一种确定下穿铁路工程刚度匹配的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于地基基础工程技术领域，涉及一种确定下穿铁路工程刚度匹配的方法。
【背景技术】
[0002]随着城市建设的不断发展，城市交通的发展方向逐渐转向地下空间，地铁和公路隧道的建设越来越多。在这样的大背景下，盾构隧道下穿铁路的案例也越来越多。然而盾构施工不可避免地会对地层产生扰动，引发土体的较大位移并导致路基产生差异沉降，特别是在软土地区，这种现象更为突出。路基的差异沉降必然导致轨道结构的变形，影响列车的舒适性，甚至会威胁列车的安全运行。
[0003]为保证列车的安全运行，在盾构穿越前，有必要对路基下方一定范围内的土体进行预加固处理。通过对既有案例的分析，认为多数盾构下穿铁路路基的地基加固方案并不合理，多为大范围单一模量注浆加固，且加固区域土体强度较高，方案缺乏设计依据，具有一定的盲目性。这不仅造成了较大浪费，而且加固效果不一定理想。因此对于盾构隧道下穿铁路工程，亟需一套安全可靠、科学合理、成本较低的刚度匹配设计方案。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种确定下穿铁路工程刚度匹配的方法，合理确定加固范围并分区，确定各分区的匹配刚度，既可以减小铁路路基的差异沉降，保证铁路的安全运行，使盾构顺利穿越，又可以降低施工成本，具有良好的社会及经济效益。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种确定下穿铁路工程刚度匹配的方法，包括以下步骤:首先确定路基下方岩土体工程性质，然后在隧道横断面方向上，以隧道为中心的相关区域进行刚度匹配设计。
[0007]所述岩土体工程性质的具体参数包括土体模量、粘聚力或内摩擦角等。
[0008]所述隧道横断面方向上，以隧道为中心的相关区域进行刚度匹配设计包括:隧道周边范围内的土体与隧道结构刚度进行匹配，匹配弹性模量为E1;隧道上方范围内的土体与隧道结构刚度进行匹配，匹配弹性模量为E2;隧道两侧范围内的土体与隧道结构刚度进行匹配，匹配刚度由E1向周边原状土体过渡，匹配弹性模量为E 3o
[0009]所述隧道周边范围内的土体与隧道结构刚度进行匹配，匹配弹性模量为E1;是指横断面方向上，隧道上方0.5R?1.0R、隧道两侧1.0R?1.5R、隧道下方0.3R?0.5R范围内的土体，与隧道结构刚度进行匹配，匹配弹性模量E1取为4.5X10 3Eq?6.0X10 3EQ，R为隧道半径，E。为隧道结构模量。
[0010]所述隧道上方范围内的土体与隧道结构刚度进行匹配，匹配弹性模量为E2;是指E1S域上方0.5R?1.0R范围内的土体，匹配弹性模量E2取为6.0X10 3Eq?7.5X10 3E0,R为隧道半径，E。为隧道结构模量。
[0011]所述隧道两侧范围内的土体与隧道结构刚度进行匹配，匹配刚度由E1向周边原状土体过渡，匹配弹性模量为E3;是指E P E2g域两侧0.5R?1.0R范围内的土体，E 3取为
1.5X10 3E0- 3.0X10 3E0, R为隧道半径，E。为隧道结构模量。
[0012]本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果:
[0013]本发明的方法提供了一种安全可靠、科学合理、成本较低的软土地区盾构下穿铁路工程的刚度匹配设计法。
[0014]本发明的方法采用合理的分区方案及刚度匹配设计，使结构刚度平稳过渡，可以有效控制路基的差异沉降，保证列车的安全运行。
[0015]本发明的方法保证掌子面的稳定，使盾构顺利穿越铁路路基。
[0016]本发明的方法通过对不同加固区域的刚度匹配设计，实现整体刚度的平稳过渡，从而减小盾构施工对周边土体扰动和路基差异沉降、保证盾构顺利穿越铁路路基。
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例的确定下穿铁路工程刚度匹配的方法的平面示意图。
[0018]图2为本发明实施例的确定下穿铁路工程刚度匹配的方法的横断面示意图。
