盾構(gòu)隧道下穿高鐵橋梁安全影響分析

楊 喜，朱 穎

(1.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 510010； 2.鄭州市軌道交通有限公司， 河南 鄭州 450000)

隨著國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中四縱四橫鐵路快速客運通道逐步建設(shè)完成，客運專線已成為主要城市之間的重要運輸通道。同時隨著經(jīng)濟和城市建設(shè)的發(fā)展，各地主要城市均在大規(guī)模修建地鐵，不可避免鐵路客運專線與城軌交通交叉的工程實例漸多。

現(xiàn)已完成下穿客專橋梁實例的有天津濱海B1線隧道下穿津秦客專橋梁、廣佛環(huán)線隧道下穿廣州南站橋梁、北京地鐵10號線隧道下穿京滬高鐵橋梁、南京城軌線隧道下穿京滬高鐵橋梁、杭州地鐵1號線隧道下穿滬杭高鐵高架橋、蘇州軌道交通2號線隧道下穿滬寧城際高速鐵路等。

在盾構(gòu)隧道下穿客專橋梁方面，賈大鵬等[1]、舒暢等[2]、李吉林[3]對盾構(gòu)隧道下穿高鐵橋梁工程實例中均推薦設(shè)置隔離樁，在采用了隔離樁后墩臺監(jiān)測變形量均較小。李波[4]對比分析了南京城軌線盾構(gòu)隧道近距離下穿京滬高鐵橋梁樁基案例中隧道盾構(gòu)施工與隔離樁施工時對既有橋梁樁基的影響，采用隔離樁主動防護技術(shù),極大減少了盾構(gòu)隧道對橋梁樁基的擾動作用，同時隔離樁的施作相較隧道掘進(jìn)對樁基的影響更小。 吳義明[5]對杭州地鐵1號線盾構(gòu)隧道先后近距離側(cè)穿滬杭高鐵高架橋(水平凈距離為5.2 m～6.2 m)，預(yù)先在隧道與被穿越高鐵橋墩間打設(shè)圍護樁。在采用了隔離樁后墩臺監(jiān)測最大累計變形量為1.2 mm。陳海豐等[6]對蘇州軌道交通2號線盾構(gòu)下穿滬寧城際高速鐵路工程提出“分區(qū)注漿+板樁隔離”保護體系，盾構(gòu)實施后橋梁最大累計沉降量-1.2 mm。趙麗雅等[7]對福州地鐵2號線隧道下穿鐵路工程，對下穿段的土體采取注漿加固措施后，盾構(gòu)隧道施工對既有鐵路造成的不均勻沉降得到有效的控制。楊俊等[8]對蘭州地鐵盾構(gòu)隧道穿越橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行超前噴漿加固,研究表明注漿加固方法對減小不均勻沉降及盾構(gòu)施工擾動具有明顯效果。

近年來，相關(guān)工程實例針對客專橋梁結(jié)構(gòu)變形控制要求高，工程實例中大多推薦區(qū)間左右線隧道分開下穿相鄰橋跨，以增加隧道與樁基之間的凈距，對于不同的平面交叉關(guān)系、地層、區(qū)間左右線間距等采用了相對安全的土體加固、隔離措施，均達(dá)到了較為理想的效果。

隧道近距離下穿橋梁，施工過程中難免會對橋梁樁基造成一定的影響，進(jìn)而影響到橋梁上部結(jié)構(gòu)的變形，尤其是反映到橋面軌道結(jié)構(gòu)上，加之高速鐵路無砟軌道變形要求嚴(yán)格，行車安全和舒適度要求高。本文通過對鄭州地鐵2號線盾構(gòu)隧道下穿鄭西高鐵橋梁工程實例，在鄭州典型的粉質(zhì)黏土、粉土地層中，對盾構(gòu)施工過程中橋梁承臺內(nèi)力及變形、樁側(cè)摩阻力及內(nèi)力變化、上部結(jié)構(gòu)的變形、下穿前后橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計控制參數(shù)的變化，以及施工完成后的橋梁承臺監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算分析進(jìn)行對比，以期對類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 高鐵橋梁與隧道之間空間關(guān)系

區(qū)間線路與橋梁正交，左右線雙線隧道各穿一橋跨，隧道線間距為36 m。隧道采用兩臺中鐵裝備生產(chǎn)的CTE6250復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機進(jìn)行掘進(jìn)，結(jié)構(gòu)形式為圓形隧道，管片采用6塊分塊，外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，厚度0.3 m，寬度1.5 m，錯縫拼裝。

