軟弱地層環境下地鐵盾構下穿鐵路框架橋影響分析及應對措施

鄭浩龍

（浙江數智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310030）

1 引言

針對盾構下穿鐵路框架橋的工程問題，已有諸多學者通過數值模擬[1-7]及現場監測[8-11]等手段開展了相關研究。李谷陽等[12]針對北京地鐵8號線盾構在砂卵石地層中下穿鐵路框架橋極易導致地表沉降和塌陷的問題，研究了盾構施工引起的地層擾動變形、孔隙水平壓力變化及橋梁結構變形等規律，并提出了工程保障措施。汲紅旗等[13]以長沙地鐵6號線盾構在中風化泥質粉砂巖地層中下穿京廣鐵路客運線框架橋為例，研究了不同加固條件、注漿壓力和土倉壓力下盾構下穿對框架橋和軌道變形及其受力的影響，并提出了相應的施工控制對策。以上研究很少涉及華東地區流塑狀的軟弱地層；因此，針對軟弱地層地鐵盾構隧道下穿鐵路框架橋的影響分析及采用何種有效措施進行防治的研究具有重要的工程意義。本文以杭州地鐵9號線一期工程臨邱區間下穿滬杭鐵路迎賓路鐵路框架橋為背景，通過數值模擬分析在軟弱地層中盾構施工對鐵路框架橋沉降變形的影響，并提出軟弱地層中的應對措施；經現場實測數據驗證，此舉能夠確保鐵路框架橋的安全運營。

2 工程概況

杭州地鐵9號線一期工程臨邱區間出臨平站后往西北沿迎賓路敷設，下穿迎賓路鐵路框架橋、上塘河及西洋橋，進入邱山大街站，左線長1 378.273 m，右線長1 379.561 m，線間距11～15.6 m、埋深9.86～24.5 m，最小平曲線半徑700 m，最大縱坡26.7‰。盾構隧道采用2臺小松土壓平衡盾構機自北向南施工，先施工左線，再施工右線；開挖直徑6.43 m，管片外徑6.2 m，內徑5.5 m，厚0.35 m，幅寬1.2 m，錯縫拼裝；采用C50混凝土，抗滲等級P10。

滬杭鐵路迎賓路鐵路框架橋原為5 m + 9 m + 5 m三孔框架，于2006年全部頂出廢除，頂進法新建5 m +12 m +12 m + 5 m四孔框架，有砟軌道，國家Ⅰ級電氣化鐵路，設計速度160 km/h。框架橋邊孔5 m框架頂板厚45 cm，底板厚50 cm，邊墻厚40 cm；其主孔12 m框架頂板厚70 cm，底板厚90 cm，邊墻厚80 cm；其主孔框架和邊孔框架基礎均采用φ600高壓旋噴樁加固；樁長為12.8 m或9.2 m（樁底標高均為-10.9 m）。經現場調查，框架橋表面基本無裂縫，正常使用，狀態良好。

盾構隧道分別在里程左DK41 + 138.000～左DK41 +151.000范圍（631環～642環）和右DK41 + 147.000～右DK41+160.000范圍（629環～640 環）下穿鐵路框架橋，兩者呈84.6°夾角相交，盾構頂部距旋噴樁樁底最小豎向凈距約7.44 m，平面和剖面關系如圖1所示。

根據詳勘資料，鐵路框架橋范圍地層從上至下包括填土、黏質粉土、粉土與粉質黏土互層、淤泥質粉質黏土夾粉土、含黏性土碎石、黏土。盾構隧道穿越處地層為淤泥質粉質黏土夾粉土，呈流塑狀，含水量 33.5%，為本地區比較典型的軟弱地層。

3 盾構下穿框架橋影響分析

3.1 鐵路框架橋變形控制標準

既有鐵路框架橋控制指標主要受路基、線路、軌道和保養情況等因素的影響。由于工程施工必須保證鐵路的安全運營，為確保盾構推進的安全性，同時避免不確定性因素的影響，必須對施工過程同步跟進，實時監測。本工點鐵路為非道岔地段，監測報警值根據《普速鐵路線路修理規則》（鐵總工電[2019]34號）[14]、《上海鐵路局工務安全管理辦法》（上鐵工[2017]382號）[15]等現行標準規范的要求執行，主要標準如表1所示。

表1 鐵路框架橋沉降控制指標

3.2 模型建立

為準確分析地鐵盾構隧道下穿施工對鐵路框架橋的影響，采用Midas GTS軟件對盾構下穿施工全過程建立三維模型進行數值分析；模型分別模擬無洞內注漿加固和有洞內注漿加固（加固厚度2 m）2種工況。鐵路框架橋、地層采用實體單元進行模擬，地鐵盾構隧道管片采用殼單元進行模擬，考慮邊界效應后建立的有限元三維計算模型如圖2所示。

