淤泥質(zhì)軟塑地層盾構(gòu)下穿客運(yùn)專線設(shè)計(jì)研究

郭　靚

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300308)

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淤泥質(zhì)軟塑地層盾構(gòu)下穿客運(yùn)專線設(shè)計(jì)研究

郭靚

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300308)

Research of Shield Tunnel Underpassing the Passenger Dedicated Line in Soft-Plastic Silt Area

GUO Liang

摘要天津?yàn)I海B1線盾構(gòu)隧道所處淤泥質(zhì)軟塑地層具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高、易變形等不良工程特性，該隧道下穿津秦客專無砟軌道高架橋，沉降控制要求高。為控制該地層盾構(gòu)施工引起的高架橋沉降，采用工程類比、理論數(shù)值分析的方法對(duì)幾種加固方案進(jìn)行分析，提出“盾構(gòu)注漿加固+隔離樁”的加固方案，并采用橋梁 “頂升法”作為應(yīng)急預(yù)案，可預(yù)防盾構(gòu)下穿鐵路施工中的各種風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞盾構(gòu)隧道客運(yùn)專線注漿加固隔離樁頂升法

針對(duì)城市軌道交通下穿鐵路的研究很多，并取得了一定的成果：文獻(xiàn)[1，2]對(duì)天津地鐵6號(hào)線盾構(gòu)下穿既有鐵路進(jìn)行數(shù)值分析，提出加強(qiáng)洞內(nèi)注漿，調(diào)整施工工藝，采用旋噴樁加固及壓密注漿加固對(duì)鐵路路基進(jìn)行處理等措施；文獻(xiàn)[3]對(duì)南京地鐵2號(hào)線盾構(gòu)下穿寧蕪鐵路(路基、有砟軌道)進(jìn)行全斷面分區(qū)注漿及旋噴加固，并對(duì)軌道結(jié)構(gòu)架設(shè)D型便梁進(jìn)行防護(hù)；文獻(xiàn)[4]從施工角度對(duì)盾構(gòu)下穿高速鐵路的掘進(jìn)參數(shù)控制、監(jiān)測(cè)以及管理進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[5]對(duì)軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路的影響進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)出軟土地層盾構(gòu)下穿鐵路的變形規(guī)律；文獻(xiàn)[6]以寧高城際盾構(gòu)隧道下穿高鐵橋梁為例，認(rèn)為在巖層中盾構(gòu)施工對(duì)高鐵橋樁影響很小；文獻(xiàn)[7]對(duì)卵石地層中盾構(gòu)隧道下穿京滬高鐵高架橋進(jìn)行研究，確定防護(hù)措施以及盾構(gòu)施工的土倉壓力、出土量等施工參數(shù)；文獻(xiàn)[8] 對(duì)沈陽地鐵10號(hào)線盾構(gòu)下穿既有橋梁群樁基礎(chǔ)進(jìn)行理論分析及數(shù)值模擬計(jì)算，提出采用擴(kuò)大板基礎(chǔ)托換方案；文獻(xiàn)[9]利用有限元模擬對(duì)上海9號(hào)線下穿滬杭鐵路地基加固的施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[10]利用有限差分程序?qū)δ喜罔F1號(hào)線下穿京九鐵路箱涵進(jìn)行分析，建議檢測(cè)框構(gòu)橋底板脫空程度，及時(shí)進(jìn)行注漿加固處理，以保證地鐵隧道安全順利穿過運(yùn)營鐵路橋；文獻(xiàn)[11]介紹地鐵采用“鉆孔灌注樁+混凝土支撐+止水帷幕”支護(hù)體系下穿既有鐵路。綜上所述，目前對(duì)于盾構(gòu)下穿鐵路路基段或有砟道床的研究居多，通過軌道防護(hù)以及路基處理等手段可保證鐵路運(yùn)營安全；對(duì)于下穿高鐵橋梁的研究?jī)H有巖層中的寧高城際盾構(gòu)下穿京滬高鐵、卵石地層北京地鐵盾構(gòu)下穿京滬高鐵的實(shí)例。以濱海淤泥質(zhì)軟塑地層盾構(gòu)隧道下穿津秦客專高架橋?yàn)槔ㄟ^對(duì)各種加固方式進(jìn)行研究，提出“盾構(gòu)注漿加固+隔離樁”的方案，并采用橋梁 “頂升法”作為應(yīng)急預(yù)案，可預(yù)防盾構(gòu)下穿鐵路施工中的各種風(fēng)險(xiǎn)。

1工程概況

天津?yàn)I海B1線盾構(gòu)隧道下穿津秦客專高架橋，采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.9 m，外徑6.6 m，分別從115號(hào)墩的兩側(cè)穿過，下穿處盾構(gòu)隧道的覆土為6.2 m，盾構(gòu)隧道與鐵路夾角為80.01°和82.08°。為減小盾構(gòu)施工對(duì)鐵路橋的影響，盾構(gòu)隧道位于兩橋墩中間位置，與橋墩最小水平凈距為9.7 m。盾構(gòu)隧道下穿津秦客專高架橋的平面、剖面位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1　盾構(gòu)隧道與鐵路橋平面(單位：m)

