地鐵盾構(gòu)施工下穿高速鐵路隔離保護(hù)技術(shù)

賈大鵬，夏柏如，張影，張麗芳

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京100083;2．中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西太原030032)

地鐵盾構(gòu)施工下穿高速鐵路隔離保護(hù)技術(shù)

賈大鵬1，2，夏柏如1，張影1，張麗芳2

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京100083;2．中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西太原030032)

北京地鐵10號(hào)線二期草橋站—紀(jì)家廟站區(qū)間隧道施工須下穿京滬高鐵高架橋，保證施工安全及京滬高鐵橋梁基礎(chǔ)安全是施工難點(diǎn)。采用有限元軟件ANSYS建模分析隧道施工時(shí)對(duì)橋梁基礎(chǔ)采取隔離保護(hù)措施的效果。分析結(jié)果表明，兩座隧道中間的橋墩承臺(tái)受盾構(gòu)兩次掘進(jìn)通過的影響，產(chǎn)生的沉降量最大，且最大沉降量靠近后掘進(jìn)的隧道;設(shè)置隔離樁可降低橋樁變形。依據(jù)分析結(jié)果確定了工程措施，并論述了隔離樁施工、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制等關(guān)鍵技術(shù)。施工監(jiān)測結(jié)果表明，橋梁墩臺(tái)累計(jì)變形在控制范圍之內(nèi)。

盾構(gòu) 下穿 高鐵 隔離 施工

1 工程概況

北京地鐵10號(hào)線二期草橋站—紀(jì)家廟站區(qū)間長1 332 m，位于北京市豐臺(tái)區(qū)，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間線路在樁號(hào)右K38+400—K38+500附近斜穿京滬高鐵(雙線)、京滬動(dòng)車線(雙線)、城際動(dòng)車線共5條高速線路。5條線路均為高架簡支橋，橋梁基礎(chǔ)全部為群樁基礎(chǔ)，樁頂設(shè)承臺(tái)。橋梁結(jié)構(gòu)為盾構(gòu)下穿預(yù)留了空間條件，橋梁跨度均為32.7 m。區(qū)間隧道埋深14.9 m，外側(cè)距離新建鐵路承臺(tái)的水平凈距為5.6～11.2 m。

為保證隧道施工和高速線路安全，采取了隔離保護(hù)法，即將隔離結(jié)構(gòu)設(shè)置在隧道與高速橋梁基礎(chǔ)之間，通過結(jié)構(gòu)的隔離作用，最大限度地減小隔離結(jié)構(gòu)與橋梁基礎(chǔ)之間土體的變形。工程上常用的隔離結(jié)構(gòu)主要包括隔離墻和隔離樁［1］。

2 隔離保護(hù)作用分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS建模分析。計(jì)算時(shí)首先假定圍巖是連續(xù)介質(zhì)，采用實(shí)體單元模擬。根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間與既有結(jié)構(gòu)位置關(guān)系，依據(jù)規(guī)范要求及以往經(jīng)驗(yàn)，盡量考慮減少數(shù)值模型中邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，既要盡量減少計(jì)算量，又要確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

建模時(shí)，模型四周約束為各面的法向位移約束，假設(shè)地表為自由面，模型底部設(shè)置為豎向約束。模型坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)于離隧道北側(cè)最近的京滬動(dòng)車左線橋墩承臺(tái)西南角，橋梁水平方向?yàn)閅軸，X軸為與橋梁垂直的水平橫向，豎直向上為Z軸。三維計(jì)算模型見圖1。計(jì)算模型共劃分178 052個(gè)單元，193 776個(gè)節(jié)點(diǎn)，為便于有限元網(wǎng)格劃分及提高計(jì)算速度和精度，按剛度等效方法用方樁代替圓樁，并對(duì)承臺(tái)作適當(dāng)簡化。

圖1 三維計(jì)算模型

2.2 地層參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供參數(shù)，考慮安全需要，對(duì)一定深度范圍內(nèi)巖土類別相近的土體進(jìn)行了合并，并對(duì)土層參數(shù)進(jìn)行綜合取值，見表1。

