软土地层中盾构施工对既有地铁沉降的影响

软土地层中盾构施工对既有地铁沉降的影响分析针对上海地铁七号线下穿地铁二号线的实际,利用ADINA软件对施工过程进行模拟,来分析盾构施工对既有地铁沉降的影响.通过对施工中不同影响因素的对比分析,发现由于土体超挖、不及时施作管片和注浆未紧跟等因素引起的不同应力释放率会对既有地铁沉降产生较大影响.0前言

随着上海基础设施的飞速发展,盾构隧道穿越既有地铁线路的现象会越来越多,施工中对既有线路沉降的控制是一直以来的难题.目前,许多文献(例如文献[1]、[2])就这方面的问题已经研究很多,并取得不少成果.但是,由于土体超挖、不及时施作管片和注浆未紧跟等因素引起的不同应力释放率对既有地铁沉降的影响分析还很少.鉴于此,本文针对上海地铁七号线斜穿地铁二号线的实际情况,利用ADINA软件建立三维有限元模型,通过对不同应力释放率和既有地铁线路上有无动荷载情况的分析,发现不同应力释放率对既有地铁线路沉降的影响较大.1隧道开挖的模拟

根据文献[3]可知,地层沉降的基本原因是地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结.其中,地层损失和隧道开挖应力释放率引起的沉降,主要是因盾构机与土体之间的相互作用,导致了土体应力状态以及位移场的改变,由此引起的沉降,大都在施工期间会呈现出来.因为本文主要关心既有地铁在新隧道施工期间的沉降,所以对不同应力释放率的影响分析是必要的.

尽管开挖过程中盾构周边土体应力释放的情况较为复杂,但简化的看,主要有如下三种情况.如果不及时地拼装管片或注浆,则盾构周边土体的部分卸荷力由土体自身承受;或者如果开挖之后立即施作管片,则管片将承受几乎所有的卸荷力;或者如果盾构周边土体达到稳定才注浆或施作管片,则土体承受几乎所有的卸荷力,管片受力为零.而在实际的施工过程,盾构周边土体持续变形到某个程度时,才施作管片的,所以两者之间有时间上的不连续,从而不同应力释放率引起的沉降差异也会有很大不同.鉴于此,在模拟土体开挖的过程中,ADINA的单元死掉可以让其刚度在一段时间内变化,最终为零,这就可以用于模拟施工过程的时间效应.2工程背景

按照设计的要求,上海轨道交通7号线在龙阳路下穿地铁2号线,两线斜角约45°,斜交处两线中心净距离1.6m.轨道交通7号线的埋深是16.4m,地铁2号线的埋深是8.6m.两轨道交通线叠交处的地质情况如下所示:

该地区地层为淤泥质软土层,根据物探资料,地层自上而下土层依次为:

(a)杂填土(①),从地表而下厚度为2m,在0~0.9m深度内,土中混碎石、煤渣等杂质,含植物根茎;0.9~1.2深度范围内含氧化铁锈斑,局部为粉质黏土;1.2~2.0范围内含氧化晕斑迹,土层自上而下渐变软.

(b)褐黄色粉质粘土(②1),该层土质不均,夹粉性土薄层,含云母.

(c)灰色淤泥质粉质粘土(③1):饱和,流塑,夹薄层粉土,含云母.贝壳碎屑,切面光滑,高干强度、高韧性,高压缩性.

(d)灰色淤泥质粘土(④1):饱和,流塑,夹薄层粉土,含云母.贝壳碎屑,切面光滑,高干强度、高韧性,高压缩性.

(e)灰色粘土(⑤1),含腐植物和钙泥质结核,局部为粘质粉土.

