天津地铁既有线改造工程中的控制差异沉降研究

1、天津地铁既有线改造工程中的控制差异沉降研究摘要：天津地铁一号线改造工程是在原有地铁线路的根底上对车站和局部隧道进展重建，为了列车的运行平安，必须严格控制新旧隧道构造交接处的差异沉降。通过有限元数值分析，对所要采用的高压旋喷加固地基方案进展数值模拟，确定了加固方式和厚度。现场实测结果说明，此次数值模拟是符合实际的，所选取的方案是经济合理的。关键词：差异沉降；高压旋喷桩；地基加固；数值分析；有限元；现场实测1前言在基坑工程当中，差异沉降往往是造成建筑物开裂、构造失效的主要原因之一。引起差异沉降的原因主要有：地基土层性质分布不均；根底顶面荷载分布不均；新旧构造相接处地基沉降不同。在紧邻既有构造物一侧

2、进展基坑开挖和新构造的施作，假如地基的差异沉降控制不好就会引起构件的开裂失效。对于地下铁路而言，地基的差异沉降将会严重威胁列车运行平安。天津地铁一号线工程是沿南北交通主轴在既有地铁线路的根底上进展的南延北伸。既有线路位于市区中心地铁一号线的中段，在撤除与旧车站相连的局部区间段的根底上，重新修建地铁区间隧道，将新建车站与既有区间隧道连接起来。这样大规模的地铁改造工程在世界范围内实属罕见。新旧区间隧道的差异沉降控制是改造工程中的技术难点和重点1，其研究结果对保证既有构造和列车运营的平安具有重大意义。该工程采用高压旋喷加固新建隧道下地基土的加固方案，本文通过有限元数值分析来确定其加固型式和厚度，并用

3、现场观测的差异沉降数值进展的对照，结果说明，差异沉降控制措施是合理的。2工程概况该工程位于天津市南开区地铁一号线西南角站，地貌上属冲积平原，地形较为平坦。勘探深度范围内土层自上而下共分8层，分别是第四系全新人工填土层、新近沉积层、第陆相层、第海相层、第陆相层、第陆相层、第海相层、第陆相层。岩性以杂填土、粉质黏土、粉土为主，土质松软多呈可塑流塑状，属中高压缩性土。无地震可液化层，地震根本烈度为度。地下水埋深0.84，水位变幅12，隧道埋深为2.96。3差异沉降控制方案在新旧区间隧道相接处，新建构造在基坑开挖、隧道体施工、覆土回填的过程中由于基底土体回弹和压缩会产生固结沉降，沉降量的大小与支护情况

4、、基底土质、地下水位上下等因素有关；另一方面，既有地铁线路建于1970年，基底土经过长期的固结，沉降已趋于稳定。因此，在新旧构造相接处必然会产生一个差异沉降。然而，地铁运行平安的要求是该差异沉降值必须控制在5范围内，否那么将会危及列车运行平安。在现有的地基加固处理方法当中，高压旋喷法是一种较为灵敏有效的新方法，常用于复合地基中加固地基土以进步承载力和减少根底沉降。利用高压喷射注浆形成的固结体，还可以有效地纠正因根底不均匀沉降而导致的建筑物倾斜，充填有裂隙和洞穴的地层或地下工程壁后空隙。因此，为了严格地控制差异沉降，在新旧隧道相接的过渡段处，新构造隧道底板下采用高压旋喷法加固地基土，如图1所示。

5、基坑两侧采用咬合桩作为基坑的支护构造和止水帷幕，所用桩长L=16.2，桩径=1000；同时，在过渡段既有构造一侧10范围内的隧道两侧及基底下一定深度内分别设置6和3的纵横向高压旋喷桩止水帷幕来改变渗流途径，防止地下水向新隧道基坑内渗入，新旧隧道之间设置2的沉降缝。由于新构造坑底地基土加固是控制差异沉降的关键措施，因此有必要通过有限元数值计算来确定高压旋喷加固的型式和加固厚度。目前，在地铁基坑设计当中，经常采用的高压旋喷加固方法有基底程度面全断面加固、抽条加固以及旋喷桩加固3种型式。在本文的数值计算分析当中，采用3类比照方案：基底不加固；厚度分别为4，5，6的全断面加固；厚度分别为4，5，6的抽

