地铁隧道穿越既有道路的沉降预测及加固措施

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热度0票  浏览181次 时间：2020年1月13日 10:02

 黄汉彪 徐松 税欢

中国市政工程西南设计研究总院有限公司 四川 成都 610081摘要：现阶段，随着城市进程的不断深化，城市地铁建设事业快速发展，在地铁工程施工中，往往会遇到穿越既有道路的状况，主要就需要加强对地铁隧道下穿既有道路相关方面进行分析和探讨，由于在一些新建隧道当中实施下穿往往就造成既有道路产生变形，这样就会使得道路的实际运营产生影响，甚至还会使得路面损坏，造成人员的安全问题产生。因此本文主要就对地铁隧道穿越既有道路的沉降预测及加固措施相关方面进行分析和探讨。

关键词：地铁隧道 穿越 既有道路 沉降预测 加固措施中图分类号：U231 文献标识码： A

DOI:10.19569/j.cnki.cn119313/tu.201712147

 正文：

当前，随着城市的发展，城市轨道交通行业有了很大的进步，在实施新建地铁工程中往往都会遇到下穿既有道路的情况，由于地铁隧道施工对相关的围岩土体会造成影响并且造成地层变形的情况产生，在变形到一定极限时就会对道路的安全产生影响。并且，若是地铁隧道施工中对于超前加固相关措施没有做到位，就会造成既有道路出现沉降，严重的还会导致破坏性事件产生，对于人们的生命财产安全产生很大的影响，特别是在一些繁华区域产生这种状况，往往就会造成很恶劣的社会影响，为了能够将地铁隧道施工当中对于既有道路所产生的影响进行控制和预防，就需要根据实际的工程地质情况，加强对于既有道路所产生的沉降问题进行分析，从而实施预测并对施工方案有效调整，同时采用相关的措施对所产生的沉降问题进行控制。

1工程概述

某 工 程 设 计 区 间 开 始 起 点 为 S K 0 + 2 9 4 . 4 0 ， 终 点 为SK1+456.985，全场总共1265m，区间隧道处于某规划道路的下方，该工程区间隧道的地层主要由第四纪全新世人工堆积层、、中更新统上荒山组地层、下荒山组地层构成。从上到下地层土质主要有杂填土、粉质黏土、粉质黏土、粉质黏土、粉质黏土、粉质黏土、中砂。该区间隧道主要下穿的是粉质黏土层，底部主要位于粉质黏土层，基底的承载力能够符合设计需求。按照《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB50307－1999)，粉质黏土层在开挖中等级为Ⅰ或Ⅱ级；按照实际的《铁路工程地质勘察规范》(TB10012－2007)，粉质黏土层围岩分级为Ⅵ级或Ⅴ级。区间隧道地下水主要被赋存在冲洪积地层内，其含水层为孔隙潜水。然而粉质黏土当中有上层滞水情况存在，同时其分布也是不均匀的。

2地铁隧道开挖对道路沉降影响三维数值模拟

21有限元网格的建立

将该区间隧道作为实际的研究对象，地铁隧道的宽度为5.6m，高6m。在此基础上建立FLAC3D三维数值模型，如图1.在这当中Z为竖直方向，X为径向，Y为轴向。计算模型大小50m×30m×30m，模型共有78159个节点和72000个单元。

图1数值模型网格

按照该区间隧道的相关勘查以及设计资料，隧道在开挖当中的模型以及支护参数主要就是按照表1和表2两方面取值。

表1土层的物理参数指标

表2支护结构的物理参数指标

2.2计算结果及分析

按照所确定的开挖方案以及隧道的实际支护方案，对隧道区间下穿既有道路的施工工序主要有：第一，对模型实施清零处理以及位移和塑性区域实施清零。第二，对于土体以及模型的表现值进行获取，应用莫尔－库伦模型。第三，在实际的施工当中采用十单元的施工步骤对其实施循环施工，在对各部分完成开挖之后将放置支护形式，并且实施锁脚锚杆工序，同时在这当中进行中隔板的施加。