(f)暗绿色粉质粘土(⑥),含氧化铁锈斑,夹钙质结核.坊侮旅在有限元数值很分析陶中撒,宜做适当假设和表简评化役,络模拟区域的地万质剖面董图姐(迹自上而下依次纤为嗽a~尊f摩土航层枪):支弟酷根据该地区的驾勘查资驼料抵,厌每层材料参数产依据对其组分架按厚度进行加识权平均的处理酿方法而获苹得称.奇模型材料的物握理力学参数见兵表素2-1.毙3公辉三维有限元模单型愈毅拘有限元模型尺税寸长哪96m古、宽密60m胸、高印40m内,纸经过优化后的爹有限元网格如草图摸3-兰1益、家3-侮2像所楚示骡,参共然有护1074压4晃个单暖元驱.贱下部两隧道为论开挖的下穿隧物道援(罢地铁七号业线县)址,材上部与之斜交罚的两经隧道佣为既有地蒸铁笛2继号抖线我.恒而劣由于盾构隧道英开挖是分步进对行恨,教所以本计算中嚷模拟的开挖步抓是收:摄隧道开挖时前俱五步开挖左线顺后五步开挖右搬线望.蹈第一步垦时梯,祸七号线左侧隧摊道的掘进面距絮离地铁二号线效下方床2m仿;土第二步瘦时乞,它七号线左侧隧顽道的掘进面到蕉达地铁二号线克的侧下切方票;宣第三步蓬时滤,拖七号线左侧隧台道的掘进面通赔过地铁二号线娇的正下蒜方乐;范第四步要时磨,爱七号线左侧隧备道的掘进面完辽全通过地铁二核号线的下馋方熄;侧第五步灌时搂,员七号线左侧隧剂道完成地铁二切号线地段的开砍挖挪;磁第六步至第十丛步是重复上述室五步对地铁七乎号线右侧昼隧道悄进行开普挖围.早4毅轧数值模拟结果累分析汁4.1品但不同应力释放穗率的比较冷节妈由于施工中管蛋片的施作往往荡不够及脸时砍,症或者是由于注瘦浆未能同步进雕行盯,仆所以在开挖府隧道矛时一部分被释奸放的应力是作水用在周围土体努上垮的才,棚这样管片周围显土体就会在管捕片拼装完成前创发生较大变坛形缝,毯从而影响既有馅地下铁道的安望全舒.弄鉴于这种情也况吐,兄首先分析不同万应力释放率对针既有地下线路塞位移的影铃响小.贺在么此投,民原比较两种情手况晶,瞒即竞:浆当巴有萝30利%辽和惠50躁%袜的应力释放到洗管片周围土体蹄时毯,斑分析既有地下乞线路位移的不盖同变授化惜.姜这主要是因弓为水30颤%手的应力释放率惯是盾构施工的估基本要脸求骆[4]孩,殖这时管片的施棒作和注浆基本夹能及时紧市跟早.马而剧50焦%临的应力释放率录是盾构施工的振不利情凑况互,充这时管片施作且和注浆不及斤时丈,伤地层损失较正枝常施工栽大礼,喂所以需要比较于分析在这两种听应力释放率情营况下既有地铁闭线路的位移变筝化规舰律栏.钓脏心通过计算得板到悠,区当蠢有墙30尼%悟被释放的应力爆作用在管片周绞围土体拒时嗓,会既有地铁最大兵沉降值为奋27.40m帜m愚,答而如沉果主50勺%岁被释放的应力国作用在管片周寸围土体卵时关,岛既有地铁的最长大沉降值增至塞35.07m仅m牺.列为了方便说明眯问捏题辅,台在道床位置沿亿着既有地下线帮路的纵向距离疾叠交中心位置元处各碌27.8m桃范围从内渴,福取出一组拍点输,月来分析该组点用的竖向位移变资化情摘况宽.蛮炉挺图裁4-1(a)料~(b)耗,猾比较了不同应鹿力释放率情况趁下哲,塑地虾铁滚2乏号线在地培铁期7忆号线第三和第族八模拟开挖步雹时的沉降曲欠线尖.尽竹思从图中可以看标出址,棒在不同应力释勺放率情况安下核,仰尽管每一步开鞋挖中既有地僻铁积2爆号线竖向位移蜡的变形趋势都黎是相同响的乡,骄(办即开挖翅隧道比中线与既有线寻中线叠交位置赌处容易发生较柳大沉笔降喉)信,泥但耳是牲,番如果施工中管士片周围土体吸孝收的释放应力觉越劫大透,珠则既有地丙铁耍2争号线的竖向位多移就会越奔大史,务而且叠交位置兄两侧的位移差纺也会增焰加响.咳也就是忧说拿,寸由于土体超挖替、不及时施作曲管片和注浆未鹿紧跟等因素造舍成的过大应力瓜释放马率沙,呀易于使既有线灯路产生不均匀贩沉鲜降吨,公甚至是失稳破公坏舞.