橋涵上考慮到的列車荷載取92 kN/m計算。盾構掘進過程采用動態模擬施工，先開挖左線盾構隧道，再開挖右線盾構隧道。分析過程中采用分段掘進的增量法，且考慮同步注漿壓力、盾構機掌子面壓力等因素影響。

3.3 計算結果分析

在軟弱地層環境下進行地鐵盾構隧道穿越施工后，既有鐵路框架橋主要表現為沉降變形，如圖3所示，具體結果分析如下。

（1）地鐵盾構隧道下穿施工后，未進行洞內注漿加固時，鐵路框架橋主要表現為沉降變形，最大沉降量為6.72 mm，大于5 mm的標準，不均勻沉降為4.22 mm，不能滿足鐵路部門的沉降控制要求；進行洞內注漿加固時，鐵路框架橋最大沉降量為4.76 mm，小于5 mm的標準，不均勻沉降為2.38 mm，加固后能夠滿足鐵路部門的沉降控制要求。這說明在軟弱地層中地鐵盾構下穿施工后進行洞內注漿對抑制鐵路框架橋的沉降變形具有顯著效果。

（2）鐵路框架橋出現沉降變形較大的范圍主要位于中間2孔車行框架橋范圍，正好處于盾構隧道沉降槽投影范圍；因此，車行框架橋沉降監測是后續施工監測的重點。

（3）鐵路框架橋頂板的沉降量及不均勻沉降與底板基本相同，且沉降值較小；這說明鐵路框架橋混凝土結構整體性能較好，引起附加應力較小，不會造成框架橋結構的損壞。

4 盾構下穿框架橋應對措施

（1）優化地鐵盾構隧道縱斷面設計，確保盾構隧道距離框架橋旋噴樁底大于1D（D為洞徑）；管片采用超深埋管片，螺栓性能采用8.8級，加強鐵路框架橋前后4環范圍內的管片環縫防水：采用厚度為6 mm的環向丁腈軟木橡膠襯墊，彈性密封墊加貼遇水膨脹橡膠（24 mm×3 mm）。

（2）管片增設注漿孔，預留洞內二次注漿條件。為加強地鐵盾構下穿鐵路框架橋后的二次注漿和應急處理能力，在穿越段盾構管片增設注漿管，注漿孔由6個增加到16個，即鄰接塊、標準快均增加到2個注漿孔；洞內二次注漿采用少量多次跳環注漿方式，并每5環用雙液漿打環箍，以有效阻隔地下水對漿液的稀釋，將注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

（3）在盾構機設計方面，采用土壓平衡盾構機，利用中盾預留的4個徑向注漿孔，在盾構掘進過程中同步注入克泥效（克泥效 : 水玻璃=20 : 1，克泥效每立方用量400 kg），及時填充刀盤開挖與盾殼間的空隙，減少軟弱地層沉降。

（4）按穿越順序分階段優化掘進參數。在下穿鐵路框架橋前300環范圍內設置2個試驗段（左線325環 ～425環和550環～600環，右線405環～505環和550 環～600環）。試驗段掘進完成后，對采集的各項掘進參數與地面沉降值進行全面分析并不斷優化參數準確度，摸索出在軟弱地層⑥2淤泥質粉質黏土夾粉土層中最合理的掘進參數，最終確定地鐵盾構下穿鐵路框架橋指導性施工參數：推進速度30～40 mm/min，總推力1 400～1 600 t，刀盤轉速0.8 rpm，刀盤扭矩140～160 t · m，土壓力2.3～2.5 bar，同步注漿量每環5.5～6.0 m3，出土量40～41 m3。

（5）穿越期間對鐵路框架橋采用自動化監測，并根據監測數據實時調整盾構掘進參數，以控制結構隆起狀態，將隆起值控制在3 mm以內；穿越后根據監測結果及時有效地采取管片洞內注漿。

（6）為確保列車運營安全，向鐵路運營管理部門申請列車通過該區域時限速至45 km/h；同時在鐵路框架橋地面預備道砟，當沉降過大時及時通過填筑道砟來調整軌道至合適位置。

5 監測分析

對鐵路框架橋（孔1～孔6）進行沉降監測，采用自動化數據采集，每孔框架結構分別布置東西方向2個監測點位共計12個監測點。監測周期為：盾構機刀盤進入鐵路框架橋30 m范圍內開始至盾尾離開鐵路30 m后，直至監測數據趨于穩定時結束。