隧道在开挖当中呈现的是一个动态过程，并且随着隧道的施工深入，道路就会产生相应的沉降现象，为了能够将在隧道施工中道路所产生的沉降变化进行分析，需要在道路路面获取取DB-(1-3)轴线上的三个测点以及DB-(4-7)的横向测点作为其实际的研究对象，见图2，对于道路路面当中的监测点往往随着隧道的挖掘主要在图3和图4所呈现，沉降产生的位移在产生变化由z方向位移云图来呈现，从图中可以看出，随着隧道的掘进，先行位移产生很大的变化，在对支护完成之后，岩土所产生的变形呈现稳定状态。对图3隧道在经过既有道路下部时的位移云图可以指导，在隧道下穿既有道路施工当中，路面当中产生的位移最大区域出现在实施掌子面施工附近，并且该区域既有道路所产生的沉降量最大为40mm，并且在隧道的底部产生大约80mm的隆起状态。

图2计算模型的测点布置 图4第二步开挖z方向位移横断面图从隧道施工当中所能够产生的地表沉降位移可以看出，在实际的隧道施工当中，其所产生的位移变化主要在开始阶段就出现，往后随着施工进度的深化沉降现象不断减轻，并且在完成支护之后其产生的沉降位移逐渐稳定。对隧道在施工当中采用不同的施工方案以及不同的位置测点变形发展状态进行对比可以看出，在地铁隧道的上台阶实际施工当中的实际分布规律主要体现在图5给出了图2中横向测点DB-4、DB-5、DB-2、DB-6和DB-7位移中，并且从图中的地面位移测点位移随着实际的开挖其变化曲线可以看出，在实施上台阶的开挖中对位移所产生的影响很大；在测点以及开挖面之间产生相应的距离时，路面所产生的沉降也逐渐稳定。相对于其变化量来讲，横向测点所产生的沉降和中线偏离距离之间成反比，也就是和中线的距离越远，其所产生的变形也就越小。

图5开挖上台阶位移变化

3.3隧道施工对地基承载力的影响分析

将施工所产生的变形量作为其控制指标，按照相关的计算将隧道在实际的施工中路基承载力变化情况进行获知，同时在此基础上对隧道开挖前后地层模型的承载力以及位移变化曲线进行绘制，如图6所示。从中可以看出，随着位移的变化承载力也逐渐平稳，在这当中，稳定的值就是地基的承载能力。在隧道开挖前后相对应的极限承载能力产生的变化也非常大。

图6开挖前后路基承载力对比

相对于隧道开挖当中所获知的地基承载力所产生的变化数据来讲，路基承载力能够降低一般，所以在实际的施工中一定要对隧道施工运行中路基承载力的变化进行重视，按照对数据对产生的不同变化对于地基承载力所产生的影响变化曲线 进行分析，承载力所产生的变化控制主要就是在上台阶开挖当中，因此在进行上台阶开挖之前需要做好相应的超前支护，以此来将开挖当中的变形量降低，从而降低在开挖中对于路基的承载力所产生的影响。

4基于数值模拟的区间隧道施工技术

4.1施工方案

按照上述的模拟获知，路面产生的沉降和工作面之间的距离有着一定的关联，和开挖面距离越远，产生的位移就越大，并且因为在隧道开挖中会造成路基承载力下降的情况，所以就需要对开挖尺寸进行控制，同时应用相关的加固措施以此来确保路基的承载力，对路基产生的沉降进行控制。因此，在该区间隧道Ⅳ级单洞单线断面开挖中采用台阶法施工，对于Ⅴ级围岩单洞单线断面在开挖中应用台阶法和对核心土体预留的方法开挖；在实际的开挖中应用超前支护以及小尺寸开挖和及时支护的原则。在地铁隧道施工中的施工工艺（见图7）主要表现出的特点有：

第一，导管超前支护。该隧道下穿的地层主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，掌子面在没有开挖之前在拱圈位置采用风钻实施打孔，主要应用的是42mm、长3.5m的超前导管实施支护，以此能够起到台梁的作用，避免掌子面出现坍塌。

第二，加强注浆工序的控制。为了能够将围岩的自稳能力提升和改善，强化超前导管注浆锚固的强化以及掌子面的注浆和初次支护的注浆、二衬回填注浆等，以此来对围岩所产生的变形以及地面所出现的沉降问题进行控制。