區(qū)間左右線分別下穿高架橋0#—1#、1#—2#橋跨，區(qū)間隧道在下穿高鐵橋處覆土約13 m，隧道外側(cè)與樁外側(cè)水平距離為11.1 m～11.3 m。

區(qū)間隧道、橋梁空間關(guān)系見圖1。

圖1隧道與橋梁關(guān)系圖(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

隧道下穿處位于黃河沖洪積平原二級階地，地下水位于地面以下16 m～17 m，為孔隙潛水，交叉處地層依次為粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土層。場地土層為不液化或可不考慮液化影響。計算分析按現(xiàn)地勘土體參數(shù)及水位。

1.3 高鐵橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

鄭西客運專線設(shè)計速度350 km/h，為雙線鐵路，線間距5.0 m。

隧道下穿處為鄭西客?？缒纤闭{(diào)總干渠特大橋，橋梁為32 m跨無碴軌道后張法簡支箱梁，軌道形式為CRTSⅡ型板式無碴軌道，該處線路位于平坡，半徑R=6 000 m緩和曲線上。樁基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，樁間距2.8 m。承臺尺寸為10.5 m×5.6 m×2.0 m(長×寬×高)。高鐵橋橋墩及基礎(chǔ)基本情況見表1。

橋梁主梁、墊石為C50混凝土，承臺、橋墩、橋臺、樁基礎(chǔ)為C35混凝土。

1.4 高鐵橋梁變形控制指標(biāo)

鄭西客運專線橋梁變形按照《高速鐵路設(shè)計規(guī)范)》[9](TB 10621—2009)、《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[10](TB 10002.1—2005)中要求進(jìn)行控制，主要控制內(nèi)容為：

(1) 墩頂橫向水平位移引起的梁端水平折角應(yīng)≤1.0‰弧度。

(3) 對于簡支梁、無砟軌道，墩臺工后均勻總沉降≤20 mm，相鄰墩臺最終沉降差≤5 mm。

(4) 墩臺頂部縱向水平線剛度(32 m跨)應(yīng)>350 kN/cm。

2 施工影響分析

2.1 建模及參數(shù)選取

根據(jù)工程相互關(guān)系，采用ABAQUS計算軟件對施工階段進(jìn)行模擬，主要分析隧道施工對群樁基礎(chǔ)的變形影響，應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)理論采用Mohr-Coulomb 線彈塑性模型。模型中根據(jù)勘察地層設(shè)置隧道周邊土層，各個部分的材料參數(shù)見表2。其中考慮襯砌連接的不連續(xù)性，將襯砌的彈性模量按0.15 進(jìn)行折減，橋臺以上結(jié)構(gòu)作為荷載計算。幾何模型如圖2所示。

表2 材料參數(shù)表

圖2整體模型圖

設(shè)計活載:列車豎向荷載采用ZK荷載，其圖式見圖3。

(a) 標(biāo)準(zhǔn)活載圖式(一) (b)標(biāo)準(zhǔn)活載圖式(二)

圖3 ZK活載圖式

群樁基礎(chǔ)的承臺頂面荷載分布見表3，其中X向為順橋方向，Y向為平面垂直線路方向，Z向豎直方向。采用不利的重型荷載組合(設(shè)備及梁重+離心力+雙孔重載+列車橫向搖擺力)。

表3 橋梁承臺頂面荷載

2.2 施工過程模擬

模擬步驟：(1) 初始地應(yīng)力場平衡；(2) 施加承臺頂面荷載；(3) 隧道掘進(jìn)，分盾構(gòu)掘進(jìn)開挖、管片拼裝、同步注漿三個階段。

首先將盾構(gòu)機掘進(jìn)后的一環(huán)土體單元去除，激活管片混凝土材料。同步注漿通過設(shè)置10 cm厚的等代層來模擬漿體材料。

盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)的過程是地層損失發(fā)生并對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響的過程，該過程引起土層變形的原因是多方面的，如按照擾動原因進(jìn)行相應(yīng)的分析是非常困難及復(fù)雜的，因而，根據(jù)已有施工經(jīng)驗的總結(jié)和反饋分析，本次計算采用0.5%地層損失率計算出綜合地層損失。

另外，對開挖面施加均布荷載以模擬刀盤頂推力，樁土間摩擦效應(yīng)考慮設(shè)置接觸單元(見圖4)。

隧道掘進(jìn)工序為先施工左線隧道，后施工右線隧道。

圖4承臺樁基布置圖(單位：m)

