地鐵盾構(gòu)隧道下穿高鐵橋樁變形控制研究

楊 才

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 5100 101）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，下穿既有鐵路的工程越來(lái)越多。由于盾構(gòu)施工造成的地層損失，不可避免對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，引起土體應(yīng)力狀態(tài)改變，導(dǎo)致地表沉降。目前我國(guó)高鐵速度逐步提升，對(duì)路基及軌道的結(jié)構(gòu)變形控制要求也更為嚴(yán)格。新建地鐵隧道下穿既有鐵路中，為保證鐵路的行車(chē)安全和正常運(yùn)營(yíng)，必須采取合理有效措施減小隧道施工對(duì)既有鐵路的影響，控制路基及軌道變形。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)多個(gè)類(lèi)似工程對(duì)鐵路保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié)；對(duì)地鐵下穿既有鐵路增設(shè)隔離樁防護(hù)措施進(jìn)行有限元建模分析。

1 鐵路保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)研究

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程采取的鐵路保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)查，目前各地主要參照《鐵路線路維修規(guī)則》（鐵運(yùn)［2006］146號(hào)）和《客運(yùn)專(zhuān)線 300～350 k m／h軌道不平順管理值》（鐵道部科技司［2008］65號(hào)），再結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，召開(kāi)設(shè)計(jì)施工專(zhuān)家論證會(huì)，并邀請(qǐng)鐵路相關(guān)部門(mén)參加并提出有關(guān)要求和意見(jiàn)，建議采用相應(yīng)的鐵路保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵在建或已建地鐵下穿既有鐵路的相關(guān)實(shí)例，軌面沉降、鋼軌高差、軌距等指標(biāo)控制值如下。

1）廣州地鐵九號(hào)線廣州北站—花果山公園站區(qū)間下穿武廣客運(yùn)專(zhuān)線、京廣鐵路，軌面沉降值不得超過(guò)10 mm；相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過(guò)8 mm；相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過(guò)6 mm；前后高低（縱向水平）8 mm。

2）天津地鐵9號(hào)線七經(jīng)路站—天津站區(qū)間盾構(gòu)下穿天津站，軌面沉降值不得超過(guò)10 mm；相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過(guò)6 mm；相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過(guò)6 mm；前后高低（縱向水平）6 mm。

3）廣州市軌道交通3號(hào)線［天—華區(qū)間］下穿廣深鐵路，軌面沉降值不得超過(guò)6 mm；相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過(guò)6 mm；相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過(guò)5 mm。

4）蘇州5號(hào)線穿越滬寧城際高鐵與滬寧普速鐵路，無(wú)砟軌道高速鐵路線控制值為隆起0、沉降8 mm；其他區(qū)段沉降控制值為15 mm。

5）上海市軌道交通9號(hào)線一期工程R 413標(biāo)段盾構(gòu)隧道（九亭站—七寶區(qū)間）下穿滬寧鐵路，路基段保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為沉降＜15 mm。

綜上所述，新建隧道的施工不可避免地將對(duì)鐵路橋梁帶來(lái)一定影響，為了保證高鐵的安全運(yùn)營(yíng)，并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)定，建議的控制標(biāo)準(zhǔn)如下。

1）無(wú)砟軌道高速鐵路線控制值為隆起0、沉降8 mm。

2）普速鐵路區(qū)段沉降控制值為15 mm。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

杭州地鐵4號(hào)線二期工程杭鋼站—拱康路站區(qū)間線路出杭鋼站后，下穿寧杭高鐵（高架段）。地鐵隧道采用土壓平衡盾構(gòu)施工，隧道外徑為6200 mm，隧道內(nèi)徑5500 mm，采用350 mm厚鋼筋混凝土管片。盾構(gòu)隧道采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)＋左、右轉(zhuǎn)彎環(huán)襯砌環(huán)形式，管片為錯(cuò)縫拼裝。

杭鋼站—拱康路站區(qū)間里程 K 37＋100．000—K 37＋130．000段下穿寧杭高鐵（高架段），下穿段寬約17 m，下穿段為高架段。地鐵隧道與寧杭高鐵（高架段）近似90°夾角相交。高架段基礎(chǔ)采用承臺(tái)基礎(chǔ)＋12根樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)為φ 1000 mm鉆孔灌注樁，樁頂標(biāo)高 0．000 m，樁底標(biāo)高 －47．000 m。擬建隧道下穿段左線與樁基最小距離為6．8 m，右線與樁基最小距離為6．4 m。隧道下穿寧杭高鐵剖面關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道下穿高鐵剖面

2.2 下穿寧杭高鐵加固方案設(shè)計(jì)

為減少隧道施工對(duì)鐵路的影響，杭州地鐵4號(hào)線正線穿越寧杭高鐵，高速鐵路橋梁為簡(jiǎn)支梁橋，盡量避免雙洞隧道在橋梁同跨穿越，并優(yōu)先采用較小斷面。高速鐵路安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)采取加強(qiáng)措施，變形縫應(yīng)避免設(shè)置在高速鐵路橋梁投影線范圍內(nèi)。隧道結(jié)構(gòu)與橋墩樁基的最小凈距不小于1．0倍隧道寬度；隧道增設(shè)隔離樁防護(hù)措施，并設(shè)置1000 mm×800 mm混凝土冠梁及600 mm×800 mm框架混凝土支撐；隔離樁內(nèi)的土體進(jìn)行加固處理。隔離樁采用φ 800 mm＠1000 mm鉆孔灌注樁，樁與隧道結(jié)構(gòu)間的凈距采用1．0 m，隔離樁沿隧道掘進(jìn)方向的設(shè)置范圍超出承臺(tái)兩端各1．5倍隧道寬度，取40 m。

