砂卵石地层盾构下穿高速公路加固方案研究_方广涛.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022砂卵石地层盾构下穿高速公路加固方案研究方广涛1,方华昌1,涂怀宇2,玄期林1,王卢伟2(1.中交一公局集团有限公司,北京 100024;2.西南交通大学 土木工程学院,成都 610031)摘要:成都地铁 17 号线九江北站 白佛桥站盾构区间侧穿绕城高速江安立交桥台并下穿高速公路路基,在砂卵石地层中大直径盾构隧道掘进易导致地层沉降,若沉降过大会威胁到高速公路的安全运营,故有必要对盾构隧道洞内加固方案开展研究。采用三维数值方法对隧道洞顶不同范围内的地层进行洞内注浆加固模拟,以高速公路路基沉降、管片内力及邻近桩基水平位移为主要评价指标,研究不同加固方案对地表沉降及邻近桩基横向位移的控制效果。结果表明:(1)当对隧道拱部 120和 180及径向 3 m 范围土体进行注浆加固时,路基沉降及管片内力均满足控制标准要求;(2)各方案加固效果对比发现,增加径向注浆厚度相较于增大环向注浆范围对地表沉降的控制效果更明显;(3)加固前后管片内力均满足控制标准要求;(4)隧道洞内注浆加固对侧穿的桩基变形影响较小,各加固工况下其水平变形均满足控制标准要求。关键词:砂卵石地层;土压平衡盾构;高速公路;下穿;加固方案中图分类号:U25文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0841-09Study on Reinforcement Schemes of Shield Tunneling through Highway in Sandy Pebble StratumFang Guangtao1,Fang Huachang1,Tu Huaiyu2,Xuan Qilin1,Wang Luwei2(1.CCCC First Highway Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing,100024,P.R.China;2.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,P.R.China)Abstract:The shield section from Jiujiang north station to Baifoqiao station of Chengdu metro line 17 passes alongside the Jiangan overpass abutment of the ring expressway and crosses underneath the roadbed of the ring expressway.The large-diameter shield tunnel in the sandy pebble stratum is easy to cause the formation settlement.If the settlement is too large,it will threaten the safe operation of the expressway.So it is necessary to carry out research on the reinforcement plan of the shield tunnel.The three-dimensional numerical method is used to simulate the grouting reinforcement in different areas of the shield tunnel roof.The settlement of the highway subgrade,the internal force of the segment and the horizontal displacement of the adjacent pile foundation are used as the main evaluation indicators to study the control effect of the ground settlement and the lateral displacement of adjacent pile foundation in different reinforcement schemes.The results show that:(1)When the soil at 120 and 180 of the tunnel arch and 3 m in the radial direction is reinforced by grouting,the settlement of the roadbed and the internal force of the segment meet the requirements of the control standard;(2)The comparison results about the reinforcement effect of each plan show that increasing the radial grouting thickness has a more obvious control effect on surface settlement than increasing the circumferential grouting range;(3)The internal forces of the segments before and after reinforcement meet the control standard requirements,indicating that the internal forces are not controlled;(4)The grouting reinforcement in the tunnel has little effect on the deformation of the side-crossing pile foundation,and the horizontal deformation under each reinforcement condition meets the requirements of 收稿日期:2022-03-28(修改稿)作者简介:方广涛(1983),男,山东蓬莱人,硕士,高级工程师,主要从事轨道交通工程相关工作。