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摘要：科技在迅猛发展，社会在不断进步，公路建设在不断增多，双线盾构隧道施工会对高速公路路基造成较大影响，若控制不当会造成路基沉陷甚至坍塌，因此需要研究施工过程中及施工后路基沉降的分布特性与控制方法。文中结合某双线盾构隧道下穿高速公路路基的典型案例，采用数值模拟的方法研究路基沉降的分布特性。结果表明，路基沉降在双线盾构隧道施工完成后仍处于中心对称状态，最大路基沉降出现在双线盾构隧道的中间，路基中心测点附近的最大沉降出现在隧道施工完成后，而路基沉降槽可视为２个沉降槽在不同位置的叠加，该结果与计算结果吻合度较高。
关键词：双线盾构高速公路；数值模拟；路基沉降；沉降槽
引言
随着城市轨道交通的大规模建设,近接穿越工程数量越来越多,难度也越来越大.地铁盾构隧道下穿高速铁路路基时,不可避免地对周围土体扰动,引起周围地层损失及路基沉降,造成高速铁路轨道的纵横向不平顺,影响列车的运营安全.高速铁路采用先进的无砟轨道技术,列车运行速度为300～350km/h,对轨道的纵横向平顺性要求极为严格.盾构隧道穿越高速铁路路基工程属于高风险工程,轨道变形属特级风险源.因此,如何在盾构隧道施工前,分析研究开挖引起的路基顶面最大沉降值具有重要实际意义.
1概述
近些年来，随着我国城市的发展，许多大城市开始修建地铁，地铁的开挖会不可避免地扰动洞周土体，导致地表沉降，为减小地铁隧道施工对周围环境的影响，我们有必要对地表沉降进行准确的预测和严格控制。其中GAP法的地表沉降预测模型在国内外得到广泛的认可与应用。在Sagaseta法的基础上，认为隧道开挖后收敛变形的形式为隧道均匀径向收缩，得到了地表的竖向位移公式，但该方法得到沉降曲线比实测结果要宽，假定土体为弹塑性材料，用三维弹塑性有限元分析了加拿大安大略省的桑德贝隧道，引入总间隙参数(主要包括开挖面推进引起的径向变形，盾构机周围的超挖，盾尾壁厚，拼装衬砌的空间），反映将隧道开挖推进和隧道施工引起的地层损失。总间隙参数G定义为：
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式中：Gp为物理间隙，Gp=2A+δ，其中A为盾尾壁厚，δ为拼装衬砌空间，U3D为等效的三维径向位移，W为与施工质量有关的参数。对这两种模型进行了比较，从理论和数值模拟两方面论证了不均匀收敛模式比均匀收敛模式更加符合实际情况。有鉴于此，本文在不均匀收敛模型的基础上，对GAP法收敛模型进行改进，并应用于双线盾构隧道下穿高铁路基沉降规律研究中。为设计和施工提供指导。
2双线盾构隧道下穿高速公路路基沉降影响研究
2.1桩板加固方案
由于搅拌桩加固方案在沉降控制方面不能满足要求，因此分析了采用桩板方案进行加固的处理效果。分别采用空间壳模型和两跨连续梁模型利用Ｓａｐ软件分别计算桩顶反力，按最不利情况，即不考虑土对板的支承作用，假设板与土分开。
2.2数值模拟
采用有限元软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ ＮＸ对盾构法施工过程进行模拟，其具有强大的前处理与后处理功能。所有土层、注浆体、高速公路路基采用实体单元模拟，管片及盾壳采用析取的板单元进行模拟，土层材料遵守Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则，注浆体、路基、盾壳、管片均为线弹性材料。其中隧道的开挖采用单元钝化进行模拟，管片与注浆层的添加采用单元激活进行模拟。相关盾构参数为掘进压ＨＰ＝２００ｋＮ／ｍ２，千斤顶推力Ｊ＝４ ５００ｋＮ／ｍ２，盾壳外压Ｓ＝５０ｋＮ／ｍ２，适管片外压Ｅ＝１ ０００ｋＮ／ｍ２，先开挖左线隧道，后开挖右线隧道。模型采用位移边界作为边界条件，除上表面为自由边界外，各外表面均约束法线方向的位移，除此之外底面也约束水平方向位移。隧道左右及下部取３～５倍洞泾，整个模型尺寸为２３７ｍ×１４０ｍ×５０ｍ（长×宽×高），模型包括５５ ５５４个单元和３１ ０５５个节点。
如图1.
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图1 计算模型网格图
2.3计算模型
选取下穿节点处断面，建立二维有限元模型，土体采用硬化弹塑性模型（ＨＳ），钢筋混凝土板、钻孔桩均采用板单元来模拟，桩与土体间加入接触单元模拟两者间的相对滑移关系，为保守起见，此处考虑盾构施工时列车荷载影响，按ＺＫ荷载进行并均布到路基面上，轴重按２５ｔ计，数值模拟按照实际施工中先开挖右线隧道、后开挖左线隧道的顺序进行，考虑地层损失率为１％。
2.4运算结果
1)左线隧道的开挖造成土体损失,引起洞周土体向隧道内移动,引起相邻土体应力调整,相邻土体也随之向隧道内移动,上述交替变化波及地表,引起路基表面沉降.右线隧道开挖后,进一步引起地层移动,地表沉降范围加大,沉降值加大.2)路基横向断面y=30m处,左线开挖完成之后隧道引起地表最大沉降值为4.49mm,沉降槽宽度30m,最大沉降坡度为0.29‰.3)路基横向断面y=30m处,左右隧道开挖完之后,地表沉降槽的形态未发生变化,地表影响范围相对增加,沉降槽宽度46m,最大沉降坡度为0.29‰,最大沉降值为6.88mm.
2.5桩基承载力验算
《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定钻孔灌注桩的容许承载力
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考虑桩顶以下１１ｍ范围内的负摩阻力作用，计算得盾构施工影响时的钻孔灌注桩的容许承载力中桩为９４６３．８．８ｋＮ，而中桩最大桩顶反力加上桩身自重与桩身入土部分所占同体积土重之差为１０３１０．４ｋＮ；边桩容许承载力为５０７８．５ｋＮ，边桩最大桩顶反力加上桩身自重与桩身入土部分所占同体积土重之差为６０６３．４ｋＮ，承载力已小于桩基受到的外力作用，但是由式可知，钻孔桩的容许承载力包含２倍的安全系数，而且考虑到负摩阻力作用后钻孔桩的容许承载力基本接近桩所受外力作用，因此可以认为承载力满足要求。
结语
通过对三维数值模拟结果的分析，主要得到以下结论：（1）盾构隧道从CFG复合地基加固区底部2.24m穿越时，基于改进GAP法计算结果为8.84mm，最大沉降坡度为0.401‰。（2）基于改进GAP法计算出的路基顶面沉降槽较平坦，其主要原因是CFG桩复合地基加固处理措施提高了地基的承载能力，改善了加固范围内土体的物理力学性质，提高了复合地基的抗变形能力。（3）双线盾构隧道掘进过程中，先行隧道施工引起的地表沉降值略大于后行隧道引起的地表沉降值。（4）沉降槽形态为单峰形态，并没有出现双圆隧道典型的双峰形态，主要是因为两隧道的中心线间距较小，当间距小于或等于3D时，双线隧道左、右线施工引起的地表沉降叠加分布与单孔隧道的地表沉降分布非常相似，沉降槽曲线为“单峰”形态，且槽底较宽。
参考文献
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