3 盾構(gòu)下穿對(duì)寧杭高鐵影響分析

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)杭州4號(hào)線二期區(qū)間與寧杭高鐵的相對(duì)位置關(guān)系，使用PLAXIS-2D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，土體選用M-C彈塑性模型，結(jié)構(gòu)選用彈性本構(gòu)模型模擬。

1）將土層簡(jiǎn)化為水平層狀分布的彈塑性材料。本構(gòu)模型采用M-C彈塑性模型。M-C彈塑性模型在數(shù)值計(jì)算中效果較好，并能較好地描述巖土材料的破壞行為，在巖土領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。

2）土體、橋梁結(jié)構(gòu)等采用二維實(shí)體單元模擬，樁基采用梁?jiǎn)卧M。

3）模型底部約束水平和豎直方向變形；模型兩側(cè)約束水平變形，豎直方向變形不約束。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析，所取土體范圍為200 m×80 m（長(zhǎng) ×高），在此區(qū)域模擬盾構(gòu)掘進(jìn)，計(jì)算模型如圖2所示。計(jì)算分為5個(gè)施工工序：工況1：初始地應(yīng)力平衡→工況2：建筑物→工況3：隔離樁＋支撐體系→工況4：隧道開(kāi)挖→工況5：注漿加固→工況6：管片襯砌。

圖2 二維整體分析模型

3.2 計(jì)算結(jié)果

1）不采用隔離樁＋框架支撐結(jié)構(gòu)防護(hù)體系通過(guò)計(jì)算得到橋臺(tái)墩頂位移云圖如圖3所示。由結(jié)果可知，橋臺(tái)最大水平位移5．44 mm，橋臺(tái)最大豎向位移 8．18 mm。

2）采用隔離樁＋框架支撐防護(hù)體系 通過(guò)計(jì)算得到橋臺(tái)墩頂位移云圖如圖4所示。由此可知，采用隔離樁＋框架支撐防護(hù)體系加固后橋臺(tái)最大水平位移0．53 mm，橋臺(tái)最大豎向位移0．46 mm。

圖3 橋臺(tái)墩頂位移云圖

圖4 橋臺(tái)墩頂位移云圖

因此，增設(shè)隔離樁防護(hù)措施，并設(shè)置混凝土冠梁及框架支撐后，橋臺(tái)的最大水平位移和豎向位移均比未設(shè)置隔離樁減小，滿足無(wú)砟軌道高速鐵路線控制值為隆起0、沉降8 mm的限值要求。隔離樁主要起3方面作用。

1）當(dāng)盾構(gòu)隧道施工時(shí)，影響范圍內(nèi)的土體向隧道方向發(fā)生位移，此時(shí)隔離樁起到一定的擋土和隔斷作用，從而限制土體及橋樁的水平變形。

2）盾構(gòu)隧道施工時(shí)，影響范圍內(nèi)的土體除了向隧道側(cè)的水平位移外，土體還會(huì)發(fā)生豎向沉降，隔離樁承擔(dān)土體由于沉降傳遞過(guò)來(lái)的摩擦力，限制樁外土體的豎向沉降，將樁內(nèi)外的豎向沉降隔斷。

3）如果在隧道周?chē)行溟y管注漿的情況時(shí)隔離樁能保證袖閥管注漿效果，同時(shí)可減小袖閥管注漿過(guò)程中對(duì)橋樁的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)實(shí)例分析可得出，增設(shè)隔離樁并設(shè)置混凝土冠梁及框架支撐對(duì)隔離樁內(nèi)的土體進(jìn)行加固處理，能減小盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)馏w擾動(dòng)，有效控制既有鐵路軌道的結(jié)構(gòu)變形。

2）隧道下穿既有高鐵線路，沉降值應(yīng)控制在鐵路建議保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。除增設(shè)隔離樁防護(hù)措施外，還應(yīng)采取以下措施：①優(yōu)化線路平縱斷面，盾構(gòu)盡量偏離鐵路樁基礎(chǔ)，減小盾構(gòu)對(duì)鐵路沉降的影響；②樁基周?chē)馏w采取有效的加固補(bǔ)強(qiáng)措施；③采用同步注漿，減少盾尾通過(guò)后隧道外周?chē)纬傻目障?，減少隧道周?chē)馏w的水平位移及因此而產(chǎn)生的對(duì)樁基的負(fù)摩阻力，控制樁基水平、垂直位移；④加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，采取相應(yīng)措施，包括對(duì)建（構(gòu)）筑物的變形、沉降的監(jiān)測(cè)。

3）以通過(guò)鐵路之前的100 m區(qū)段作為盾構(gòu)施工試驗(yàn)段，不斷優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)控制地表變形，減少對(duì)鐵路影響，根據(jù)正面土壓力，緊密結(jié)合地表變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，將施工后地表變形量控制在最小范圍內(nèi)。根據(jù)地層情況合理制定施工參數(shù)，確保開(kāi)挖面的土壓力平衡，減少開(kāi)挖面土體的坍塌、變形及土層損失。