2.3 區(qū)間左線隧道施工影響分析

2.3.1 承臺變形分析

總體而言，根據(jù)樁基與隧道之間的空間關(guān)系，平面凈距相對較大，區(qū)間左線施工后，隧道兩側(cè)0#、1#承臺受到的擾動較小，且由于中間樁基的隔斷，2#承臺受到的擾動可忽略。

區(qū)間左線施工完成后，左側(cè)0#承臺的1號、2號角點X向位移最大約為0.82 mm，3號、4號角點X向位移最大約為0.78 mm。右側(cè)1#承臺的1號、2號角點X向位移最大約為0.54 mm，3號、4號角點X向位移最大約為0.50 mm。

隨著隧道的掘進(jìn)，0#和1#承臺Y向位移先增加后減小。0#承臺4個角點Y向位移最大約為0.17 mm。1#承臺的4個角點Y向位移最大約為0.15 mm。

對于Z向位移，0#承臺1號、2號角點Z向最大位移約為-0.37 mm，3號、4號角點Z向最大位移約為-0.35 mm。承臺的沉降差為0.02 mm，轉(zhuǎn)角為0.0002°。1#承臺1號、2號角點Z向最大位移約為-0.36 mm，3號、4號角點Z向最大位移約為-0.35 mm。承臺的沉降差為0.01 mm，轉(zhuǎn)角為0.0001°。承臺沉降最大值約為-0.4 mm，轉(zhuǎn)角最大約為0.0002°，左線隧道兩側(cè)的承臺沉降差為0.02 mm。

2.3.2 承臺內(nèi)力、樁側(cè)摩阻力及樁身軸力變化

圖5—圖8為區(qū)間左線隧道施工時樁側(cè)摩阻力及樁身軸力變化圖。左側(cè)隧道開挖時，在隧道中心線上下一定范圍內(nèi)的土體由于開挖卸載的影響，樁側(cè)摩阻力會有局部下降，而在隧道下部由于土體卸載回彈的影響，樁側(cè)摩阻力有少量的增大，但數(shù)值均很小，減小值最大約1.2 kPa，增加值約為0.4 kPa。樁身軸力變化較小，開挖會引起樁身軸力有所增加，變化趨勢為先增大后減小，在樁長25 m左右最大，為52 kN。

圖5 0#墩樁側(cè)摩阻力分布及變化圖(左線施工)

對于承臺受力，內(nèi)力控制截面為XY截面Z向壓力，在左線隧道掘進(jìn)后0#承臺變化量為0.14%，1#承臺變化量為1.1%；彎矩控制截面為YZ截面Y向彎矩，0#承臺變化量為-2.4%，1#承臺變化量為-7.6%，由此可見隧道掘進(jìn)引起的承臺內(nèi)力變化較小。

圖6 0#墩樁身軸力分布及變化圖(左線施工)

圖7 1#墩樁側(cè)摩阻力分布及變化圖(左線施工)

圖8 1#墩樁身軸力分布及變化圖(左線施工)

2.4 區(qū)間右線施工影響分析

2.4.1 承臺及地表變形

與左線隧道施工相似，在樁基與隧道之間的空間關(guān)系中，平面凈距相對較大，右線隧道兩側(cè)的承臺受到的擾動也較小，且由于中間樁基的隔斷，0#承臺受到的二次擾動可忽略。

左線隧道掘進(jìn)后，1#承臺向左線隧道方向發(fā)生少量的位移，右側(cè)隧道開挖時1#承臺X向的位移方向與左側(cè)隧道開挖時相反，在隧道開挖結(jié)束時，1#承臺的1號、2號角點最大位移約只有0.09 mm，3號、4號角點X向最大位移只有0.08 mm。2#承臺的1號、2號角點X向最大位移約為-0.84 mm，3號、4號角點X向最大位移約為-0.79 mm。

隨著右線隧道的掘進(jìn)，1#和2#承臺Y向位移同樣也先增加后減小，1#承臺4個角點Y向位移最大為0.20 mm。2#承臺4個角點Y向位移最大為0.16 mm。

對于Z向位移，1#承臺1號、2號角Z向最大位移約為-0.76 mm，3號、4號角點Z向位移最大為-0.80 mm，沉降差為0.04 mm，轉(zhuǎn)角為0.0004°。2#承臺1號、2號角Z向最大位移為-0.33 mm，3號、4號角點Z向最大位移為-0.32 mm。沉降差為0.01 mm，轉(zhuǎn)角為0.0001°。

