拋填土地層隧道側穿施工對既有鐵路橋墩的影響研究*

譚芝文，戴亦軍，陳燈強，雷 軍，李水生，趙晨陽

(1.中建隧道建設有限公司，重慶 401320；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004；3.中南大學土木工程學院, 湖南 長沙 410075)

本文依托重慶軌道交通9號線何家梁—石盤河區間隧道近距離側穿相距極近的滬蓉線和鄭渝線寸灘特大橋工程，擬采用數值模擬方法分析隧道近距離側穿施工對相距極近橋梁變形的影響特性，并提出施工控制技術，相關研究成果可為類似工程施工提供指導。

1 工程概況

1.1 工程背景

重慶軌道交通9號線是重慶市軌道交通的重要組成部分，該線路的何家梁—石盤河區間隧道先后下穿多條鐵路線，如圖1所示。其中，該隧道側穿滬蓉線寸灘雙線特大橋(5跨連續梁)42～44號墩，與3個橋墩的水平最小距離分別為8.65，9.9，7.17m；側穿鄭渝線寸灘雙線特大橋(5跨連續梁橋)30～31號橋墩，與2個橋墩的水平最小距離分別為3，14m。滬蓉鐵路和鄭渝鐵路寸灘雙線特大橋通行列車較多，受保護程度要求高。

該區間隧道場區為構造剝蝕丘陵地貌，地層主要為素填土、第四系全新統殘坡積層、侏羅系中統砂溪廟組砂巖和砂質泥巖。場地周邊存在較大匯水區域，大氣降雨向場區內溝谷地帶匯集，故溝谷地帶及裂隙較發育的基巖中地下水較發育。隧道洞身穿越地層主要為人工填土、粉質黏土和強風化基巖，隧頂上覆填土層厚28.0～31.3m，為Ⅵ級淺覆巖隧道。

1.2 支護設計與施工方案

何家梁—石盤河區間隧道側穿滬蓉線及鄭渝線寸灘特大橋區段的隧道支護形式如圖2所示。側穿施工期間，采用臺階開挖預留核心土法進行施工。上臺階施工過程中，采用管棚及注漿導管方式進行超前加固；下臺階施工過程中，采用超前注漿小導管對土體進行加固。隧道底部設置梅花形布置的灌注樁，樁體直徑0.5m，橫、縱向間距分別為12.25，6.5m，樁體嵌巖深度為3m。

圖2 隧道支護結構設計

1.3 控制標準

根據橋梁保護要求，擬定施工期間滬蓉線和鄭渝線寸灘特大橋的相關變形控制標準如表1所示。

表1 橋墩位移控制標準 mm

2 側穿施工對橋墩影響分析

2.1 分析模型

為分析重慶軌道交通9號線側穿施工對滬蓉線和鄭渝線寸灘特大橋變形的影響，結合實際情況建立如圖3所示三維有限元模型。模型中各部分均按實際尺寸進行建模，橋墩下方樁基參數如表2所示。

圖3 計算模型(單位：m)

表2 樁基參數

2.2 分析方法

模型中，采用等效剛度的方法考慮鋼拱架的作用，即將鋼拱架的剛度等效折算給噴射混凝土，折算方式為：

(1)

式中：E為折算后混凝土彈性模量；E0為原混凝土彈性模量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼材彈性模量；Sc為混凝土截面積。

采用等效方法考慮超前小導管、錨桿、管棚等加固措施在改善地層性質方面的效果。將樁體與土體2部分視為復合土體，采用復合模量來評價復合土體的壓縮性。根據樁土變位相等可得到如下公式：

Ec=mEp+(1-m)Es

(2)

式中：m為復合地基面積置換率；Ec為復合地基彈性模量；Es為土體彈性模量；Ep為樁體彈性模量。

根據地質勘察資料和相關規范，確定模型中主要計算參數取值，如表3所示。

表3 主要計算參數

模型中，采用接觸算法模擬各實體間的相互作用。接觸可分為切向與法向2個方向。切向采用庫侖摩擦定律，臨界切應力為：

τcrit=μp

(3)

