盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿鐵路橋梁影響分析

王體廣

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，102600，北京∥工程師）

盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿鐵路橋梁影響分析

王體廣

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，102600，北京∥工程師）

以深圳地鐵7號線某區(qū)間工程為分析原型，分別采用經(jīng)典的peck法和有限元法對盾構(gòu)近距離下穿淺基礎(chǔ)鐵路橋梁的沉降進行了研究、分析，介紹了為控制沉降而采取的施工措施，并將計算得到的理論值和現(xiàn)場施工的實際監(jiān)測值進行了對比研究。驗證了施工措施的有效性及設(shè)置參數(shù)優(yōu)化試驗段的必要性，總結(jié)了施工過程的沉降變化特點，得到peck法的參數(shù)選擇應(yīng)謹慎、實測應(yīng)覆蓋施工全過程的結(jié)論。

地鐵盾構(gòu)施工；下穿鐵路橋梁；沉降影響分析

Author＇s address China Railway Fifth Survey And Design Institute Group Co.，Ltd.，102600，Beijing，China

隨著地鐵工程建設(shè)的日益增多，地鐵線路與周邊建（構(gòu)）筑物的關(guān)系越來越復(fù)雜，而地鐵區(qū)間工程穿越建（構(gòu)）筑物的工程實例也越來越多。盾構(gòu)法施工技術(shù)以其獨有的智能化、安全、快捷、地層適用性廣等特點與優(yōu)勢，得到越來越多的推廣和應(yīng)用。雖然盾構(gòu)法在工程實施中取得了很好的成績，但其施工過程必然會引起地層損失和土體擾動，從而引起地表變形。具體表現(xiàn)在盾構(gòu)到達的前方和頂部產(chǎn)生微量的隆起，盾尾脫離以后地表開始下沉，并形成一定寬度的沉降槽，沉降的速率隨時間而逐漸衰減，且與盾構(gòu)所經(jīng)過的地層、施工工況和地表荷載等有密切的關(guān)系，并表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)牟町愋裕?］。當(dāng)?shù)孛娉两岛偷貙右苿舆_到一定程度時，就會影響周圍建筑物的安全和正常使用［2］。

本文結(jié)合地鐵設(shè)計、施工實例，分別采用經(jīng)典的peck法和有限元法計算盾構(gòu)近距離下穿淺基礎(chǔ)鐵路橋梁的沉降，并將計算得到的理論值和現(xiàn)場施工的實際監(jiān)測值進行了對比研究，為將來類似工程的設(shè)計、施工提供參考。

1　工程概況

深圳地鐵7號線某區(qū)間長1.3 km，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間埋深7.5～13.5 m。距車站250 m處區(qū)間近距離下穿鐵路橋。區(qū)間線路中心線與鐵路橋梁斜交角度為74°。該鐵路線尚未電氣化，所有列車均由內(nèi)燃機車牽引。鐵路橋于1991年開工，于1993年竣工。其坡度為7%，曲線半徑為800 m，橫剖面見圖1。其中，0號橋臺、1號橋墩、2號橋墩位于緩和曲線上，3號橋墩和4號橋臺位于圓曲線上。

鐵路橋上部橋梁為4跨不等跨、預(yù)制鋼筋混凝土簡支T形梁。其中，兩端2跨為鋼筋混凝土梁，中間2跨為先張法預(yù)應(yīng)力梁。橋臺和橋墩均采用2級擴大淺基礎(chǔ)。

該地鐵區(qū)間埋深7.5 m，區(qū)間線間距16.9 m。因區(qū)間線路中心線與鐵路橋梁斜交，故橋墩基礎(chǔ)與區(qū)間隧道距離為變值。區(qū)間左線與1號橋墩基礎(chǔ)平面距離為1.4～3.0 m，實際距離為5.3～6.3 m，與2號橋墩基礎(chǔ)的平面距離為3.5～1.4 m，實際距離為4.1～2.3 m。區(qū)間右線距離2號橋墩基礎(chǔ)平面距離為1.4～3.6 m，實際距離為2.3 m～4.1 m，與3號橋墩基礎(chǔ)平面距離為3.5～1.5 m，實際距離為5.7 m～4.3 m。

