新建隧道下穿對既有高速鐵路橋墩影響研究

劉 杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

0 引言

隨著城市發展,難免出現新建道路下穿或并線既有結構情況[1-5]。高鐵橋梁樁基周邊開挖施工引起的地層應力和變形是造成附近結構和設施承受附加荷載、產生附加變形的根本原因之一。由于高速鐵路運行速度快,對變形要求嚴格[6-7],有必要針對具體地質狀態和施工工況開展新建道路對既有高鐵影響研究。本文根據實際工程:新建隧道下穿京滬高鐵施工。根據實際地層情況,設計三維數值計算模型,分別計算不同工況下高鐵橋墩的變形情況,分析變形原因,可為相關工程提供參考。

1 工程概況

1.1 既有高鐵介紹

工程位于江蘇省蘇州市,隧道下穿京滬高鐵。如圖1所示,左線盾構隧道從3560#、3561#橋墩間穿越,右線盾構隧道從3559#、3560#橋墩間穿越,橋梁跨度均為32.7 m。下穿段橋下凈空約為9.23 m,3559#橋墩承臺尺寸10.5 m×6.8 m×2 m,承臺底標高為2.871 m,承臺下設10根φ1 m鉆孔樁,樁長48.5 m,樁底位于④1粉質黏土層,基本承載力120 kPa;3560#和3561#橋墩承臺尺寸10.5 m×5.6 m×2 m,3560#承臺底標高為-0.371 m,承臺下設8根φ1 m鉆孔樁,樁長56.5 m,樁底位于⑤1粉砂、土層,基本承載力150 kPa;3561#承臺底標高為-0.871 m,承臺下設8根φ1 m鉆孔樁,樁長59.5 m,樁底位于⑥1粉質黏土層,基本承載力120 kPa。采用CRTSⅡ型板式無砟軌道,與鐵路相交位置鐵路中心里程為K1239+294。

1.2 新建隧道介紹

如圖1所示,新建隧道左、右線分兩跨下穿,與京滬高鐵高架橋的平面夾角分別約為80°和90°,隧道縱坡14.492%。隧道下穿鐵路段采用盾構法施工,采用加泥式土壓平衡盾構。單圓盾構襯砌:隧道內徑為5 900 mm,外徑為6 600 mm,襯砌厚度350 mm。采用單層裝配式襯砌,由六塊組成。環間采用錯縫拼接方式,管片采用M30彎螺栓連接,環寬為1 200 mm。盾構隧道左線管片外邊緣與京滬高鐵3560#、3561#橋墩樁基的最近水平凈距分別為7.02 m和12.66 m;盾構隧道右線管片外邊緣與京滬高鐵3559#、3560#橋墩樁基的最近水平凈距分別為10.44 m和10.55 m。

1.3 防護及加固措施設計

盾構隧道穿越京滬高鐵橋梁位置,在橋梁下方進行隔離樁+袖閥管注漿加固。下穿京滬高鐵位置盾構隧道采用門式樁進行隔離防護,其兩側采用直徑1 m間距1.2 m的鉆孔灌注樁,樁頂設置1.0 m×0.8 m的冠梁。冠梁之間采用0.8 m×0.8 m@6.3 m的混凝土支撐連接,隔離樁樁底打入盾構隧道底部以下6 m。隔離樁范圍:隔離樁與隧道管片外邊緣的凈離按1 m控制,隔離樁沿盾構軸線方向伸出橋梁承臺邊緣10 m。3559#橋墩樁基中心與隔離樁樁基中心最近的間距為9.44 m>6 m(6D=1.0×6),3560#橋墩樁基中心與隔離樁樁基中心最近的間距分別為6.02 m>6 m(6D=1.0×6),3561#橋墩樁基中心與隔離樁樁基中心最近的間距分別為11.65 m>6 m(6D=1.0×6)。

1.4 地層介紹

左線盾構隧道埋深約18.13 m,隧頂上覆土從上到下依次為①黏土(基本承載力150 kPa)、②1粉土(基本承載力90 kPa)、③0粉質黏土(基本承載力100 kPa),盾構隧道穿越地層主要為③0粉質黏土(基本承載力100 kPa)和③粉質黏土(基本承載力180 kPa);右線盾構隧道埋深約10.62 m,隧頂上覆土從上到下依次為①黏土(基本承載力150 kPa)、②1粉土(基本承載力90 kPa),盾構隧道穿越地層主要為②1粉土(基本承載力90 kPa)和③0粉質黏土(基本承載力100 kPa)。