式中：τcrit為臨界切應力；μ為摩擦系數；p為法向接觸壓強。

采用罰函數模型模擬接觸面間的法向作用：

(4)

式中：p為接觸法向應力；h為嵌入量；kin為接觸面嵌入懲罰剛度；f為懲罰函數。

模型中，簡支梁上部荷載以均布荷載形式施加于橋墩頂支座處。支座反力的計算考慮梁體自重、二期恒載及列車活載的組合作用。列車荷載參照TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》中的中華人民共和國鐵路標準活載進行計算，包括最不利靜活載和動力沖擊系數。

動力沖擊系數計算式為：

(5)

式中：L為橋跨長度；h為路基填充高度，h取0.5m。

結合鄭渝線及滬蓉線寸灘特大橋的設計圖紙，確定各橋墩支座反力如表4，5所示。模型中列車縱向制動力根據規范要求按車輛靜載的10%進行計算。除上表面外，土體其他邊界面采用法向位移約束。

表4 鄭渝線寸灘特大橋墩頂支座反力 kN

表5 滬蓉線寸灘特大橋墩頂支座反力 kN

2.3 橋墩位移

模型中，順橋向為x軸、橫橋向為y軸、豎向為z軸，坐標原點為相應線路分析橋墩位移時墩臺的中心位置，具體方位和正負關系如圖4所示。圖5～6分別給出何家梁—石盤河區間開挖過程中，滬蓉線及鄭渝線寸灘特大橋5個橋墩頂部的位移變化情況。

圖4 坐標系統

圖5 滬蓉線寸灘特大橋橋墩位移曲線

圖6 鄭渝線寸灘特大橋橋墩位移曲線

從中分析可知：

1)順橋向水平位移主要產生于施工至距橋墩群樁前后約2D(D為隧道洞徑)范圍內，31號橋墩施工期間的順橋向水平位移最大，約4.3mm，未超過允許值。

2)施工面到達橋墩結構群樁基礎時，橫向位移達到最大，變形曲線呈U形分布。43號橋墩橫向變形最大，為3.6mm，未超過允許值。

3)各橋墩的豎向位移變化量均≤1mm，豎向相對沉降滿足施工控制要求。

3 施工控制措施建議

1)隧道開挖至距橋墩±2D范圍時，應加強對橋墩變形的監測。新建隧道左、右洞施工縱向間距應控制在5倍單洞跨度以上。

2)施工監控量測中，應制定嚴密的監測方案和實施計劃，并重點加強順橋向水平位移指標的監測。具體線下監測指標宜包括橋梁墩頂、墩底及墩臺附近土體三維位移。

3)建議采用較大外插角或全環增加長3.0m的φ25中空注漿錨桿以加固圍巖和封堵地下水，加固圈厚度宜≥3.0m。

4)在確保單層初期支護能有效控制圍巖松弛變形的前提下，建議將雙層初期支護調整為單層初期支護，以使得施工效率更高。

5)側穿施工期間，嚴格遵循既有的“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測、速反饋”施工原則。應注意加強既有鐵路橋梁樁基和中間巖柱的保護。加強超前注漿施作與質量檢驗，嚴格控制循環進尺和超欠挖，禁止爆破。

4 結語

1)重慶軌道交通9號線下穿滬蓉線及鄭渝線寸灘特大橋期間，鄭渝線寸灘特大橋31號橋墩順橋向水平位移最大，約4.3mm，變形未超出容許值，滿足施工控制要求。

2)順橋向水平位移主要產生于施工至距橋墩群樁前后約2D范圍，該范圍內施工時應加強對橋墩變形的監測。新建隧道左、右洞施工的縱向間距應控制在5倍單洞跨度以上。

3)建議采用較大外插角或全環增加長3.0m的φ25中空注漿錨桿以加固圍巖和封堵地下水，加固圈厚度宜≥3.0m。在確保單層初期支護能有效控制圍巖松弛變形的前提下，建議將雙層初期支護調整為單層初期支護。