根據(jù)勘探和室內(nèi)土工試驗測試成果，該地鐵區(qū)間地基土根據(jù)成因類型及物理力學(xué)指標的差異可劃分為5個工程地質(zhì)層20個亞層，各土層按由上至下由新到老的順序分別為①1素填土，①3素填土，④5粉質(zhì)黏土，⑦1礫質(zhì)黏土，⑧1全風(fēng)化花崗巖。區(qū)間結(jié)構(gòu)位于⑦1礫質(zhì)黏性土和⑧1全風(fēng)化花崗巖地層。場地地下水按賦存條件主要為孔隙水及基巖裂隙水。地下水位埋深3.7 m，水位變幅0.5～2.5 m。各層土的力學(xué)參數(shù)指標詳見表1。

表1　土的力學(xué)參數(shù)

2　模擬計算

2.1Peck法

在盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降的預(yù)測方面，派克（peck）于1969年提出了地層損失的概念和估算方法。此后經(jīng)過大量工程實踐及修正完善，peck法是目前最簡便、應(yīng)用最為廣泛的估算盾構(gòu)正常施工引起地面沉降的方法。peck法在不考慮土體排水固結(jié)與蠕變的條件下，認為盾構(gòu)推進后地面橫向沉降基本為似正態(tài)曲線。具體計算式如下

式中：

Sx——距離隧道中心線x處的地表沉降；

x——距離隧道中心線的距離；

i——沉降槽寬度系數(shù)；

V1——盾構(gòu)隧道地層體積損失率，即單位長度地層損失占單位長度盾構(gòu)體積的百分比，本數(shù)值與地質(zhì)條件和施工條件密切相關(guān)；

r——盾構(gòu)機外徑。

文獻［3］詳細調(diào)查、研究了peck公式在我國隧道施工中的適用性，并提供了沉降槽寬度系數(shù)、地層損失率的建議值。結(jié)合地質(zhì)條件和深圳地鐵實際施工經(jīng)驗，本工程V1取值0.35%，i取值9.5。左右線隧道施工完成后的地面沉降最大值均在隧道正上方，最大沉降值為18.20 mm，左右線疊加后的實際地面沉降最大值位于左右線中間位置，最大沉降值為24.41 mm。peck法計算的左右線各自的沉降曲線和疊加后的實際沉降曲線見圖2。

圖2　peck法計算的隧道沉降槽

2.2有限元分析法

為了進一步分析研究盾構(gòu)隧道施工對鐵路橋梁的影響，利用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元數(shù)值分析模型。在三維建模中，取盾構(gòu)隧道開挖方向為Y軸，將Z軸垂直于巖層設(shè)置，將X軸沿盾構(gòu)隧道橫向設(shè)置，且與Y軸和Z軸滿足右手法則。

計算區(qū)域主要根據(jù)盾構(gòu)隧道及既有橋墩的布置情況，并滿足一定邊界效應(yīng)的要求來確定。鐵路橋梁為簡支梁，為簡化模型，僅選取距離盾構(gòu)隧道較近的1號橋墩、2號橋墩和3號橋墩進行分析。地鐵區(qū)間底部埋深13.5 m，根據(jù)影響線分析，地鐵區(qū)間完成后地表沉降槽寬度應(yīng)大于13.5 m+16.9 m+ 13.5 m=43.9 m。計算模型選取范圍為：左右線隧道中心各向外20 m即橫向取56.9 m；盾構(gòu)隧道沿縱向取24個盾構(gòu)施工步，共36.0 m；隧道底面以下取25.0 m，模型頂面至土體表面。對盾構(gòu)上部土體和下部土體參數(shù)均取加權(quán)平均值計算。本三維模型及相互關(guān)系詳見圖3。

圖3　有限元分析三維模型

本模型的移邊界條件為：側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取為自由邊界。根據(jù)施工方案，先施工左線后施工右線。

左線貫通后，地面最大沉降為6.95 mm，1號橋墩基礎(chǔ)底面沉降為7.21 mm，2號橋墩基礎(chǔ)底面沉降為10.28 mm，3號橋墩基礎(chǔ)底面沉降為0.77 mm，左線貫通后土層變形云圖和橋梁變形云圖見圖4及圖5。

左右線均貫通后，地面最大沉降為9.06 mm，1號橋墩基礎(chǔ)底面沉降7.46 mm，2號橋墩基礎(chǔ)底面沉降13.35 mm，3號橋墩基礎(chǔ)底面沉降12.19 mm，左右線均貫通后土層變形云圖和橋梁變形云圖見圖6及圖7。