盾構(gòu)隧道下穿處津秦客專高架橋?yàn)?2.7 m跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)梁，采用群樁基礎(chǔ)，橋墩埋深約3 m。每個(gè)橋墩的基本承載力為28 800 kN，每個(gè)橋墩下為8根直徑1 m、長(zhǎng)度為54 m的樁基，樁類型為摩擦樁。鐵路橋下凈高約5.5 m，滿足小型機(jī)械施工空間。

圖2　盾構(gòu)隧道與鐵路橋剖面(單位：m)

2工程地質(zhì)情況

天津?yàn)I海地層為陸、海相交互沉積地層，主要以淤泥質(zhì)黏性土為主，為軟—流塑狀態(tài)，具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高等不良工程特性。本工程土層主要由黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉砂夾粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等構(gòu)成。其中盾構(gòu)穿越土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉砂夾粉質(zhì)黏土層。影響本工程的地下水為潛水，主要賦存于填土和淺層砂性土中，潛水水位埋深約為1.1 m。

各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

3工程特點(diǎn)分析

3.1地質(zhì)條件差

場(chǎng)地地貌屬海積—沖積濱海平原，工程影響深度范圍內(nèi)主要由人工填土層，全新統(tǒng)陸相、海相交疊淤積層組成。其中⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(呈流塑狀態(tài)，局部以淤泥為主)、第⑦層粉質(zhì)黏土(呈流塑—軟塑狀態(tài)，局部含泥炭土)，具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高等特點(diǎn)，同時(shí)軟土還有低滲透性、觸變性和流變性等特點(diǎn)。盾構(gòu)施工過程中地層的應(yīng)力釋放易造成土體位移，從而對(duì)鐵路橋橋樁產(chǎn)生影響。

3.2無預(yù)留條件

客運(yùn)專線行車速度高，對(duì)軌道變形要求極嚴(yán)，在鐵路建設(shè)時(shí)沒有預(yù)留穿越措施的狀態(tài)下，一般不允許地鐵隧道下穿施工。目前已實(shí)施的穿越高鐵工程主要集中在高鐵有砟軌道區(qū)段或者高鐵施工時(shí)已經(jīng)預(yù)留下穿條件的區(qū)段，如北京地鐵14號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿京津城際鐵路段(有砟路基)，天津地鐵5號(hào)線下穿京津城際延長(zhǎng)線(有砟路基，城際施工時(shí)在盾構(gòu)穿越區(qū)段的兩端設(shè)置樁基礎(chǔ)及托梁)。目前，國內(nèi)在陸、海相交替沉積軟土地層下穿無預(yù)留條件的無砟高速鐵路尚無先例。

3.3沉降控制指標(biāo)嚴(yán)格

津秦客專設(shè)計(jì)最高時(shí)速為300 km/h，要求線路具有較高的平順性和穩(wěn)定性，兩橋墩之間的差異沉降不得大于5 mm。盾構(gòu)隧道在施工過程中會(huì)引起地層損失，造成樁基沉降和橋梁變形，進(jìn)而導(dǎo)致軌道不平順，影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4設(shè)計(jì)方案

4.1設(shè)計(jì)思路

根據(jù)國內(nèi)盾構(gòu)隧道下穿高等級(jí)鐵路橋梁的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合本工程軟塑地層的特殊性，按照本工程附加措施的多少，依次研究以下方案：①盾構(gòu)隧道正常施工狀態(tài)下對(duì)橋梁的影響(方案一)；②采用盾構(gòu)隧道洞內(nèi)注漿加固的條件下對(duì)橋梁的影響(方案二)；③在方案二的基礎(chǔ)上，增加盾構(gòu)隧道兩側(cè)“隔離防護(hù)樁+橫向板撐”的條件下對(duì)橋梁的影響(方案三)；根據(jù)研究結(jié)果選擇合理的加固措施，確保對(duì)橋樁的影響控制在允許范圍內(nèi)。

4.2數(shù)值模擬及計(jì)算結(jié)果

為研究盾構(gòu)隧道施工對(duì)鐵路橋梁的影響，采用MIDAS GTS有限元計(jì)算軟件建模，對(duì)盾構(gòu)施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。計(jì)算模型寬度方向取210 m，深度方向取120 m，沿隧道方向取50 m；隧道圍巖本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，考慮圍巖的非線性變形。橋梁樁基、隔離樁按照樁單元建模，考慮其與土體之間的摩阻力；管片結(jié)構(gòu)采用彈塑性各向同性的直梁材料模擬(如圖3所示)。橋梁地上部分結(jié)構(gòu)采用集中荷載替代，并施加在承臺(tái)頂部，盾構(gòu)隧道施工順序?yàn)橄仁┕ね瓿勺缶€，后施工右線。