6、条加固抽条宽度2.066，间距从1开场逐渐加宽，增幅为0.5。钢筋砼隧道体的弹性模量E和泊松比分别为3.1107kPa和0.2，咬合桩和高压旋喷桩体的E与分别为2.5107kPa和0.25，各土层参数见表1。4数值分析4.1计算理论与方法新隧道的构筑是在撤除一局部既有隧道后进展的，土方开挖量不大。本文采用有限单元法，按照平面应变问题来分析新隧道构造断面的基底沉降，以期找到较为合理的地基加固处理方式。由于旧构造固结几乎完成，又采取了加固措施，同时施工中所受扰动较小施工中的位移监测也证实了这一点，故计算时仅分析新建隧道的沉降，只要控制住新建隧道沉降，必然就能控制住差异沉降实际上，旧构造的沉降可减小

7、差异沉降。新隧道构造断面的计算域范围如图2所示。模型中单元采用4节点等参单元，单元每个节点分别有x和y方向上的两个位移自由度。土体采用Druker-Prager屈从准那么2。在常用的接触面单元中，Gdan单元3如图3所示可以较好的反映构造与土体接触面的特性，因此在围护构造与土体之间设置了一层Gdan单元。文中，基坑开挖等效荷载的计算采用Ghabussi(1984)4和Brn(1985)5对ana法6提出修正的方法。由于原隧道为浅埋隧道，隧道底部的附加压力不大，故在本文中近似按自重应力建立初始应力常接触面单元的初始应力由相邻土体单元的初始应力来确定。4.2数值计算结果分析沉降计算的过程分为以下5

8、步：自重应力场的计算；基坑两侧打入咬合桩支护，基坑开挖至基底，做旋喷桩加固并封底，此时为新构造沉降计算初始值；构筑新隧道体，计算底板沉降；上覆土体回填，计算底板沉降；长期固结沉降预测。按照高压旋喷加固厚度为4，5，6的抽条加固和全断面加固的方式分别计算，计算得出的隧道底板处在施工完毕时刻的沉降值如图4所示。图中，横坐标的节点表示计算模型中隧道底板处的19个单元节点，纵坐标表示各个节点处的沉降值，也是新旧构造在底板处的差异沉降值。从图4可以看出：基底不加固处理和加固厚度为4的抽条以及全断面加固方案的沉降值均超出了5的容许沉降控制标准；厚度为5和6的高压旋喷桩抽条加固和全断面加固的的沉降值相近厚度

9、为5的抽条及全断面加固底板平均沉降值分别是-3.15和-2.78；厚度为6的抽条及全断面加固底板平均沉降值是-2.83和-2.10，均满足差异沉降的控制要求。转贴于论文联盟.ll.在沉降计算过程当中考虑了土体的固结作用，按照施工初期的基坑降水过程是瞬间完成且水位面长期维持不变的假定简化土体的主固结和长期固结沉降计算。从新构造底板浇筑完毕第1d到施工完成时刻第105d，隧道底板中心点处的固结沉降随时间的变化如图5所示。从图中可以看出，基底不进展高压旋喷加固方案的固结沉降随时间变化最大，加固厚度为分别为5和6的抽条以及全断面加固方案的固结沉降随时间的变化较校根据图4和图5所示，可以看出基底不加固和