3　施工控制措施

下穿處鐵路列車的最大運行速度為80 km/h。根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》（2006年版），線路軌道的軌距、水平、高低、軌向等靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值可按照12.00 mm控制。但現(xiàn)在得到的計算值已超過控制值，因此需要采取施工控制措施。根據(jù)軌道交通下穿既有鐵路設(shè)計流程，設(shè)計方案和施工方案經(jīng)過與鐵路產(chǎn)權(quán)單位溝通，并經(jīng)過多次專家咨詢和評審會，最終確定了控制沉降的施工專項措施。

圖4　左線貫通后土層變形云圖

圖5　左線貫通后橋梁變形云圖

圖6　左右線均貫通后土層變形云圖

圖7　左右線均貫通后橋梁變形云圖

3.1外部措施

（1）因橋梁使用多年，施工前應(yīng)對該地段進行詳細調(diào)查，以確認橋墩基礎(chǔ)形式、實際位置及標高。工程實施前應(yīng)對橋梁進行安全評估，并對簡支梁進行支頂，對左右線結(jié)構(gòu)邊線外各30 m范圍內(nèi)的鐵路線采取扣軌措施，同時建議鐵路產(chǎn)權(quán)單位在盾構(gòu)通過前對鐵路進行一次養(yǎng)護。

（2）雖鐵路線行車密度較小，但為減少施工對橋梁的影響，施工還應(yīng)盡量在行車間隔中完成。

（3）預(yù)先在橋墩上設(shè)置千斤頂，當(dāng)橋墩沉降大于控制值時，在橋梁支座處墊設(shè)鋼板。若沉降不能通過其他措施解決，則替換橋梁支座。

（4）在1—3號橋墩周邊4 m范圍內(nèi)預(yù)先施做袖閥管。在橋墩周邊2 m范圍內(nèi)預(yù)先注漿加固，其余范圍注漿根據(jù)施工監(jiān)控量測情況確定。加固范圍詳見圖8。

圖8　鐵路橋加固范圍示意圖

3.2洞內(nèi)措施

（1）盾構(gòu)始發(fā)端距離鐵路橋250 m這一段設(shè)為參數(shù)優(yōu)化試驗段，施工時應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、周邊環(huán)境優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)、控制土倉壓力、出土量和掘進速度，減少盾構(gòu)隧道地層體積損失率，以保持開挖面穩(wěn)定，使盾構(gòu)勻速、慢速通過鐵路段。

（2）加強同步注漿和二次補漿。橋墩前后共20環(huán)范圍內(nèi)的注漿采用1∶1的水泥、水玻璃雙液漿。

（3）加強監(jiān)控量測，做到信息化施工。盾構(gòu)施工直至通過后，都要加強對橋梁及橋墩的監(jiān)控量測，區(qū)間隧道過鐵路段前后50 m需加強、加密監(jiān)測，隧道2倍洞徑范圍內(nèi)對橋梁、軌道、路基等項目采用自動化監(jiān)測。

3.3采取施工控制措施后的模擬計算結(jié)果

采取上述措施后，注漿后土體參數(shù)采用表1中注漿加固體的相關(guān)參數(shù)。重新采用上述有限元方法進行計算，結(jié)果如下：左線貫通后，地面最大沉降為3.19 mm，1號橋墩基礎(chǔ)底面沉降為3.62 mm，2號橋墩基礎(chǔ)底面沉降為5.52 mm，3號橋墩基礎(chǔ)底面沉降為0. 42 mm；左右線均貫通后，地面最大沉降為4.35 mm，1號橋墩基礎(chǔ)底面沉降為3.77 mm，2號橋墩基礎(chǔ)底面沉降為7.00 mm，3號橋墩基礎(chǔ)底面沉降為6.40 mm。上述結(jié)果均滿足12.00 mm的控制標準。

4　實測數(shù)據(jù)

施工中對橋梁裂縫、橋墩沉降（測點設(shè)置在墩柱上）、地面沉降、隧道收斂等項目進行了監(jiān)測。監(jiān)測地面沉降時在橫斷面上每隔5～8 m設(shè)置1個測點，共設(shè)置9個測點。橋墩測點設(shè)置于地面位置的橋梁墩柱上，其中2號橋墩設(shè)置測點2個，其他橋墩和橋臺設(shè)置測點1個。采取控制沉降施工措施后，實測地面沉降最大值為8.60 mm；0號橋臺最大沉降為1.00 mm，1號橋墩最大沉降為2.45 mm，2號橋墩2個測點的最大沉降分別為3.15 mm和2.80 mm，3號橋墩最大沉降為2.60 mm，4號橋臺最大沉降為1.40 mm。本區(qū)間左線先施工，右線后施工，左線通過鐵路時間為2014年4月25日，右線通過鐵路時間為2014年5月30日。左右線隧道貫通后隧道的實際沉降槽和2號橋墩的沉降與時間的關(guān)系曲線詳見圖9和圖10。