2.3 設(shè)置隔離樁前后的沉降分析

通過對(duì)左右線盾構(gòu)通過橋樁基礎(chǔ)后橋樁承臺(tái)的沉降和順橋向水平位移的計(jì)算分析可得，盾構(gòu)穿過樁基時(shí)，樁的不同部位位移方向不同。樁基中部水平位移方向?yàn)檫h(yuǎn)離隧道方向，樁頂水平位移方向?yàn)榭拷淼婪较?。中間的樁基承臺(tái)由于存在左右線隧道分別掘進(jìn)通過的工況，出現(xiàn)先向左線隧道靠近的水平位移，后往右線隧道靠近的水平位移。由于中間承臺(tái)受隧道兩次掘進(jìn)通過的影響，其豎向沉降量最大，且最大沉降量處靠近后掘進(jìn)的隧道。

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10020—2009)對(duì)工后沉降的規(guī)定是:無砟軌道的墩臺(tái)基礎(chǔ)均勻沉降限值20 mm，相鄰墩臺(tái)沉降差限值5 mm［2］。計(jì)算結(jié)果表明僅盾構(gòu)下穿引起的沉降即接近限值的60%，可見設(shè)置隔離樁是必要的。由表2可知，設(shè)置隔離樁有效減小了高速鐵路既有橋樁沉降，并且密排隔離樁豎向沉降甚微，與理想化剛性連續(xù)墻的作用極相似［3］，可以克服盾構(gòu)掘進(jìn)可能引起的地層損失，規(guī)避盾構(gòu)穿越給橋梁帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 高鐵橋樁及承臺(tái)變形mm

2.4 可采取的技術(shù)措施

依據(jù)數(shù)值模擬分析，為確保盾構(gòu)施工順利下穿京滬高鐵，可采取如下技術(shù)措施:

1)盾構(gòu)下穿橋梁前，提前進(jìn)行隔離防護(hù)樁施工，規(guī)避盾構(gòu)穿越給橋梁帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

2)隔離防護(hù)樁安排在列車停運(yùn)時(shí)施工，因高鐵尚未正式開通，爭取在高速鐵路正式運(yùn)營前完成，在樁施工過程中嚴(yán)格實(shí)施承臺(tái)變形監(jiān)測。

3)在正式下穿之前開展盾構(gòu)推進(jìn)試驗(yàn)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。應(yīng)加強(qiáng)二次注漿，并選用高品質(zhì)材料。

4)對(duì)高架橋梁梁體進(jìn)行沉降及傾斜監(jiān)測以隨時(shí)掌握高架橋梁梁體沉降情況，并與承臺(tái)沉降互相校核。

5)施工完成后，應(yīng)對(duì)高架橋梁結(jié)構(gòu)及其軌道進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)采取處理措施。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 技術(shù)措施概述

盾構(gòu)穿越高鐵線前采取洞外加固措施，每個(gè)單線區(qū)間隧道兩側(cè)1 m的位置各施工一排隔離樁，樁徑1 250 mm，間距1 800 mm，樁長25 m，共4排88根。在樁頂部設(shè)置樁頂冠梁，截面尺寸為1 250 mm× 800 mm，樁頂冠梁間采用截面為700 mm×400 mm的混凝土支撐連系梁，將隔離樁連成整體。區(qū)間左線與右線采取相同的措施處理。隔離樁平面、斷面見圖2、圖3。

圖2 隔離樁施工平面示意(單位:m)

圖3 隔離樁加固保護(hù)斷面(尺寸單位:cm;高程單位:m)

3.2 隔離樁施工

隔離樁的成孔一般采用機(jī)械成孔或人工挖孔。鉆機(jī)施工過程中對(duì)地層擾動(dòng)大，對(duì)樁基沉降變形影響大。橋下凈空約12 m，不滿足機(jī)械成孔施工要求。因此為減小對(duì)京滬高鐵橋墩、樁基的影響，降低沉降，選用人工挖孔施工。

盾構(gòu)下穿京滬高鐵段，左右線兩側(cè)各設(shè)置27根樁，共108根，樁長25 m，樁徑1 250 mm、間距1 800 mm，灌注C25混凝土，鋼筋籠分段連接。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)規(guī)定，當(dāng)樁凈距＜2.5 m時(shí)，應(yīng)采用間隔開挖;相鄰排樁跳挖的最小施工凈距不得小于4.5 m［4］。為保證施工安全和質(zhì)量，采用圖4的間隔兩孔挖孔順序進(jìn)行跳孔施作可以保證樁間凈距要求。施工挖孔樁的順序?yàn)?，4，7，…;然后2，5，8…;最后3，6，9，…。任何相鄰樁孔不得連續(xù)施工。

圖4 隔離樁施工順序示意(單位:mm)