E-mail:123426049 qq.con通讯作者:涂怀宇(1999),男,江苏淮安人,硕士,主要从事隧道工程方面科研工作。E-mail:1464181682 qq.conthe control standard.Keywords:sand and pebble stratum;earth pressure balance shield;highway;underpass;reinforcement plan0引言近年来,我国轨道交通建设进入了空前繁荣阶段。但是由于城市路网密布,时常出现地铁隧道下穿既有高速公路的情况。地铁隧道建设的主流工法为盾构法,但盾构施工会对土体产生扰动 1-2,这种现象在砂卵石地层中表现的更为明显。晏启祥等3指出成都地区的砂卵石地层卵石含量高,结构分散无粘聚性,在盾构掘进时易造成超挖、掌子面失稳、地表塌陷等问题。因此,为了最大限度的减小盾构施工对既有高速公路的影响,有必要针对砂卵石地层盾构下穿高速公路加固方案开展研究。近年来较多学者对在砂卵石地层中盾构隧道下穿高速公路进行了研究。滕丽等4研究了盾构下穿砂卵石地层时地表的沉降特征,揭示了在砂卵石地层中土压平衡盾构穿越施工时地表沉降规律和失稳机制。侯永茂等5揭示了超大直径土压平衡盾构施工引起的地表沉降发展及分布规律。张鹏等6通过把高速公路路面竖向沉降曲线假定为二次抛物线,在满足路面功能性要求的基础上得出隧道下穿高速公路对路面纵向影响范围内的沉降最大值,据此通过计算制定路基面沉降控制标准。徐干成等7通过数值模拟表明当对下穿段隧道洞顶一定范围内的土体进行注浆加固时可以有效的控制因为隧道下穿施工引起的路面横向及纵向的不均匀沉降。张宇宁8通过研究盾构隧道下穿既有城市道路发现相较于粘性土,砂卵石地层的回弹效果较差,且隧道埋深与地表沉降具有正相关性。杨广武等9研究发现,盾构管片在掘进施工过程中内力不断调整变化;相对于粉土地层,砂卵石地层管片轴力较小,而不同地质条件对管片弯矩的影响不大;提高注浆效果可使管片受力更加均匀。沈建文10用 FLAC3D 数值分析软件模拟了地铁盾构施工对临近桩基的影响,提出了临近桥桩的沉降控制标准及邻近分区分度准则,为研究分析地铁盾构施工对邻近桩基的影响提供了借鉴。分析上述文献可知,既有研究中对于盾构隧道下穿既有高速公路施工导致的地表沉降影响与控制的研究较多,但其中有关砂卵石地层盾构隧道的研究主要针对小断面隧道,对砂卵石地层大直径盾构下穿既有运行高速公路的研究较少。基于此,本文依托成都轨道交通 17 号线九江北站白佛桥站盾构区间侧穿绕城高速江安立交桥台和下穿既有的高速公路工程,采用三维数值模拟方法,研究盾构隧道洞内不同的注浆加固范围对路基及桩基沉降的控制效果,以此选出最优加固方案并为类似的工程提供参考。1工程概况成都地铁 17 号线一期九江北站白佛桥站盾构区间长 2 802 m,盾构隧道衬砌的外径为 8.3 m,内径为 7.5 m,管片幅宽 1.5 m,厚度 0.4 m。盾构在区间隧道范围内侧穿绕城高速江安立交桥台和下穿高速公路路基,如图 1 所示。江安交桥高架桥图 1区间隧道与高速公路平面位置关系Fig.1Plane position relation of interval tunnel and expressway248地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷使用摩擦桩基础支撑,上部结构采用预应力混凝土简支小箱梁,桥面连续;下部桥墩为摩擦桩柱式桥墩。下穿段盾构隧道埋深 14.93 m,距高架桥桩基最近处为 14.29 m。地层由上到下依次为粉质黏土、稍密卵石土、中密卵石土及密实卵石土,如图 2 所示。图 2区间隧道与高速公路剖面位置关系(单位:m)Fig.2Cross-sectional position of interval tunnel and expressway(unit:m)2加固方案设计由区间隧道与高速公路平面与剖面位置关系图可知,盾构下穿高速公路区段工程条件较为复杂,隧道拱顶至高速公路路基面开挖深度不足两倍洞径,线路北侧还邻近有多根立交桥桩基,所穿区域路网密布,因此本工程需要严格控制由于隧道开挖施工引起的地层变形与沉降。基于此,本文采用对盾构隧道洞顶一定范围土体进行二次注浆的加固 方 案 进 行 沉 降 控 制,其 中 注 浆 层 密 度 为2 400 kg/m3,硬 化 前 后 的 弹 性 模 量 分 别 为4.8 MPa、10.8 MPa。在加固范围上选择拱部加固(洞顶周围 120)和整个上半断面加固(洞顶周围 180)两种方式,如图 3 所示;径向加固深度取2 m 和 3 m 两种。将环向加固范围及径向加固深度进行组合,可得到 4 种加固工况,见表 1。通过对这 4 种加固工况进行对比分析,选择最优方案,具体工况为:(1)工况一:盾构隧道正常开挖,同时对隧道拱部 120、隧道径向 2 m 厚度范围土体进行注浆加固。(2)工况二:盾构隧道正常开挖,同时对隧道拱部 120、隧道径向 3 m 厚度范围土体进行注浆加固。(3)工况三:盾构隧道正常开挖,同时对隧道拱部 180、隧道径向 2 m 厚度范围土体进行注浆加固。(4)工况