地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道連續(xù)穿越既有鐵路橋影響研究

黃 松

（貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴州貴陽 550081）

1 引言

目前，地鐵在城市公共交通中發(fā)揮著越來越大的作用，我國地鐵建設(shè)一直保持高速發(fā)展勢頭[1]。但由于城市空間開發(fā)資源緊張，地下情況較為復(fù)雜，地下管線綜合錯綜密集，給地鐵施工帶來較大影響。在修建地鐵時不可避免穿越房屋、管線、橋梁基礎(chǔ)等既有建（構(gòu)）筑物，如何有效控制隧道開挖引起的既有建（構(gòu)）筑物沉降、開裂甚至坍塌，保障既有建（構(gòu)）筑物安全，是目前地鐵施工中的重點[2]，特別是盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋時，已有不少學(xué)者從施工工序優(yōu)化、采用不同加固措施等方面進行了探索和研究。本文以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道連續(xù)下穿既有鐵路橋為例，對動態(tài)施工過程進行模擬，分析不同凈距下樁基沉降及相鄰樁差異沉降變化，相關(guān)研究可為其他類似工程提供參考和借鑒。

2 工程背景

某地鐵區(qū)間自小里程至大里程連續(xù)下穿既有鐵路橋，為減小對既有鐵路橋的影響，在該段區(qū)間隧道左右線分別從橋梁相鄰跨穿越，下穿段區(qū)間隧道線間距23～27.8 m，隧道頂埋深約23～25 m。與區(qū)間隧道的平、剖位置關(guān)系如圖1、圖2、表1所示。該場地主要為黏質(zhì)粉土層，地下水位較低。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，單層裝配式平板型鋼筋混凝土襯砌管片。

表1 既有鐵路橋基礎(chǔ)與區(qū)間隧道凈距表

圖1 區(qū)間隧道與既有鐵路橋平面位置關(guān)系圖

圖2 區(qū)間隧道與既有鐵路橋剖面關(guān)系圖（單位：mm）

3 控制標準

3.1 鐵路軌道變形控制標準

根據(jù)TG/GW 115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》、TG/GW 102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》等養(yǎng)護要求[3-4]，同時考慮一定安全閾值，建議不同時速鐵路道床、軌道分別按表2進行控制。

表2 鐵路道床、軌道變形限制 mm

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)變形控制標準

橋梁承載不同時速鐵路線路，因此橋梁結(jié)構(gòu)變形按照TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》、TB 10623-2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》的要求綜合考慮進行控制[5-6]，如表3所示。

表3 靜定結(jié)構(gòu)墩臺基礎(chǔ)工后沉降限值 mm

綜上要求，考慮線路正常使用和保養(yǎng)要求，確定變形控制標準：200 km/h以上線路軌面沉降值最大不超過5 mm，即限定隧道開挖引起的墩頂均勻沉降值不超過5 mm，相鄰墩臺沉降差不超過5 mm；200 km/h及以下的線路軌道幾何尺寸容許偏差按照常規(guī)檢修要求，軌面沉降值最大不超過6 mm，即限定隧道開挖引起的墩頂均勻沉降值不超過6 mm，相鄰墩臺沉降差不超過6 mm。

4 區(qū)間隧道下穿既有鐵路橋施工優(yōu)化仿真模擬

4.1 地表沉降理論

地表沉降可以按照PECK預(yù)測公式（1）進行計算，最大沉降值Smax與地層損失Vi的關(guān)系見公式（2）。

式（1）、式（2）中，S(x)為距離隧道中心軸線為x處的地表沉降值；Smax為隧道中心線處地表最大沉降量；Vi為施工引起的隧道單位長度地層損失；i為地表沉降槽寬度系數(shù)，即隧道中心線至沉降曲線反彎點的距離：

式（3）中，H為覆土厚度；R為計算半徑；φ為內(nèi)摩擦角。

4.2 計算模型

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用地層結(jié)構(gòu)法對盾構(gòu)下穿既有鐵路橋進行實際施工工況的開挖模擬，分析盾構(gòu)隧道施工對既有鐵路橋梁及周邊環(huán)境的影響。根據(jù)圣維南原理，整個模型寬度為80 m，高度為60 m，隧道縱向100 m，管片采用liner襯砌單元分析，邊界條件采用兩側(cè)約束其水平位移，底部約束其豎向位移，盾構(gòu)管片與圍巖之間空隙同步注漿及二次注漿采用控制應(yīng)力釋放進行模擬。隧道共穿越5座橋梁，按照從西向東進行編號為橋1、橋2……橋5。模型簡圖如圖3所示，其地層物理力學(xué)參數(shù)指標如表4所示。