猴版仰此跪外粮,峰随着隧道开挖删的进删行酒,松在既有地模铁颜2察号线道床位置催中心点担处签,欣其竖向位移的译变化也能反映容应力释放率对惰既有轨气道抱2才号线的影闹响王.怎如果在整个施投工中应力释放室率不变的择话暖,升随着开挖步的钱进扁行陈,流应力释放率的田作用会越来越凤明殿显孕,核即同一位置各驴施工步的竖向腥位移差会随施诊工步的进行逐爹渐增副加友(懒如石图伪4-夸2问所绵示貌).斜4.2者浙有无动荷载的肆比较蝴革止与其他地下管梳线不业同扔,逝既有轨道线路卧在其他隧道开江挖忙时俗,脑会时不时地有否地铁通吓过柴.笋所谷以订,抖有必要来分常析菜,恭在其他岭隧道堤开挖时动荷载替对既有轨道线全路是否有影逆响焦,锻且有多大影畏响肆.嘴鉴于徐此诊,川依然采用上面牲的三维有限元鼓模型来分析动息荷载的影锋响纲.开吴景根据《地铁设疯计规范旗》省,恋上海地区轻轨客车辆轴重燥为厉110kN臭,暮同时考虑庸到去2仗号线运营时的栏振动影响还必助须考虑动力系株数沉,请《规范》中规哑定对于地铁和警轻轨的动力系巴数按铁路桥规概公式计算后乘数以否0.昆8寄的系失数王.脑另丙外钥,认在有无动荷载缺两种情况中均爆考虑不利情轮况业,掩取跌50隶%球的应力释放甜率倘.损拆宣计算结果表障明遥:渡与无动荷载的册情况相脉比颈,约考虑动荷载售后骄,丛地姻铁喇2卧号线最大沉降拌值为燃36.08m姨m崖,孕仅仅增加了辅1.01mm括.缠教愧为了更为直观箭反暗映枕,肝在新急隧道总施工期鸣间慢,够列车动荷载作替用的影思响勒,歇将有无列车动负荷载两种情况躺下既有线的沉巨降曲线做一个融对牌比扑,的如阿图简4-3(a)式~(b扁)屯所垒示带:巡绵介从蝇图批4-受3策可以看贞出泥,虫由于动荷载的块作柜用喊,名每一步开挖中惜既有地渐铁不2亦号线竖向位移秒略有增标加弄,珍但是其影响效阀果不明网显袜,亚基本上可以忽扣略不哗计松.5结论朵禽(1灶)窄在盾构下穿既朱有地铁线路搏时君,全由于土体超挖化、不及时施作坚管片和注浆未系紧跟等因素所隶造成的过大应牙力释放熔率觉,桃对既有地铁的垂沉降有较大影辩响俊.痛通过有限元计箱算近,兵发现当管片周佛围土体吸雾收骨30支%浇被释放的应力僵时克,骑地铁二号线的礼最大沉降值为淋27.40m慕m率,谅而当尽┸保片周围土体吸恼收称50拿%旧被释放的应力自时帝,喜地铁二号线最皇大沉降值增闭为挖35角.柔位置的位移差仍也会增舟加假,脉尤其是两地铁滋线路叠交的位墙置怎,蚂其内外两侧的优沉降差可以达萍到殃21.55m锻m园.椅挣(2气)季如果在整个施械工中应力释放陷率不变的洪话轿,清则既有线路上侮同一位置各施丹工步的竖向位尘移差会随着施邀工步逐渐增煮加暂,枝也就是奖说遗,燥由于不及时施姻加管片等因素损所造成的沉降遥有随着时间的允推移逐步递增升发展的趋乎势帮.燃在不利情况弄下直(各即应力释放率李为晶50宇%亲时湖)拍,辞对地铁二号线幅而机言敌,再道床中间位置绕各施工步的竖民向位移差能从蛛不到矛2.38mm滔最终增至皂8.08mm须之皱多桶.建因此当盾构掘兽进面下穿既有毙地铁筛时泄,秘应做好施工控越制蜻.守疑(3职)写通过对比分析笋既有地铁线路于上有无动荷载盒的两种情淋况劲,桑可以知着道织,鹿由于动荷载的渔作今用语,允每一步开挖中洒既有地垦铁沙2若号线竖向位移射略有增热加螺,护也就在着1.02mm业范围内变锅化羡,姜所以其影响效陕果不明凯显邮,胞基本上可以忽喝略不般计毁.参考文献:扮[1惧]航李吉筝吉搅,订张子恭新枣.得相邻暮隧道怎施工对上海地只铁二号线的影帜响分乌析瞎[J]铁.疤岩石力学与工续程学嘴报板,2005,因24吨(败增薪1):512邻5-5129宋.狮[2唐]彼王如利路衔,西刘建摔航默,裁等崖.府上海轨道筋交通全4挨号线盾构