地鐵左線盾構在下穿進入框架橋前，鐵路框架橋整體變形趨勢呈現微隆起狀態。本文重點研究下穿至收斂穩定期間鐵路框架橋沉降時程曲線變化情況，如圖4、圖5所示。

（1）左線盾構下穿鐵路框架橋期間（2020年7月7日— 7月14日），數據較穩定，框架橋呈現微隆起狀態，隆起值不大于3 mm。

（2）左線盾構穿越工后約1周內（2020年7月15日— 7月20日），左線盾構沉降槽范圍的孔1～孔4沉降監測點以相對較大但未超過預警值的速率（平均速率約-0.4 mm/天）持續下降，且最大累計沉降值為2.8 mm，未超過預警值（3 mm）。隨后不定期進行盾構洞內注漿，遵循少量多次原則，盡量減少對軟弱地層的擾動，持續至沉降收斂為止。

（3）在盾構間歇期（2020年7月20日— 9月13日），鐵路框架橋沉降變化緩慢。

（4）右線盾構下穿框架橋期間（2020年9月14日— 9月21日），框架橋孔1～孔3沉降變形較小，框架橋孔4～孔6沉降變形約1～1.5 mm，累計變化量均未超過預警值，但沉降趨勢明顯。

（5）雙線盾構下穿框架橋后，框架橋持續沉降。截至10月8日，鐵路框架橋孔4西監測點沉降累計值為3.5 mm，首次超過預警值3 mm；10月19日鐵路框架橋孔3西監測點沉降累計值為4.5 mm，首次超過報警值 4 mm。

（6）進行洞內注漿后的一段時間內（2020年10月19日— 2020年12月10日），框架橋沉降監測點仍以較小的速率（平均速率約-0.1 mm/3天）持續下降。11 月11日監測到的鐵路框架橋孔3西監測點沉降累計值為5.1 mm，首次超過控制值5 mm；根據專家評審及路局要求，超過控制值后及時增加人工監測點，并延長監測周期。

（7）截至2021年1月22日，各監測點經過一段時間工后沉降，變形逐漸趨于穩定，數據達到收斂標準。左線盾構上方框架橋孔3西監測點最大沉降量為6.9 mm。

6 數值模擬與監測分析結果對比

（1）對于地鐵盾構下穿鐵路框架橋后洞內注漿工況，數值分析的最大沉降量為4.76 mm，工程實測的最大沉降量為6.9 mm。雖然數值分析和工程實測數據存在一定的偏差，但數值分析可以較清晰地反映地鐵盾構隧道在軟弱土層環境下掘進對上方鐵路框架橋的影響。

（2）綜合以上數值分析與工程實測結果可知，左線盾構下穿后，鐵路框架橋最大沉降值基本穩定在2.8 mm；右線盾構下穿后，鐵路框架橋最大沉降達到6.9 mm（位于左線盾構上方）；盾構右線施工對框架橋的沉降變形影響大于左線。雖然鐵路框架橋的沉降值超過控制值，但管片拼裝后及時進行洞內注漿措施，可有效控制框架橋的持續沉降變形，將施工造成的沉降變形限制于可接受的范圍，使鐵路框架橋處于安全可控狀態。數值模擬和實際施工得到的變形規律基本一致，只在數值上略有差異；可能由于數值模擬同步注漿時沒有考慮地層孔隙對漿液的吸收而發生收縮變形，計算的沉降量才小于實際量。另外，在軟弱地層環境下如何選擇最優的盾構掘進參數使得穿越施工后對周邊地層擾動最小的問題仍需探索。

7 結束語

本研究以杭州地鐵9號線一期工程臨邱區間盾構下穿滬杭鐵路迎賓路鐵路框架橋為背景，通過數值模擬分析提出軟弱地層中的應對措施。經現場實測數據分析驗證表明，采取的措施可靠、效果良好，鐵路框架橋狀態安全、可控。

（1）經數值分析，地鐵盾構隧道下穿鐵路框架橋后主要表現為沉降變形，鐵路框架橋最大沉降量為6.72 mm；進行洞內注漿加固后最大沉降量降為4.76 mm；這說明在軟弱地層環境下及時進行洞內注漿對抑制鐵路框架橋的沉降變形具有顯著效果。

（2）軟弱地層環境下地鐵盾構下穿鐵路框架橋過程中為確保鐵路安全運營，可采用盾構管片加強設計、洞內二次注漿加固、中盾填充克泥效、設置試驗段優化掘進參數、自動化沉降監測、鐵路降速等多種組合應對措施。

（3）經工程實測，盾構右線施工對框架橋沉降變形的影響大于左線，鐵路框架橋最大沉降達到6.9 mm；采取應對措施及時進行洞內二次注漿可有效控制框架橋的持續沉降變形，使鐵路框架橋處于安全可控狀態。