TBM盾構(gòu)下穿杭深鐵路高架橋梁施工的加固方案研究

鄒振興

（福州地鐵集團(tuán)有限公司，福州 350000）

1 引言

隨著城市化規(guī)模與交通網(wǎng)的擴(kuò)大，盾構(gòu)法施工技術(shù)在城市地鐵的建設(shè)當(dāng)中應(yīng)用已屢見不鮮。此外，TBM盾構(gòu)從既有鐵路工程下方穿越的案例同樣也不斷增多。因TBM盾構(gòu)掘進(jìn)將毫無疑問地使臨近既有鐵路橋梁周邊土體擾動(dòng)變形，進(jìn)而導(dǎo)致鐵路橋梁樁基、橋墩和橋臺隆起或沉降。一旦TBM盾構(gòu)施工引起的鐵路橋梁樁基、橋墩和橋臺等變形超過其承載極限，將引發(fā)鐵路軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲變形等后果，對既有鐵路的安全和運(yùn)營帶來重大安全隱患，嚴(yán)重情況下將引發(fā)列車脫軌、人員傷亡等重大安全事故[1-3]。

2 工程概況

新建濱海快線（下稱F1線）枕峰山隧道位于F1線祥謙站—首占站區(qū)間，為雙洞隧道，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)時(shí)速為140 km/h，遠(yuǎn)期預(yù)留160 km/h提速空間。枕峰山隧道左右線隧道長度分別為1 525.175 m、1 528.573 m。隧道采用單向上坡，坡度為22.7‰，共設(shè)置2處聯(lián)絡(luò)通道。隧道主要采用TBM法施工，洞口局部地段采用銑挖法、礦山法施工。

杭深鐵路在我國屬于國鐵Ⅰ級雙線電氣化鐵路干線，設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km/h，采用碎石道床。隧道下穿其橋梁段，臨近橋墩基礎(chǔ)為直徑1.5 m灌注樁，樁底標(biāo)高為3.641 m。樁基礎(chǔ)與隧道水平間距約為6.805 m；承臺頂部標(biāo)高為21.190 m，杭深鐵路高架橋橋面標(biāo)高35.483 m。兩者位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 F1枕峰山隧道與杭深鐵路高架橋平面位置關(guān)系圖

3 TBM盾構(gòu)下穿杭深鐵路高架橋梁方案比選

隧道采用2臺TBM盾構(gòu)施工，隧道平面整體呈東西走向下穿杭深鐵路大頂山大橋，交角約79°，交叉段快線區(qū)間左線里程為ZDK27+101.847～ZDK27+145.923，右線里程為YDK27+107.623～YDK27+145.923。下 穿 處 鐵 路 里 程 樁 號 為：K889+606.743～K889+766.743（1～3號墩）。區(qū)間左線隧道與杭深鐵路1#橋墩樁基水平凈距約為54.38 m，與杭深鐵路2#橋墩樁基水平凈距約為6.06 m；右線隧道與杭深鐵路2#橋墩樁基水平凈距約為9.22 m，2#橋墩橋下凈空約7 m，與杭深鐵路3#橋墩樁基水平凈距約為48.85 m，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂部與地面豎向凈距約10.27 m。

TBM盾構(gòu)側(cè)穿杭深鐵路鐵路橋樁基，樁基礎(chǔ)與隧道水平最小間距約為6.06 m，若施工過程操作不當(dāng)，有可能對樁基周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，打破原有樁基與土體的受力狀態(tài)，在樁基與土體重新建立一個(gè)新的受力平衡狀態(tài)時(shí)，樁基可能會(huì)有細(xì)微的位移，進(jìn)而影響杭深鐵路的正常運(yùn)行。因此，結(jié)合本工程案例的實(shí)際情況，提出袖閥管+鋼花管注漿、隔離樁加固及袖閥管注漿+鋼花管注漿+隔離樁3種加固方案。

3.1 袖閥管+鋼花管注漿加固方案

為降低區(qū)間盾構(gòu)施工過程中對杭深鐵路線的影響，核心穿越區(qū)域采用垂直及水平注漿加固，隧道范圍內(nèi)采用袖閥管+鋼花管注漿加固，采用間距1 m×1 m梅花形布置；隧道范圍1 m外采用鋼花管注漿加固，采用間距2 m×2 m梅花形布置。平面加固范圍為隧道兩側(cè)5 m，剖面加固范圍上至隧道以上5 m，下至中風(fēng)化巖層。加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.8 MPa。注漿管管徑為89 mm，壁厚4.5 mm，注漿材料采用普通硅酸鹽單液漿，水灰比1∶1，注漿壓力為0.5～2.0 MPa。如圖2所示。