2 數值計算模型及工況設計

2.1 計算模型

本次計算采用Flac3d有限差分軟件,計算模型坐標系遵循右手法則,X正向指向高鐵大里程方向,Y正向垂直于高鐵方向,Z為鉛垂線方向,正向指向上。模型X方向長140 m,Y方向長140 m,Z方向長100 m。計算過程中土體、橋墩、承臺等均采用實體單元模擬,樁基礎結構采用結構單元模擬。采用結構化和非結構化混合網格劃分技術對模型進行網格劃分,共計464 192個單元,294 215個節點。模型的邊界條件頂面為自由面,兩側水平約束,底面取豎向和水平向約束(圖2)。

圖2 數值計算模型

2.2 參數及工況

通過巖土工程勘察,取樣,室內試驗,得到相關地層力學參數,其取值如表1所示。

表1 土層力學參數

本次計算主要包括4個計算工況:①隔離樁及注漿加固施工;②隧道左線施工;③隧道右線施工;④隧道運營荷載。

3 數值計算結果分析

不同工況下,橋墩位移云圖如圖3所示。從圖3可知,隔離樁及注漿加固施工時,主要位移集中在中間3560#橋墩,且主要為豎直方向沉降變形,符合3560#兩側受力特征。隧道左線施工時,最大位移集中在右側的3561#橋墩,其次是3560#橋墩,主要表現為中間沉降變形。隧道右線施工時,位移主要集中在3559#和3560#橋墩,主要表現為中間沉降變形。隧道運營荷載施加時,最大位移集中在右側的3560#橋墩。

圖3 變形位移云圖

不同工況下,對應墩頂監測點位移增量如表2所示。隔離樁及注漿加固施工時,在水平方向上,3561#橋墩變形值相對較大,最大值出現在X方向,最大變形值為-0.168 mm。在豎直方向上3560#橋墩變形值相對較大,最大變形值為-0.218 9 mm。隧道左線施工時,在水平方向上,3560#橋墩變形值相對較大,最大值出現在X方向,最大變形值為0.121 9 mm。在豎直方向上,3560#橋墩變形值相對較大,最大變形值為-0.054 9 mm。隧道右線施工時,在水平方向上,3560#橋墩變形值相對較大,最大值出現在Y方向,最大變形值為-0.163 8 mm。在豎直方向上,3559#橋墩變形值相對較大,最大變形值為-0.064 2 mm。隧道運營荷載施加時,在水平方向上,3560#橋墩變形值相對較大,最大值出現在Y方向,最大變形值為-0.163 8 mm。在豎直方向上,3559#橋墩變形值相對較大,最大變形值為-0.064 2 mm。

表2 隔離柱及注漿加固施工墩頂附加變形值 單位:mm

總位移中,3560#橋墩的豎向沉降最大,最大沉降值為-0.412 6 mm。主要原因是:3560#橋墩在兩隧道中間,4個工況單獨施工均為對3560#橋墩產生較大影響。總位移中,3561#橋墩水平X方向變形最大,最大值為-0.315 7 mm。主要原因是, 3561#橋墩的靠近左側隧道,而3559#橋墩靠近右側隧道。左側隧道先施工,隧道施工后會引起應力釋放。其次,左側隧道比右側隧道埋深更大,從而影響范圍也更大。從而導致3561#橋墩的水平位移大于3559#橋墩。從隧道與鐵路的空間位置可知,水平X方向比Y方向更加容易變形。因此,最終3561#橋墩水平X方向變形最大。

4 結束語

新建隧道下穿京滬高鐵施工過程中引起高鐵橋墩墩頂最大水平累計位移在3561#橋墩的X方向,值為-0.315 7 mm;最大豎向累計位移在3560#橋墩Z方向,值為-0.412 6 mm。最大水平位移和最大豎向位移均小于0.5 mm,變形較小,說明該施工方式滿足安全要求。然而,隧道盾構工程施工范圍在3560#橋墩兩側,受施工影響大,累計水平位移和沉降均較大,建議在高鐵橋墩正下方施工時放緩施工速度,同時加強監測,出現位移突變,應立即停止施工。