橋梁施工對既有鐵路隧道的影響分析

冷舉良

（中交城市軌道交通設計研究院有限公司，湖北武漢430000）

1 工程概況

該工程位于武漢市，為軌道交通5 號線，南起南三環，北至武漢火車站，線路主要沿烽勝路等路段至終點站武漢火車站。線路全長32.3km，設站26 座，共6座高架，20 座地下車站。

2 橋梁施工對既有鐵路隧道的影響

2.1 計算模型

此次評估采用MIDAS GTS NX 軟件，地鐵盾構隧道管片混凝土等級為C50，管片環寬1.5m，內直徑5.5m，外直徑6.2m，厚度為0.35m，采用板單元模擬，構模型為彈性模型，長江隧道盾構管片混凝土等級為C50，內直徑10m，外直徑11m，厚度為0.5m，采用板單元模擬，本構模型為彈性模型，整體三維模型如圖1、2所示。

圖1 整體有限元模型

2.2 計算參數

長江隧道與5 號線隧道的盾構管片C50 混凝土以及長江隧道上部的加固區土體采用彈性模型模擬，混凝土材料參數根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）選取，土層材料參數根據《武漢市軌道交通5 號線新生路站-三角路站區間巖土工程勘察報告》（簡稱《報告》）選取，詳見表1。

圖2 盾構機停留長江隧道上方有限元模型

表1 彈性模型材料參數

2.3 計算工況

地鐵開挖工況具體的模擬過程如表2所示。

表2 地鐵開挖工況計算步序

2.4 計算結果

通過地層整體變形云圖可以看出，土層整體變形的最大位置出現在地鐵隧道上部土體加固區域的兩側。右線盾構隧道開挖并施做管片完畢后，土體最大沉降為16.32mm；左線盾構隧道開挖并施做管片完畢后，土體最大沉降為22.39mm。由以上計算結果可知，地鐵隧道施工引起的地層沉降小于道路路基變形的控制值，滿足道路路基變形要求[1]。由長江隧道變形云圖可以看出，地層加固完成后，長江隧道出現沉降，最大沉降為4.50mm；右線盾構隧道開挖并施做管片完畢后，長江隧道由于上方卸載呈現上浮，最大上浮為1.01mm；左線盾構隧道開挖并施做管片完畢后，長江隧道最大上浮為4.88mm，見圖3。

圖3 地層整體豎向位移云圖

3 安全保護方案及應急預案

3.1 施工期安全保護措施的建議

3.1.1 在上跨段進行土體加固

區間上跨武漢長江隧道段，采取地面單管高壓旋噴樁加固，加固平面范圍為盾構隧道外緣3m 內，加固深度至長江隧道頂，不小于1m。

3.1.2 盾構管片增設注漿孔，確保盾構背后間隙填充密實。

3.1.3 辦理相關手續，對現場水文地質情況及管線進行調查。

3.1.4 上穿前，將一定長度隧道作為試驗段，為后期盾構上穿隧道提供合理的掘進參數。

3.1.5 在穿越前對盾構主機及配套設施進行全面檢查及維護，避免在長江隧道上方停頓[2]。

3.1.6 上穿前，核實現場管線，并根據制定的方案進行管線保護。

3.1.7 根據試驗段的掘進情況，選取合適的掘進參數。

《報告》中的安全保護措施總體可行，但是對于盾構掘進過程中可能出現的問題和施工管理措施來說，內容不夠全面。此次評估從施工控制措施和施工管理兩方面，建議補充下列安全保護措施。

3.1.8 工程控制措施

（1）建議增加超前探測系統，在盾構機保持持續掘進的狀態下，對掘進前方進行實時地質超前預報，同時搜集地層數據，及時進行評估和處理。

（2）應做好盾構注漿作業。控制好同步注漿漿液的凝膠時間，及時跟進二次注漿；做好盾構區間的背后填充漿液選擇，建議選擇惰性漿液，在施工設計中對漿液配比進行現場實驗，確保填充密實；增加同步注漿管的數量。

（3）過上穿段，進行區間掘進時，應注意盾構掘進速度、姿態控制。保證盾構均衡、勻速推進及連續性施工，杜絕盾構停滯，同時控制糾偏幅度，糾偏時應盡量均勻、穩定，減少盾構對土體的擾動，減少對長江隧道的影響。

（4）在進行盾構區間上穿長江隧道施工時，應密切關注土倉壓力、注漿壓力等，并及時進行調整。

（5）應注意盾構掘進參數的選擇。可參考類似地層，在到達上穿段前提前施做試驗段，模擬上穿段掘進，并根據監測數據選擇合適的盾構掘進參數，確保盾構上穿風險源的順利實施。