由于刀盤與盾殼之間、盾殼與管片之間存在空隙，管片脫尾后同步注漿漿液硬化存在時(shí)間差，因此在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中存在一定的荷載釋放，引起土體位移，影響津秦客專橋樁承載能力；在本計(jì)算模型中，將盾構(gòu)開挖、管片支護(hù)、后期工序的應(yīng)力釋放系數(shù)設(shè)為0.3∶0.3∶0.4。

圖3　計(jì)算模型(方案三)

隧道施工完成后地層豎向位移如圖4～圖6所示，并提取三個(gè)方案的沉降數(shù)據(jù)，得到如圖7所示的地表沉降曲線及表2所示的橋樁樁頂沉降情況。

圖4　方案一施工完成后地層豎向位移云圖

圖5　方案二施工完成后地層豎向位移云圖

圖6　方案三施工完成后地層豎向位移云圖

圖7　三個(gè)方案地表沉降曲線

方案方案一方案二方案三橋樁最大沉降/mm13.28.63.5

數(shù)據(jù)顯示，采用隔離樁效果比較明顯，方案三中橋樁沉降為3.5 mm，能滿足對(duì)鐵路運(yùn)營的保護(hù)要求。

4.3設(shè)計(jì)方案

分析盾構(gòu)施工中各階段引起的地層沉降，重視刀盤與盾體、盾體與管片之間的空隙，可采用如“克泥效”等盾構(gòu)施工輔助材料，以減少盾構(gòu)挖掘面的沉降；采用加大同步注漿量以減少盾構(gòu)通過時(shí)的沉降[12]；采用加強(qiáng)二次注漿以減少后期沉降。

(1)加大盾構(gòu)同步注漿量，填充系數(shù)不小于2.0；漿液采用速凝、快硬、后期不發(fā)生降解的注漿材料。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，需采用“盾構(gòu)隧道洞內(nèi)二次注漿+隔離樁方案”。盾構(gòu)洞內(nèi)二次注漿采用2.0 m長(zhǎng)導(dǎo)管，漿液采用超細(xì)水泥-水玻璃，注漿壓力0.3～0.6 MPa。為達(dá)到二次注漿效果，此處管片采用特殊設(shè)計(jì)，每環(huán)管片預(yù)留20個(gè)注漿孔。

(3)“隔離樁+水平板撐”的隔離方案平面布置如圖8、圖9所示。

圖8　加固措施平面布置(單位：m)

圖9　加固措施剖面(單位：m)

(4)盾構(gòu)隧道施工過程控制尤為重要。在盾構(gòu)穿越鐵路橋前要做試驗(yàn)段，通過試驗(yàn)段優(yōu)化并最終確定施工控制參數(shù)，如土壓力、出土量、漿液配合比、注漿量及注漿壓力等。

(5)在施工過程中采用自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，觀測(cè)點(diǎn)在施工期間可達(dá)到每15 min一次的監(jiān)測(cè)頻率，施工監(jiān)測(cè)工作應(yīng)延續(xù)至施工結(jié)束三個(gè)月后或變形穩(wěn)定后停止。

5頂升法

頂升法的主要思路為：在橋墩位置架立鋼管柱，并在柱頂部設(shè)置操作平臺(tái)，將千斤頂架立在平臺(tái)與橋梁之間，當(dāng)橋梁的沉降超過其允許限值，可利用千斤頂及時(shí)將橋梁頂升，并調(diào)整橋梁支座，達(dá)到不影響橋梁安全及運(yùn)營的目的。頂升法一般用于橋梁保護(hù)的應(yīng)急預(yù)案，已成功應(yīng)用于北京地鐵穿越花園橋、廣安門橋等工程中(如圖10所示)。

圖10　花園橋頂升照片

考慮到盾構(gòu)施工中的各種不可控因素以及津秦客專的重要性，本工程采用頂升法為應(yīng)急預(yù)案，確保盾構(gòu)隧道穿越鐵路橋梁的安全。橋梁頂升設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11　橋梁頂升設(shè)計(jì)

6結(jié)論及建議

(1)在淤泥質(zhì)軟塑地層中盾構(gòu)施工對(duì)臨近的摩擦樁影響較大，采用隔離樁效果顯著。

(2)盾構(gòu)管片外二次注漿能有效減少盾構(gòu)通過后的后期沉降，在本工程中還起到減少土層后期固結(jié)沉降及軌道交通運(yùn)營期間沉降的作用。

(3)頂升法作為市政橋梁中比較新興的工藝，可主動(dòng)調(diào)整橋梁的隆沉，應(yīng)引入鐵路橋梁的施工及養(yǎng)護(hù)中，能預(yù)防盾構(gòu)隧道施工過程中的各種意外情況，可靠度較高。

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中圖分類號(hào)：U455.4； U456.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2016)01-0045-04

作者簡(jiǎn)介：郭靚(1986—)，女，2009年畢業(yè)于北京交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-12-08