10、加固厚度为4的方案不满足容许的沉降控制标准，因此这两种方案予以放弃。在满足容许沉降的控制标准的前提下，考虑工程的经济造价因素，设计方选用了厚度为5的高压旋喷抽条加固作为最终的方案。在5厚抽条加固地基方案中，隧道底板中点处的超孔隙水压力随时间的变化如图6所示。从图中可以看出，在新构造的施工过程中，由于施工荷载的逐渐施加引起的超孔隙水压力在隧道上覆土回填完毕前到达峰值，当施工完毕后，超孔隙水压力很快消散。由于土层浸透系数较大，在施工完成后的3个月内，超孔隙水压力几乎完全消散，地基土的固结完成很快，长期固结对差异沉降的影响非常校长期固结沉降的开展趋势如图7所示，可以看出：施工完毕后的20年内次固结的

11、开展非常缓慢，沉降值始终控制在容许值范围内。在这里需要指出的是，当隧道上覆土体回填完毕之后1个月时基坑停顿降水。此时在渗流作用下地下水位逐渐由基坑下恢复到自然地下水位面。可以肯定的是，由于地下水位面的上升在基底产生的浮托力可以减小新旧构造的差异沉降，这对于控制差异沉降措施问题是个积极的因素。因此为了简化问题便于计算，本文在计算长期固结沉降时假定基坑降水后地下水位面一直保持不变，因此这样计算出的固结沉降值会比考虑该条件的计算值大，这样的设计也是偏于平安的。5与实测数据的比拟为了验证高压旋喷桩加固地基的理论计算结果，在新旧隧道相接处随着施工进度进展了沉降观测。当基坑开挖至基底，做好高压旋喷桩抽条加

12、固体并构筑隧道底板新构造底板标高与既有构造一样后，在过渡段处新旧构造两边沿隧道宽度方向各等间距布设5个测点。其中A1A5代表既有构造的测点，B1B5为新构造的测点，测点布设如图8所示。本次现场观测共4次：2022年6月16日新隧道底板封底此时布点，新旧构造初始沉降均为0.0，7月6日，7月16日隧道构造模板支撑完毕、10月11日新隧道构建完毕并覆土回填，A1B5的累计沉降观测值见表2和表3。根据表2和表3可以看出，从沉降观测开场至新隧道构筑完成时10月11日，新旧隧道构造的平均累计沉降差SB-SA=0.92；在整个观测过程当中，旧构造A1A5点的沉降几乎没有发生变化，说明在做好止水和地基加固措

13、施之后，新构造对旧构造沉降几乎没什么影响，因此本文按照平面应变问题来进展有限元分析是可行的。由于有限元对实际施工过程的简化以及不考虑地下水位恢复的影响等因素，计算结果与实测差异沉降值有一定差距，尽管如此，它们的规律还是一致的，如图9平均差异沉降计算值与实测值的比照所示。由以上可知，采用厚度为5的高压旋喷抽条加固地基的方案，其数值分析结果和实测值均满足差异沉降控制要求，因此是经济且合理的最正确方案。6完毕语天津地铁一号线改造工程在国内尚属首创，改造工程的关键在于新旧构造的差异沉降控制，只要合理控制差异沉降就能解决改造工程中的技术难题，对于地铁建立工程而言是一个很好的范例。根据数值分析与现场实测，

14、采用厚度为5的高压旋喷抽条加固的地基处理方法可以严格有效的控制新旧隧道交接处的差异沉降；在高压旋喷加固处理设计当中，采用有限元数值分析的方法可以较为合理确实定加固方式、加固层厚度以及范围等；对于差异沉降控制非常严格的地铁基坑而言，高压旋喷加固的地基处理是一种平安可靠、经济合理的方法，操作简单施工方便，加固后地基长期稳定性好，具有广阔的推广前景。参考文献1郑刚，姜忻良，侯树民，等.天津地铁改造中车站箱体位移控制研究J.岩土力学,2002,23(6):733736.ZHENGang,JANGXin-liang,HUShu-inetal.ntrlfstatinbxdisplaeentsduetrenstrutinfTianjinetrsysteJ.RkandSilehanis.2002,23(6):733736.2黄文熙.土的工程性质.北京:水利电力出版社，1983.3钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算.北京:中国水利水电出版社,1996.4GhabussiJ,PeknldDA.Inreentalfiniteeleentanalysisfgeetriallyalteredstrutures