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基础上对车站和部分隧道进行重建，为了列车的运行安全，必须严格控制新旧隧道结构交接处的差异沉降。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行数值模拟，确定了加固方式和厚度。现场实测结果表明，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、结构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；基础顶面荷载分布不均；新旧结构相接处地基沉降不同。在紧邻既有结构物一侧进行基坑开挖和新结构的施作，如果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安全。
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基础上进行的南延北伸。既有线路位于市区中心地铁一号线的中段，在拆除与旧车站相连的部分区间段的基础上，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结构和列车运营的安全具有重大意义。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，并用现场观测的差异沉降数值进行的对照，结果表明，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Ⅰ陆相层、第Ⅰ海相层、第Ⅱ陆相层、第Ⅲ陆相层、第Ⅱ海相层、第Ⅳ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，地震基本烈度为Ⅶ度。地下水埋深0.8～4 m，水位变幅 1～2 m，隧道埋深为2.96 m。
3 差异沉降控制方案
在新旧区间隧道相接处，新建结构在基坑开挖、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、基底土质、地下水位高低等因素有关；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，在新旧结构相接处必然会产生一个差异沉降。然而，地铁运行安全的要求是该差异沉降值必须控制在 5mm 范围内，否则将会危及列车运行安全。
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活有效的新方法，常用于复合地基中加固地基土以提高承载力和减少基础沉降。利用高压喷射注浆形成的固结体，还可以有效地纠正因基础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，新结构隧道底板下采用高压旋喷法加固地基土，如图1 所示。基坑两侧采用咬合桩作为基坑的支护结构和止水帷幕，所用桩长 L=16.2m，桩径φ=1 000mm；同时，在过渡段既有结构一侧 10 m 范围内的隧道两侧及基底下一定深度内分别设置 6 m和 3m的纵横向高压旋喷桩止水帷幕来改变渗流路径，防止地下水向新隧道基坑内渗入，新旧隧道之间设置2 mm的沉降缝。由于新结构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水平面全断面加固、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类对比方案：①基底不加固；②厚度分别为4 m，5 m，6 m 的全断面加固；③厚度分别为 4 m，5 m，6 m 的抽条加固（抽条宽度2.066 m，间距从1m 开始逐渐加宽，增幅为 0.5 m）。钢筋砼隧道体的弹性模量E和泊松比μ分别为3.1×107kPa和0.2，咬合桩和高压旋喷桩体的 E 与 μ 分别为 2.5×107kPa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
新隧道的构筑是在拆除一部分既有隧道后进行的，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结构断面的基底沉降，以期找到较为合理的地基加固处理方式。由于旧结构固结几乎完成，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，旧结构的沉降可减小差异沉降）。新隧道结构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 Drucker-Prager 屈服准则[2]。
在常用的接触面单元中，Goodman 单元[3]（如图 3 所示）可以较好的反映结构与土体接触面的特性，因此在围护结构与土体之间设置了一层Goodman 单元。
文 中 ， 基 坑 开 挖 等 效 荷 载 的 计 算 采 用Ghaboussi(1984)[4]和 Brown(1985)[5]对 Mana 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场。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步：①自重应力场的计算；②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，此时为新结构沉降计算初始值；③构筑新隧道体，计算底板沉降；④上覆土体回填，计算底板沉降；⑤长期固结沉降预测。按照高压旋喷加固厚度为 4 m，5 m，6 m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，也是新旧结构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 m的抽条以及全断面加固方案的沉降值均超出了 5 mm 的容许沉降控制标准；厚度为 5 m 和 6 m的高压旋喷桩抽条加固和全断面加固的的沉降值相近（厚度为 5 m 的抽条及全断面加固底板平均沉降值分别是-3.15 mm 和-2.78mm；厚度为 6 m 的抽条及全断面加固底板平均沉降值是-2.83 mm 和-2.10 mm），均满足差异沉降的控制要求。
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。从新结构底板浇筑完毕（第 1 d）到施工完成时刻（第 105 d），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，基底不进行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 m 和 6 m的抽条以及全断面加固方案的固结沉降随时间的变化较小。根据图 4 和图 5 所示，可以看出基底不加固和加固厚度为 4 m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 m的高压旋喷抽条加固作为最终的方案。
在 5 m 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，在新结构的施工过程中，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达到峰值，当施工完毕后，超孔隙水压力很快消散。由于土层渗透系数较大，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小。长期固结沉降的发展趋势如图 7所示，可以看出：施工完毕后的 20 年内次固结的发展非常缓慢，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个月时基坑停止降水。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结构的差异沉降，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，因而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安全的。
5 与实测数据的比较
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行了沉降观测。当基坑开挖至基底，做好高压旋喷桩抽条加固体并构筑隧道底板（新结构底板标高与既有结构相同）后，在过渡段处新旧结构两边沿隧道宽度方向各等间距布设 5 个测点。其中 A1～A5代表既有结构的测点，B1～B5 为新结构的测点，测点布设如图8 所示。
本次现场观测共 4 次：2004 年 6 月 16 日新隧道底板封底（此时布点，新旧结构初始沉降均为 0.0mm），7月 6 日，7 月 16 日（隧道结构模板支撑完毕）、10 月 11 日（新隧道构建完毕并覆土回填），A1～B5 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，从沉降观测开始至新隧道构筑完成时（10 月 11 日），新旧隧道结构的平均累计沉降差SB-SA=0.92 mm；在整个观测过程当中，旧结构（A1～A5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施之后，新结构对旧结构沉降几乎没什么影响，因此本文按照平面应变问题来进行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对比）所示。由以上可知，采用厚度为 5 m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佳方案。
6 结束语
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结构的差异沉降控制，只要合理控制差异沉降就能解决改造工程中的技术难题，对于地铁建设工程而言是一个很好的范例。根据数值分析与现场实测，采用厚度为 5 m的高压旋喷抽条加固的地基处理方法能够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的确定加固方式、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安全可靠、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):733―736.ZHENG Cang, JANG Xin-liang, HOU Shu-min et al..Control ofstation box displacements due toreconstruction of Tianjin Metrosystem[J]. Rock and SoilMechanics. 2002, 23(6): 733―736.
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[3] 钱家欢，殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1996.
[4] Ghaboussi J, PecknoldD A. Incremental finite elementanalysisof geometrically altered structures[J].International Journal forNumerical Methods in Engineering, 1984, 20: 2 051―2 064.
[5] Brown P T, Booker J R. Finite element analysis ofexcavation[J]. Computers and Geotechnics, 1985, 1(3):207―220.
[6] Mana A I. Finite element analysis of deep excavationbehavior[D]. US: Stanford University. 1976.
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