3.3 樁頂冠梁及支撐梁施工

為保證排樁的隔離效果，在2排樁頂各設(shè)置1條冠梁，冠梁截面尺寸為1 250 mm×800 mm。同時(shí)，為增強(qiáng)樁的整體性，在冠梁之間設(shè)置混凝土支撐梁，支撐梁高度700 mm，寬度400 mm，沿隧道縱向間距5 m，每條隧道上方布置7條。冠梁、混凝土支撐梁均采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土。冠梁及混凝土支撐梁主筋凈保護(hù)層厚度均為35 mm。

3.4 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)穿越京滬高鐵段隧道埋深約15 m，穿越地層為砂卵石地層，掘進(jìn)參數(shù)為:

1)上土壓力控制在0.06～0.07 MPa，盾構(gòu)機(jī)千斤頂總推力控制在19 500～22 000 kN，刀盤馬達(dá)扭矩控制在總扭矩的25%～35%，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度控制在35～45 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.1～1.6 r/min，日掘進(jìn)量控制在10環(huán)左右，保證盾構(gòu)機(jī)平穩(wěn)通過。

2)嚴(yán)密監(jiān)控盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的各項(xiàng)參數(shù)，嚴(yán)格控制土倉壓力在0.07 MPa左右，允許在適當(dāng)范圍波動(dòng)。出土量按計(jì)算開挖量控制。

3)在盾構(gòu)機(jī)穿越過程中，同步注漿壓力會(huì)隨著掘進(jìn)速度、地質(zhì)情況不同而變化，要不斷調(diào)整，目標(biāo)控制值應(yīng)在0.3 MPa左右。為避免擊穿尾刷，壓力不宜過大，注漿量保持在每環(huán)4.2～5.8 m3。

4)盾構(gòu)機(jī)穿越過程中，每環(huán)添加4.5～5.5 m3膨潤土漿對(duì)卵礫石土質(zhì)進(jìn)行改良，膨潤土漿液相對(duì)密度為1.1。

5)及時(shí)進(jìn)行二次注漿，范圍控制在距離盾尾3環(huán)以后的管片，并根據(jù)掘進(jìn)速度調(diào)整注漿進(jìn)度和凝結(jié)時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整合適的漿液配比，采用水泥水玻璃雙液漿。

6)通過試驗(yàn)確定泡沫注入量，一般取0.2 m3/環(huán)。

4 監(jiān)測控制指標(biāo)

根據(jù)鐵路規(guī)范和《北京地鐵10號(hào)線二期草橋站—玉泉營站區(qū)間下穿京九鐵路及京滬高鐵工程設(shè)計(jì)說明》，制定了地鐵施工期間變形控制指標(biāo)，見表3。地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)按盾構(gòu)施工規(guī)范執(zhí)行(+10，－30 mm)。

表3 地鐵施工期間變形控制標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)語

盾構(gòu)掘進(jìn)階段，京滬高鐵及動(dòng)車走行線等橋梁墩臺(tái)人工監(jiān)測最大累計(jì)變形量為0.8 mm，自動(dòng)化監(jiān)測最大累計(jì)變形量為0.7 mm，最大沉降點(diǎn)均位于京滬動(dòng)車聯(lián)絡(luò)線，數(shù)值在控制范圍內(nèi)。

從整體數(shù)據(jù)上看，本次盾構(gòu)穿越施工過程中，各監(jiān)測項(xiàng)目的變形值均在控制范圍之內(nèi)。可以看出，在盾構(gòu)施工前，預(yù)先施作的隔離保護(hù)樁對(duì)京滬等高鐵的橋梁墩臺(tái)起到了關(guān)鍵的防護(hù)作用，使得橋梁墩臺(tái)受盾構(gòu)施工影響較小，保障了線路及行車安全。

［1］項(xiàng)彥勇，賀少輝，張彌，等．導(dǎo)洞隔離樁墻結(jié)構(gòu)對(duì)淺埋暗挖隧道周邊地層移動(dòng)的限制作用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(10):3317-3323．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB 10020—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［3］李建設(shè)，杜朋，鄒志利．隔離樁工作機(jī)理及在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．低溫建筑技術(shù)，1999(2):48-50．

［4］中華人民共和國建設(shè)部．JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．

(責(zé)任審編李付軍)

U455.43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．21

1003-1995(2015)03-0073-03

2014-09-20;

2014-11-25

賈大鵬(1978—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，高級(jí)工程師，博士研究生。