[0019]图3为对比方案的横断面示意图。
[0020]图4是本发明实施例的确定下穿铁路工程刚度匹配的方法的示意图。
[0021]其中:1为拟建单线盾构隧道，2为铁路路基，3为原状土体，4为匹配模量为&的加固区域，5为匹配模量为E2的加固区域，61为匹配模量为E 3的加固区域一，62为匹配模量为^的加固区域二，7为单一模量拟建盾构隧道，8为单一模量铁路路基，9为单一模量原状土体，10为单一模量加固区域。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0023]实施例1
[0024]拟建单线盾构隧道I正交穿越铁路路基2 (如图1所示，图1为本发明实施例的确定下穿铁路工程刚度匹配的方法的平面示意图。)，确定路基下方适当深度范围内岩土体工程性质，岩土体工程性质的具体参数包括土体模量、粘聚力或内摩擦角等。盾构隧道外径6.2m,内径5.5m，管片环宽1.2m，顶部埋深15m。盾构下穿铁路工程位于某软土地区，下穿处为深厚粘土层，原状土体3的压缩模量约Es= 6MPa。
[0025]在盾构下穿铁路工程实际施工中，应用本发明进行刚度匹配设计具体包括如下步骤:
[0026]隧道横断面方向上，如图4所示，图4是本发明实施例的确定下穿铁路工程刚度匹配的方法的示意图。隧道周边范围内的土体与隧道结构刚度进行匹配，匹配弹性模量为E1:是指隧道上方2.3m(0.75R)(图4中的a)、隧道两侧3.9m(1.25R)(图4中的b)、隧道下方1.2m(0.4R)(图4中的c)范围内的土体，与隧道结构刚度进行匹配，弹性模量E1取为175MPa(5X10 3E0)。
[0027]隧道横断面方向上，隧道上方范围内的土体与隧道结构刚度进行匹配，匹配弹性模量为E2;是指E1E域上方2.3m(0.75R)(图4中的d)范围内的土体，匹配弹性模量E 2取为 225MPa(6.5X10 3E0)。
[0028]隧道横断面方向上，隧道两侧范围内的土体与隧道结构刚度进行匹配，匹配刚度由E1向周边原状土体过渡，匹配弹性模量为E 3;是指E 1、E2g域两侧2.3m(0.75R)(图4中的e)范围内的土体，匹配刚度由E1向周边原状土体过渡，弹性模量为E 3，取为75MPa(2.2X10 3E0)。对整体施工过程进行数值模拟:如图2所示，图2为本发明实施例的确定下穿铁路工程刚度匹配的方法的横断面示意图。首先对匹配模量E2的加固区域5进行注浆加固，强度形成后即可发挥隔离效果，再对匹配模量为E1的加固区域4进行注浆加固，然后加固匹配模量为E3的加固区域一 61和匹配模量为E3的加固区域二 62，最后模拟盾构隧道施工过程。
[0029]评价刚度匹配效果:为评价本实施例的刚度匹配效果，通过数值模拟方法对比全断面单一模量加固与不加固情况下的路基差异沉降。全断面单一模量加固的对比方案如下:如图3所示，图3为对比方案的横断面示意图。图中:7为单一模量拟建盾构隧道，8为单一模量铁路路基，9为单一模量原状土体，10为单一模量加固区域。隧道上方4.6m(l.5R)、隧道两侧4.6m(1.5R)、隧道下方1.2m(0.4R)范围内的土体进行单一模量加固，取弹性模量E = 200MPa(5.8X10 3E0)。
[0030]通过数值模拟，在地层损失率为0.5%的条件下，得到不加固、全断面单一模量加固、本实施例的刚度匹配设计法三种情况下的路基差异沉降分别为9.89mm,2.87mm及
2.12mm,由此可见，采用本实施例的刚度匹配设计法可以有效减小路基的差异沉降，同时路基纵向的沉降曲线也更平缓。
[0031]实施例2
[0032]拟建单线盾构隧道正交穿越铁路路基，确定路基下方适当深度范围内岩土体工程性质，岩土体工程性质的具体参数包括土体模量、粘聚力或内摩擦角等。盾构隧道外径6.2m,内径5.5m，管片环宽1.2m，顶部埋深12m。盾构下穿铁路工程位于某软土地区，下穿处为深厚粘土层，原状土压缩模量约Es= 6MPa。
[0033]在盾构下穿铁路工程实际施工中，应用本发明进行刚度匹配设计具体包括如下步骤:
[0034]隧道横断面方向上，隧