圖3 計算模型圖

表4 地層物理力學(xué)參數(shù)指標

4.3 模擬工況

按照實際施工要求，左右線先后通過下穿段的工況進行模擬：

（1）計算每開挖步開挖進尺1.5 m，管片厚度0.35 m；

（2）先左線掘進通過5座既有鐵路橋樁基群15 m以上，再進行右線掘進通過；

（3）計算在初始地應(yīng)力平衡后，對模型位移和速度進行清零，在進行隧道的施工模擬。

4.4 施工模擬及數(shù)據(jù)分析

由于隧道開挖引起的地層擾動，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)土層發(fā)生了變形。

（1）當左線盾構(gòu)隧道施工通過既有鐵路橋段超過15 m后，既有鐵路橋及基礎(chǔ)變形情況如圖4所示。

圖4 左線隧道施工完成沉降云圖 （單位：m）

（2）待左線隧道穿過既有鐵路橋段15 m后，右線隧道掘進施工，橋樁變形結(jié)果如圖5所示。

4.4.1 地層位移分析

由于隧道開挖引起的地層擾動，盾構(gòu)隧道縱向所在區(qū)域正上方一定范圍內(nèi)土層發(fā)生了變形。當左線盾構(gòu)隧道貫通時，地層最大豎向沉降約為3.2 mm。當右線盾構(gòu)隧道貫通時，地層最大豎向沉降約為3.5 mm。左線隧道開挖完成后引起地表發(fā)生沉降，最大沉降位置位于右線盾構(gòu)隧道正上方，地表沉降曲面大致為“V”形，由于左、右線盾構(gòu)隧道的線間距較大，右線盾構(gòu)隧道開挖完成后，地表沉降的數(shù)值和范圍都有一定程度的增加，地表最大沉降位置位于左線盾構(gòu)隧道的上方，說明右線施工對左線有一定影響，但是由于線間距加大，相互影響很小。

4.4.2 樁基變位分析

經(jīng)統(tǒng)計比較，盾構(gòu)隧道通過橋梁，橋梁樁基變位情況統(tǒng)計如表5所示。

表5 橋梁樁基變位結(jié)果統(tǒng)計表 mm

隧道開挖對既有樁基的影響，隨著樁基距隧道線路中線距離的增加而減小。左右線隧道的施工主要對臨近的橋樁影響較大，即兩線中間的橋樁產(chǎn)生較大影響，對遠離隧道的橋樁影響很小，并且影響程度大小基本與隧道橋樁間凈距的大小成正比關(guān)系。樁基的變形特征，在隧道拱頂以上部位，由于土體滑移，主要表現(xiàn)為沉降和趨于隧道的水平位移；在隧道范圍內(nèi)及底部約1～2D（D為洞徑）范圍內(nèi)由于盾構(gòu)掘進推力及注漿壓力的影響，主要變現(xiàn)為遠離隧道方向的變形，但變形量較??；隧道底部1～2D以下至樁底的范圍內(nèi)，樁基變形也基本以趨向隧道的水平位移為主。

4.4.3 墩頂變位分析

在數(shù)值模擬中，提取橋墩頂部中心點處位移，得到盾構(gòu)下穿鐵路橋梁橋墩頂部的位移，如表6所示。

由表6可知，墩臺沉降是由盾構(gòu)機開挖土體造成地層損失所引起的，左右盾構(gòu)隧道穿越鐵路橋梁時，距離隧道近的橋墩沉降值較大，而遠離隧道的橋墩沉降值較小。近側(cè)盾構(gòu)隧道開挖引起的沉降值占絕大部分，遠側(cè)開挖施工時影響稍小。墩臺橫向位移是由盾構(gòu)機開挖土體造成地層損失所引起的，其值在盾構(gòu)通過墩臺位置之前不斷增加，而遠離墩臺后，橫向位移值又不斷減小。橫向位移主要由近側(cè)隧道開挖所引起的，遠側(cè)隧道開挖幾乎可以忽略。盾構(gòu)正常掘進穿越鐵路橋梁時，鐵路橋梁的墩頂沉降指標均小于4 mm，滿足前述的變形控制標準。

表6 墩頂位移統(tǒng)計表 mm

5 結(jié)論

臨近既有建（構(gòu)）筑物修建工程時，對既有結(jié)構(gòu)的安全保護十分重要，特別是造成破壞后經(jīng)濟損失和社會影響大，通過對地鐵盾構(gòu)施工連續(xù)下穿既有鐵路橋動態(tài)施工過程進行模擬，分析不同凈距下樁基沉降及相鄰樁差異沉降變化，預(yù)測盾構(gòu)施工對既有鐵路橋的影響，合理選擇穿越位置和施工的安全保護措施，從而有效控制沉降指標，本文主要研究結(jié)論如下。

（1）左右線線間距較大，施工期間的相互影響較小，當隧道與橋樁距離大于1倍洞徑即6.2 m時，盾構(gòu)正常掘進穿越鐵路橋梁，盾構(gòu)施工對鐵路橋梁產(chǎn)生的墩頂沉降指標均小于4 mm，滿足相關(guān)變形控制標準。

（2）以通過橋梁之前的100 m區(qū)段作為盾構(gòu)施工試驗段，不斷優(yōu)化盾構(gòu)推進參數(shù)控制地表變形，減少對鐵路橋的影響，根據(jù)正面土壓力，緊密結(jié)合地表變形監(jiān)測，及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，從而將施工后地表變形量控制在最小范圍內(nèi)。

（3）加強信息化施工，控制地層損失量控制，加強施工監(jiān)測，嚴格控制同步注漿、二次注漿和漿液質(zhì)量，盾構(gòu)穿越鐵路施工期間同步注漿要做到及時、均勻、足量，確保其建筑空隙得到及時和足量的充填，將地面變形和管片偏移控制到最小，盾構(gòu)掘進后應(yīng)及時通過同步注漿及二次注漿填充盾尾間隙，嚴格控制土層損失量。