圖2 注漿加固平面布置圖

3.2 隔離樁加固方案

為降低區(qū)間TBM盾構(gòu)施工過程中對杭深鐵路線的影響，于既有杭深鐵路大頂山鐵路橋2#橋墩四周設(shè)置隔離樁進(jìn)行保護(hù)。隔離樁與杭深鐵路線大頂山鐵路橋2#橋墩樁心最小水平凈距5.36 m，采用人工挖孔灌注樁，共70根，樁徑為φ1 000 mm@1 500 mm，樁長以進(jìn)入中風(fēng)化巖不小于1 m控制，且不得小于6 m，挖孔樁孔徑1.3 m，經(jīng)計(jì)算，孔深6.8～15.4 m不等，鋼筋籠最長15.2 m，質(zhì)量為0.908 t，設(shè)計(jì)混凝土總量為519.1 m3，混凝土強(qiáng)度為C30，抗?jié)B等級為P6。人工挖孔樁頂部由冠梁連接整體，樁頭鋼筋錨入冠梁內(nèi)，冠梁設(shè)計(jì)尺寸1.1 m（寬）×0.8 m（高），總長107 m，頂標(biāo)高與杭深鐵路大頂山鐵路橋2#墩承臺頂平齊。

首根樁基開挖選擇有代表性的地層，并抽取10根樁進(jìn)行試樁，以保證干作業(yè)的環(huán)境。此外，選3根樁進(jìn)行效果檢測，檢測合格后再進(jìn)行下一步大面積施工；同時(shí)，嚴(yán)格根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)圖紙要求采用分級分層開挖，開挖一層支護(hù)一層，每層層高不超過1 m，且必須待上層護(hù)壁達(dá)到一定強(qiáng)度后方可開挖下層，如圖3所示。

圖3 人工挖孔樁平面布置圖

3.3 組合加固方案

為降低區(qū)間TBM盾構(gòu)施工過程中對杭深鐵路的影響，采用方案一+方案二組合方式，即核心穿越區(qū)域隧道范圍內(nèi)采用袖閥管+鋼花管注漿加固，以及在既有杭深鐵路大頂山鐵路橋2#橋墩四周設(shè)置隔離樁進(jìn)行保護(hù)。

4 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范，結(jié)合《F1線祥謙站—首站站區(qū)間TBM隧道段》設(shè)計(jì)說明，并根據(jù)南昌路局轄區(qū)的城際鐵路穿越鐵路相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，此次評估采用的變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下：橋梁周邊地表沉降：控制值隆起+10 mm，沉降-20 mm；橋梁墩頂結(jié)構(gòu)沉降：3 mm；相鄰墩臺差異沉降：2 mm；橋墩水平位移：3 mm；橋墩縱向位移：3 mm。

5 下穿杭深高架橋梁的數(shù)值模型分析

5.1 計(jì)算模型

F1線枕峰山隧道和杭深鐵路高架橋相互關(guān)系及計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 F1枕峰山隧道和杭深鐵路高架橋相互關(guān)系及計(jì)算模型

5.2 參數(shù)選取

根據(jù)地勘報(bào)告中的地質(zhì)參數(shù)及TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，并參考類似工程，進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算參數(shù)的取值。各層厚度根據(jù)地質(zhì)縱斷面圖選取，具體參數(shù)見表1。

表1 相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)

5.3 模擬過程

按“右線TBM隧道先施工、左線TBM隧道后施工且右線隧道領(lǐng)先左線隧道不少于100 m”的原則對左、右線隧道TBM掘進(jìn)施工對杭深鐵路高架橋梁的影響進(jìn)行了連續(xù)的數(shù)值仿真模擬，并著重對以下5種工況進(jìn)行研究分析。

工況一：右線TBM掘進(jìn)到達(dá)杭深鐵路高架橋前方；

工況二：右線TBM掘進(jìn)穿過杭深鐵路高架橋；

工況三：右線TBM掘進(jìn)到達(dá)杭深鐵路高架橋，左線完全通過；

工況四：左線隧道掘進(jìn)穿過杭深鐵路高架橋；

工況五：左線隧道完全通過。

5.4 計(jì)算結(jié)果與分析

5.4.1 地層位移分析

在F1枕峰山隧道左右線TBM施工過程中，各方案地層豎向位移、水平位移和縱向位移最大值如圖5所示。可知，在無加固措施的情況下，隆起、沉降位移值均超過控制值（隆起+10 mm，沉降-20 mm），不符合要求。此外，方案一、方案二和方案三均在控制值以內(nèi)，方案二比方案一對土層沉降控制效果好，但方案一比方案二對土層隆起控制效果優(yōu)，且兩者均臨近控制值。可見，兩種單獨(dú)方案雖有一定效果，但均不建議推薦。

圖5 土層最大位移圖

最為理想的是方案三，可知隨著枕峰山隧道TBM掘進(jìn)施工的進(jìn)行，土層豎向位移處于一個(gè)不斷遞增的過程，當(dāng)隧道開挖結(jié)束時(shí)，應(yīng)力釋放到穩(wěn)定階段，出現(xiàn)了開挖面最大豎向沉降為2.889 mm，最大隆起為2.570 mm；土體會(huì)產(chǎn)生水平方向的位移，最大水平位移1.820 mm；周圍的土體會(huì)產(chǎn)生軸向方向的位移，最大水平位移1.878 mm。因此，方案三對土層位移控制甚好，為本次工程優(yōu)選推薦方案。