圖9　實測的隧道沉降槽

5　結(jié)論

目前，下穿鐵路的地鐵區(qū)間已經(jīng)貫通，施工期間鐵路線路運營未受影響，且鐵路橋的后續(xù)沉降基本穩(wěn)定。結(jié)合計算和實測數(shù)據(jù)，總結(jié)此次地鐵盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿淺基礎(chǔ)鐵路橋梁設(shè)計和施工經(jīng)驗如下。（1）比較沉降的計算值和實測值可以看出，地鐵盾構(gòu)下穿鐵路采取的加固土體、加強同步注漿和二次注漿、控制土倉壓力、出土量、掘進速度等控制措施效果明顯，使地面沉降得到了很好的控制。

圖10　2014年某地鐵橋2號橋墩沉降與時間的關(guān)系曲線

（2）盾構(gòu)施工階段引起地面沉降的主要因素是施工導(dǎo)致的地層損失。區(qū)間穿越的地層礫質(zhì)黏土為深圳地層中較好的地層，非常適合復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機的穿越。文獻［4］中提及的深圳不良地層本段均未遇到。設(shè)置250 m的試驗段來不斷優(yōu)化施工技術(shù)參數(shù)是必要的、有效的。

（3）從文獻［3］可以發(fā)現(xiàn)，在peck法計算過程中，i的取值范圍較窄（一般為隧道埋深的0.6～0.8倍），且對計算結(jié)果影響很?。ㄉ舷夼c下限對結(jié)果影響6%左右）；而V1對計算結(jié)果影響較大，且取值范圍很寬。根據(jù)深圳地鐵施工經(jīng)驗，礫質(zhì)黏土和粉土等地層若無地下水和上軟下硬地層的影響，則實際施工過程中的V1較小。根據(jù)實測值反算，V1可以控制在0.18%左右。因此，在利用peck公式計算地面沉降時，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況和施工經(jīng)驗，謹慎選取系數(shù)的數(shù)值方可得到有價值的計算結(jié)果。

（4）通過實測沉降值與時間的關(guān)系曲線可以看出，盾構(gòu)下穿鐵路橋施工期間，地面土體和橋墩經(jīng)歷了盾構(gòu)未到達時穩(wěn)定、盾構(gòu)到達前沉降、盾構(gòu)到達時沉降減小或輕微隆起、盾構(gòu)穿越時沉降、盾構(gòu)穿越后繼續(xù)沉降、后續(xù)穩(wěn)定等幾個過程。盾構(gòu)隧道通過后沉降達到最大值，最后趨于穩(wěn)定。因此，應(yīng)在施工前、施工中、施工后對橋梁進行全過程監(jiān)測。

［1］ 呂培林，周順華.軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2007，28（2）：12.

［2］ 王占生，王夢恕.盾構(gòu)施工對周圍建筑物的安全影響及處理措施［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2002，12（2）：45.

［3］ 韓煊，李寧，STANDING J R.peck公式在我國隧道施工地面變形預(yù)測中的適用分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28（1）：23.

［4］ 劉建國.深圳地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)與經(jīng)驗［J］.隧道建設(shè)，2012，32（1）：72.

［5］ 余才高，韓圣銘.地鐵盾構(gòu)隧道在巖層下穿高速鐵路橋梁時的施工參數(shù)研究［J］.城市軌道交通研究，2015（6）：90.

Influence of Shield Tunnel Crossing under Railway Bridge within Close Distance

Wang Tiguang

Accroding to the engineering of a certain range on Shenzhen Metro Line 7，the settlement of shallow railway bridge foundation crossed by the shield tunnel within close distance is analyzed，in which the classic peck method and finite element method are used.The control measures are introduced，the theoretical value and the actual monitored value of the site construction are compared.The fisibility of the engineering and the setting up of parameter optimization test section are verified.Through summarizing the settlement changes in construction，it is concluded that theselection of peck method shall be cautious and the measured data shall cover the full process of metro engineering.

metro shield-driven construction；crossing underrailway bridge；settlemen influence analysis

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.03.021

（2015-07-04）