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1、软土地层中盾构施工对既有地铁沉降的影响分析论文.freel.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
2、,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.在有限元数值分析中,做适当假设和简化,模拟区域的地质剖面图(自上而下依次为a~f土层):根据该地区的勘查资料,每层材料参数依据对其组分按厚度进行加权平均的处理方法而获得.模型材料的物理力学参数见表2-1.3三维有限元模型有限元模型尺寸长96m、宽60m、高40m,经过优化后的有限元网格如图3-1、3-2所
3、示,共有10744个单元.下部两隧道为开挖的下穿隧道(地铁七号线),上部与之斜交的两隧道为既有地铁2号线.由于盾构隧道开挖是分步进行,所以本计算中模拟的开挖步是:隧道开挖时前五步开挖左线后五步开挖右线.第一步时,七号线左侧隧道的掘进面距离地铁二号线下方2m;第二步时,七号线左侧隧道的掘进面到达地铁二号线的侧下方;第三步时,七号线左侧隧道的掘进面通过地铁二号线的正下方;第四步时,七号线左侧隧道的掘进面完全通过地铁二号线的下方;第五步时,七号线左侧隧道完成地铁二号线地段的开挖;第六步至第十步是重复上述五步对地铁七号线右侧隧道进行开挖.4数值模拟结果分析4.1不同应力释放
4、率的比较由于施工中管片的施作往往不够及时,或者是由于注浆未能同步进行,所以在开挖隧道时一部分被释放的应力是作用在周围土体上的,这样管片周围土体就会在管片拼装完成前发生较大变形,从而影响既有地下铁道的安全.鉴于这种情况,首先分析不同应力释放率对既有地下线路位移的影响.在此,比较两种情况,即:当有30%和50%的应力释放到管片周围土体时,分析既有地下线路位移的不同变化.这主要是因为30%的应力释放率是盾构施工的基本要求4,这时管片的施作和注浆基本能及时紧跟.而50%的应力释放率是盾构施工的不利情况,这时管片施作和注浆不及时,地层损失较正常施工大,所以需要比较分析在这两种
5、应力释放率情况下既有地铁线路的位移变化规律.通过计算得到,当有30%被释放的应力作用在管片周围土体时,既有地铁最大沉降值为27.40mm,而如果50%被释放的应力作用在管片周围土体时,既有地铁的最大沉降值增至35.07mm.为了方便说明问题,在道床位置沿着既有地下线路的纵向距离叠交中心位置处各27.8m范围内,取出一组点,来分析该组点的竖向位移变化情况.图4-1(a)~(b),比较了不同应力释放率情况下,地铁2号线在地铁7号线第三和第八模拟开挖步时的沉降曲线.从图中可以看出,在不同应力释放率情况下,尽管每一步开挖中既有地铁2号线竖向位移的变形趋势都是相同的,(即开挖
6、隧道中线与既有线中线叠交位置处容易发生较大沉降),但是,如果施工中管片周围土体吸收的释放应力越大,则既有地铁2号线的竖向位移就会越大,而且叠交位置两侧的位移差也会增加.也就是说,由于土体超挖、不及时施作管片和注浆未紧跟等因素造成的过大应力释放率,易于使既有线路产生不均匀沉降,甚至是失稳破坏.此外,随着隧道开挖的进行,在既有地铁2号线道床位置中心点处,其竖向位移的变化也能反映应力释放率对既有轨道2号线的影响.如果在整个施工中应力释放率不变的话,随着开挖步的进行,应力释放率的作用会越来越明显,即同一位置各施工步的竖向位移差会随施工步的进行逐渐增加(如图4-2所示).4.
7、2有无动荷载的比较与其他地下管线不同,既有轨道线路在其他隧道开挖时,会时不时地有地铁通过.所以,有必要来分析,在其他隧道开挖时动荷载对既有轨道线路是否有影响,且有多大影响.鉴于此,依然采用上面的三维有限元模型来分析动荷载的影响.根据《地铁设计规范》,上海地区轻轨车辆轴重为110kN,同时考虑到2号线运营时的振动影响还必须考虑动力系数,《规范》中规定对于地铁和轻轨的动力系数按铁路桥规公式计算后乘以0.8的系数.另外,在有无动荷载两种情况中均考虑不利情况,取50%的应力释放率.计算结果表明:与无动荷载的情况相比,考虑动荷载后,地铁2号线最大沉降值为36.08mm,仅