5.4.2 杭深鐵路高架橋橋墩位移分析

在F1枕峰山隧道左右線TBM施工過程中，各方案橋墩豎向位移、水平位移、縱向位移和相鄰墩臺差異最大值如圖6所示。可知，在無加固措施的情況下，橋墩水平和縱向位移未超過控制值（3 mm），符合要求，但橋梁墩頂結(jié)構(gòu)、相鄰墩臺差異位移值均超過控制值（-3 mm，-2 mm），不符合要求。此外，方案一、方案二和方案三均在控制值以內(nèi)，但方案二比方案一對墩頂結(jié)構(gòu)、相鄰墩臺差異位移控制效果好，且兩者相鄰墩臺差異沉降均臨近控制值。考慮到工程的復(fù)雜性及施工精度等實(shí)際情況，為保證工程安全，兩種單獨(dú)方案均不建議推薦。

圖6 橋墩最大位移圖

最為理想的是方案三，可知，橋梁墩頂結(jié)構(gòu)最大沉降為1.733 mm，符合橋梁墩頂結(jié)構(gòu)沉降小于3 mm的控制要求；相鄰墩臺差異最大為1.26 mm，符合相鄰墩臺差異沉降小于2 mm的控制要求；各墩臺頂部水平位移最大值為0.392 mm，符合橋墩水平位移小于3 mm的控制要求；各墩臺頂部縱向位移最大值為0.078 mm，符合橋墩縱向位移小于3 mm的控制要求。因此，方案三對杭深鐵路高架橋橋墩位移控制甚好，為本次工程優(yōu)選推薦方案。

5.4.3 杭深鐵路高架橋橋樁受力分析

通過計(jì)算分析，隨著F1枕峰山隧道TBM盾構(gòu)掘進(jìn)的進(jìn)行，各方案應(yīng)力最大變幅如圖7所示。可知，杭深鐵路既有高架橋樁的軸力處于一個(gè)不斷變化的過程，無加固措施情況下軸力變化幅度最大，其次是方案一和方案二。考慮到工程的復(fù)雜性及施工精度等實(shí)際情況，為保證工程安全，兩種單獨(dú)方案均不建議推薦。

圖7 橋墩受力最大變幅圖（單位：mm）

方案三橋墩產(chǎn)生的最大軸力為678.8 kN，橋墩軸力變化幅度較小，幾乎沒有變化。高架橋樁的剪力也處于一個(gè)不斷變化的過程，無加固措施情況下剪力變化幅度最大，其次是方案一和方案二，方案三橋墩產(chǎn)生的最大剪力為151.64 kN，橋墩剪力變化幅度較小，幾乎沒有變化。此外，杭深鐵路橋樁的彎矩一樣處于一個(gè)不斷變化的過程，無加固措施情況下彎矩變化幅度最大，其次是方案一和方案二，方案三橋墩產(chǎn)生的最大彎矩為454.93 kN·m，橋墩彎矩變化幅度較小，幾乎沒有變化。

6 結(jié)論

本文以枕峰山隧道TBM下穿杭深高鐵高架橋梁施工為工程背景，分析所采取的不同措施的加固效果，主要結(jié)論為：

1）TBM盾構(gòu)下穿鐵路高架橋梁提出3種施工加固方案，分別對方案一：袖閥管+鋼花管注漿加固；方案二：隔離樁加固方案；方案三：袖閥管+鋼花管注漿加固+隔離樁預(yù)加固方案的設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹，并對既有橋墩結(jié)構(gòu)受力變形影響及橋梁周邊地表沉降變化進(jìn)行分析。

2）利用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行三維模擬，分析3種加固方案的加固效果，計(jì)算結(jié)果表明單獨(dú)采用袖閥管+鋼花管注漿加固方案和單獨(dú)采用隔離樁的加固效果有限；同時(shí)設(shè)置袖閥管+鋼花管注漿加固和隔離樁的加固方案能很好地控制周邊地表沉降、橋墩豎向沉降、水平位移、縱向位移及墩臺的差異沉降，加固效果較好，本工程推薦該加固方案。

3）綜合考慮現(xiàn)場的具體情況、現(xiàn)場施工條件、工程地質(zhì)條件及作業(yè)空間等因素，并結(jié)合杭深鐵路大頂山特點(diǎn)，明確施工工藝試驗(yàn)、過程控制要點(diǎn)和監(jiān)控量測的要求，制定切實(shí)可行的施工措施，合理安排施工進(jìn)度，可以對本文提出的3種預(yù)加固方案在實(shí)際工程中靈活選用，確保橋梁安全。