第三，降低开挖尺寸。在对开挖尺寸的控制中，在这当中将循环开挖的频率增加，以此降低对岩体所产生的扰动，尽可能的对岩体实施封闭，保证岩体产生的位移比较小。

第四，加强支护。相对于支护施工中，初期支护可以应用格栅拱架，从而能够使得其自身的喷层厚度能够和设计要求相符合，以此来确保支护结构较强，从而将岩体产生的形变降低。

第五，早期封闭。因为覆盖的土层比较浅，在穿越的地层其土质主要是砾质和砂质黏土，表现出软塑硬塑状，因此就需要对开挖面及时封闭，以此来防止产生坍塌的情况。

图7区间隧道施工工艺流程

4地铁隧道穿越既有道路的沉降加固措施

4.1基础加大截面加固法

因为地表产生变形，造成既有道路承载力很难满足道路上表面结构的承载力需求，若是其承载力之间的距离不远就可以应用基础加大截面法实施加固施工。对于加大的基础底面积通常主要应用混凝土施工或者钢筋混凝土进行。

通常，如果需要采用钢筋混凝土进行对基础截面进行加大还不能有效的满足地基承载力的需求，可以将原来的基础改成条形基础，这样不但能够有效的满足地基承载需求，还能够使得地基所承担的受力更加的小以及均匀，以此来降低不均匀沉降。

4.2预压桩基础托换加固法

预压桩基础托换法的基本原理主要就是将道路自重作为其反力，应用相关专用液压设备对桩体压入土体当中，其主要过程就是对短桩实施连接为整桩，短桩之间的连接采用焊接的方式进行。在压入土体之后桩自身的承载力主要就是由桩周的摩擦力以及桩顶的承载力来供应，其主要就是对道路上部相关荷载进行承受，对部门结构的荷载能够传输到深土层中，从而能够将原有的结构起到相应的加固补强作用。对于预压桩和静压桩的区别，在这当中，对于预压桩主要就是应用带压托换的方式，在对桩体卸载时就会出现相应的反力，使得托换装和基础桩能顾紧密连接，从而将桩体的承载能 力提升。

4.3锚杆静压桩加固法

锚杆静压桩主要就是锚杆和静力压桩两个技术进行结合所产生的一种地基加固方式，其主要原理就是在原来的基础上进行锚杆固定压桩架的埋设。将道路自身的荷载作为压桩反力。采用液压的方式将桩段从原有的基础当中的压桩孔不断的压入到地基当中，然后将桩以及基础进行连接，从而实现对地基承载力提升以及对沉陷进行控制的主要目的。锚杆静压桩施工主要就是在原有的道路基础当中根据相关的设计需求进行压桩孔和锚杆孔的开凿，采用粘接剂将锚杆埋设，然而将压桩架和道路的基础进行连接，同时采用既有建筑自身的反作用力，采用千斤顶将桩段逐渐的压入到土体当中，对桩段之间主要就是采用硫磺胶泥连接，或者采用焊接实施连接。当压桩力在达到相关的设计需求之后，然后将桩头和原有基础当中采用微膨胀混凝土进行浇筑连接，这样桩基就能够及时受力，以此实现地基承载力的提升以及实现沉降控制的目标。

4.4灌浆加固法

灌浆法主要就是采用液压以及气压的原理，采用注浆管将浆液逐渐均匀的注入到地层当中，对浆液主要采用填充以及渗透等方式，对土体当中或者岩石缝隙当中的水分以及空气进行挤出，然后采用人工控制一定的时期，浆液就能够将原有较为松散的土体或者裂缝进行胶结为整体，从而使得其形成一个强度大以及新结构和防水性能良好的整体。

结语

在隧道开挖施工当中，特别是在隧道开挖下穿既有道路时，由于围岩岩体产生变形以及道路表面出现沉降等问题都是因为隧道在开挖中产生相应的扰动影响，因此可以采用相关的模拟对于其所产生的沉降进行分析。本文主要就对某区间隧道穿某既有道路施工中相关的路基承载力所出现的变化作为研究对象，从而总结路基沉降当中实施隧道施工的技术进行分析，从而能够为工程实际问题提供科学合理的依据，能够为之后相类似的工程提供略微的参考。

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