3.1.9 施工管理

（1）做好施工交底，進一步細化施工組織，做好人員、材料、機械的配置，做到科學組織，精心施工。

（2）針對沉降變形超限、盾構機故障、遇見未知障礙物、漏漿或漏水等不同的施工風險，制定有針對性的應急預案。

（3）穿長江隧道作業前，必須構建出與之相對應的進度計劃，且要在第一時間上報，并要得到上級部門的批準。

（4）應協調經驗豐富的專業監測團隊，進行全經過程跟蹤，并對所獲取的信息展開研判。對于不同環節的工作，應展開有效監測，從而獲得對應的數據信息。

（5）展開盾構推進的過程中，若存在變形較大的問題，那么應該在第一時間停止施工，并匯報上級單位。

（6）推進作業前，務必實現對盾構的調試，保障盾構性能，還應配備一定數量的值班員，確保能夠在第一時間處理設施問題，保障盾構的有序推進。

3.2 鋪軌及機電安裝期間安全保護措施的建議

3.2.1 為減小地鐵列車振動對長江隧道的影響，建議地鐵隧道采取合理的隔振、減振措施，如采用適當的彈性扣件或軌道減振器。

3.2.2 地鐵區間一般采用無縫線路，即把普通鋼軌焊接起來，不留軌縫。國內鋼軌標準長度有12.5m和25m 兩種，在焊接鋼軌時，每根鋼軌的長度必須大于200m。由于軌縫處受列車沖擊力較大，因而建議在長江隧道上方區域不設置軌縫。此外，焊縫的焊接質量也影響著車輪通過焊縫時的附加動壓力，所以建議鋪軌期間嚴格控制焊縫的焊接質量。

3.2.3 地鐵鋪軌及機電安裝期間，應保持對長江隧道的動態監測，防止鋪軌或機電安裝施工對長江隧道造成影響。

3.2.4 加強鋪軌及機電安裝期間的安全風險管控措施，防止動火作業、作業人員抽煙引起的火災及電氣火災。

3.3 施工監測方案的建議

3.3.1 5 號線盾構隧道的監測項目：隧道拱頂沉降和管片襯砌變形。

3.3.2 長江隧道煙道板上布設的監測點位移，該點的監測數據對判斷由于地鐵隧道施工引起的長江隧道結構變形，參考性不強。

3.3.3 三級預警狀態的判定指標偏寬松，建議提高判定指標。

3.3.4 應根據不同的變形控制標準進行分級動態管理，建議按照可正常施工、密切關注加強監測、采取加強支護這三種施工狀態，設置各級管理的限值，制定上報制度和處理方案。

3.3.5 建議采用全自動監測系統，采取綜合預警預控措施，將實時監測數據與盾構推進操作平臺進行聯網，將獲取的數據第一時間進行傳送，由此達成信息的有效溝通。施工中出現問題應立即處理，防止盾構穿越過程中發生突然變化，給隧道帶來不良影響。

3.3.6 做好施工監測的聯動。長江隧道的運營單位、政府部門、業主、承包商、設計單位等應組成聯合工作小組，對監測數據進行及時分析和處理。

3.3.7 在進行隧道施工作業時，必須加強對地表沉降的有效監測，第一時間反饋監測結果，以便工作人員能夠更好地掌握相關信息，并結合監測結果對掘進參數進行相應的調整，確保沉降處于受控狀態。

3.4 運營期間安全保護措施的建議

3.4.1 根據對地鐵運營工況的計算顯示，長江隧道上方雙向地鐵列車交匯時對武漢長江隧道結構造成的影響，比單向地鐵列車通過時大，因而建議合理安排地鐵列車的行車組織，避免雙向地鐵列車在長江隧道上方區域交匯。

3.4.2 建議地鐵運營期間加強對長江隧道上方地鐵軌道的養護、維修，保持軌道的平順性，降低車輪通過焊縫時的附加動壓力。

3.4.3 考慮到地鐵列車運行對長江隧道的長期影響，建議地鐵運營期間應保持對長江隧道的動態監測。若存在異常，應第一時間處理。

3.5 評估相關建議

3.5.1 為減小地鐵列車振動對長江隧道的影響，建議對地鐵隧道內采取合理的隔振、減振措施。

3.5.2 建議不要在長江隧道上方區域設置軌縫，并嚴格控制鋪軌期間焊縫的焊接質量。

3.5.3 建議合理安排地鐵列車的行車組織，避免雙向地鐵列車在長江隧道上方區域交匯。

3.5.4 建議地鐵運營期間加強對長江隧道上方地鐵軌道的養護、維修，保持軌道的平順性，降低車輪通過焊縫時附加動壓力的增長[3]。

3.5.5 在進行地鐵施工的過程中，應和部門加強對地鐵監測的協調。若隧道結構出現變形過大或其他異常問題，則能第一時間反饋給上級部門，并根據問題的原因進行處理。

4 結語

在此次研究中，案例中的橋梁施工并沒有給隧道周邊的圍巖應力帶來非常大的影響。上文使用最不利斷面的內力情況，對既有隧道襯砌截面強度等展開了相關的檢算，結果發現，隧道襯砌強度的安全系數符合有關標準。