面点的沉降量： v 。为由于隧道开挖引起的地层损失量： i 为沉降槽宽度系数，即地表沉降曲线反弯点与原点的距离， 下式计算式中：卜为覆土厚度：9 一为土体内摩擦角加权平均值) ox 图2 - 7p e c k 法地面沉降曲线 2 3 2 修正p e c k 法用于双孑l 平行隧道施工的地表沉降预测 ox ( 2 - 9 ) ( i 值由 图2 - 8 修正p e c k 法地面沉降曲线 修正p e c k 法用于双孔平行隧道施工的地表沉降预测方法如下。在大多数地 铁区间隧道中，常在地层同一埋深平行修建两条隧道( 上、下行线) ，如图2 8 所 示，通常双隧道距离较近，开挖相距不远的两条平行隧道，开挖顺序不同，双隧道影 1 7 响往往相互叠加只有当两条隧道相隔较远时，相互影响才较小。如果考虑地表所 发生的最终变形，可假设叠加原理仍然适用，基于图2 - 8 所示坐标系，得到在同一埋 深双孔平行隧道修正p e c k 公式h 5 1 ( 不区分同步开挖与先后开挖) 为： s c x ，= s e x p 一垡2 罢尘刁+ s e x p 一学 ( 2 一，。) 式中： ( p = 4 2 。 ( 根据层厚加权确定) ，r = 3 m ，道旁直径6 2 8 m 盾构本体外径6 2 5 m 巧= 三( d 巍一d 2 ) = o 3 0 所3 聊 h 归硐2 五孤1 3 0 - s 6 8 厩( 4 5 。一等) s 一= 号= 0 0 1 3 8 m z 冗l s ( x ) 为平行双隧道的横断面上与双隧道轴中心线距离 为x 处地面点的沉降量， i 广一为双孔隧道之间的中心距： s 。，为单隧道开挖引起的地表沉降量最大值： v ；为施工引起的隧道单位长度的地层损失 根据第三章工程实例中的数据计算得出双线盾构开挖曲线图见图4 一l 。 2 4 本章小结 本章主要讲明了复合地基的在计算中主要的考虑的模型形式，以及复合模 量的确定，并对既有铁路加固常用的两种桩加固体进行了比较。得出钢管灌注桩 比压力注浆桩有更好的体积和强度优势，同时利用修正p e c k 曲线预测出沉降大致 规律。 第三章盾构下穿条件下复合地基地表沉降f l a c 3 d 数值模拟 3 1 有限差分法 3 1 1 有限差分法的理论基础 弹性力学中的差分法是建立有限差分方程的理论基础。所谓差分法就把基本 方程和边界条件( 一般为微分方程) 近似地改用差分方程( 代数方程) 来表示，把求 解微分方程的问题改换为求解代数问题的问题。如图1 2 ，在弹性体上用相隔等间 距h 而平行于坐标轴的两组平行线划分成网格。设f = g ，y ) 为弹性体内某一个连 续函数，它可能是某一个应力分量或位移分量，也可能是应力函数、温度、渗流 等等。这个函数，在平行于x 轴的一根格线上，例如在3 - 0 1 上( 图11 ) ，它只随 x 坐标的变化而改变。在邻近结点0 处，函数f 可以展开为泰勒级数： 崩+ 哇卜小三h ) 2 毛吼h y 吼h 卜3 y 1 2 可 - j h， o i， 72 m t l o 图3 - 1 有限差分网格 在结点3 及结点1 ，x 分别等于一j i i 及x o + j l i ，即：z 一粕分别等于一h 和j j l 。 将其代入( 1 2 ) 式，得： 六听办( 篆) o + 矿2 阳lo x v 2 、j 。一譬。+ 丢。一 仔2 ， 石钳办( 善) o i 州- ta - t 扎j o 壁6t f ，, 蚴a x 。j o 7 州7 ta - 万川j 。+ ( 3 _ 3 ) 1 9 及( 1 4 ) 式简化为： 六听 吼+ h 2 2l ( o 引2 f 、。 ( 3 - 4 ) z = 厶+ 五( 篆) o1 - 1 7 2 - t - a 夏2 - s 厂- 、) 。 ( 3 5 ) 联立求解( 1 5 ) 式及( 1 6 ) 式，得到差分公式： ( 篆) 。= 等 仔6 ) 。= 半 7 ) l 可j 。一r 同样，可以得到： 02 等 净8 ) ( 矧。= 半 净9 ) 公式( 1 7 ) 至( 2 0 ) 是基本差分公式，通过这些公式可以推导出其它的差分 公式。例如，利用( 1 7 ) 和( 1 9 ) 式，可以导出混合二阶导数的差分公式 。= 瓦。吼o f 4 h 2 眦圳m 础 浯 用同样的方法