2.4.2 承臺內(nèi)力、樁側(cè)摩阻力及樁身軸力變化

圖9—圖12為區(qū)間右線施工時樁側(cè)摩阻力及樁身軸力變化圖。右側(cè)隧道開挖時，同樣在隧道中心線上下一定范圍內(nèi)的土體由于開挖卸載的影響，樁側(cè)摩阻力會有局部下降，而在隧道下部由于土體卸載回彈的影響，樁側(cè)摩阻力有少量的增大，但數(shù)值均較小。由于左側(cè)隧道和右側(cè)隧道開挖對1#墩都有一定的影響，因此，右線隧道掘進(jìn)時1#墩樁側(cè)摩阻力減小最大值達(dá)到約-1.6 kPa左右，而下部增大最大值為0.6 kPa左右。與左線隧道掘進(jìn)時類似，樁身軸力變化不大，開挖會引起樁身軸力有所增加，變化趨勢為先增大后減小，在樁長25 m左右最大，為80 kN。

對于右線隧道開挖后的承臺受力，與左線類似，內(nèi)力控制截面為XY截面Z向壓力，在右線隧道掘進(jìn)后1#承臺變化量為-6.8%，2#承臺變化量為0.66%；彎矩控制截面為YZ截面Y向彎矩，1#承臺變化量為6.04%，2#承臺變化量為-2.46%，由此可見隧道掘進(jìn)引起的承臺內(nèi)力同樣變化較小。

圖9 1#墩樁側(cè)摩阻力分布及變化圖(右線施工)

圖10 1#墩樁身軸力分布及變化圖(右線施工)

圖11 2#墩樁側(cè)摩阻力分布及變化圖(右線施工)

3 盾構(gòu)施工對橋墩及上部結(jié)構(gòu)的影響

3.1 墩頂變形及梁端折角計算

由于承臺為較大體積的鋼筋混凝土構(gòu)件，按剛性構(gòu)件考慮，將承臺四角對應(yīng)的變形換算至承臺中心位置的變形，對DX、DY、DZ進(jìn)行合成傳遞至承臺中心O點，最終反映到承臺表面中心有：DX、DY、DZ三個方向的位移，和繞X軸的轉(zhuǎn)角RX、繞Y軸轉(zhuǎn)角RY。

圖12 3#墩樁身軸力分布及變化圖(右線施工)

橋墩和承臺連接可以看成剛接，通過剛體位移計算，盾構(gòu)隧道施工對橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響可由承臺中心轉(zhuǎn)移至墩頂中心，進(jìn)而傳遞到梁部及軌道結(jié)構(gòu)上。

3.2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)2.3、2.4節(jié)中承臺角點位移及轉(zhuǎn)角值，經(jīng)3.1節(jié)中計算原則計算，橋墩頂最大沉降0.78 mm，最大橫向位移0.19 mm、縱向最大位移0.83 mm，梁端水平折角最大為0.006‰，對上部結(jié)構(gòu)影響較小，均滿足1.4節(jié)中控制變形指標(biāo)。

4 橋梁設(shè)計參數(shù)下穿前后計算、監(jiān)測對比分析

現(xiàn)區(qū)間已完成穿越，根據(jù)施工過程中和后續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，0#承臺角點最大累積沉降-3.4 mm，1#承臺角點最大累積沉降-1.6 mm，2#承臺角點最大累積沉降-2.1 mm，最大差異沉降3.4 mm，滿足控制要求。

表4 0#、1#、2#墩影響前后設(shè)計參數(shù)對比表

5 結(jié)論與討論

對于已有下穿橋梁經(jīng)驗，在不同的地層及空間關(guān)系下，采取下穿的主要輔助措施如下：

(1) 預(yù)先加固盾構(gòu)隧道周圍的土體，減小掘進(jìn)過程中拱頂松弛和擾動，控制地層變形。

(2) 在構(gòu)筑物和盾構(gòu)隧道之間設(shè)置隔離帷幕排樁，隔離因盾構(gòu)隧道掘進(jìn)而引起的地基變形。

(3) 加固構(gòu)筑物的地基及周邊土體，提高地基強度、承載力以及抗變形能力。

(4) 采取洞內(nèi)加固措施，加強盾構(gòu)隧道同步注漿及二次注漿。

本次對區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法下穿客運專線橋梁進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，計算結(jié)果顯示隧道施工對橋梁結(jié)構(gòu)控制參數(shù)影響較小，推薦較為經(jīng)濟的加強隧道內(nèi)注漿方案。在實際施工過程中距橋梁樁基150 m范圍進(jìn)行類似地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗優(yōu)化各項施工參數(shù)，并對盾構(gòu)隧道同步注漿量及注漿壓力進(jìn)行合理控制，并及時進(jìn)行二次注漿，較好的控制了橋梁樁基及上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形。