盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋梁影響分析

張 列

（中鐵二院工程集團責(zé)任有限公司， 四川 成都 610031）

1 工程概況

廣深港高速鐵路是中國“四縱四橫”客運專線中京廣高鐵至香港延伸線的組成部分，也是珠江三角洲城際快速軌道交通網(wǎng)的骨干部分。其中，深港段設(shè)計速度250km/h。深圳市城市軌道交通6號線支線起點光明，終點為深莞邊界，連接光明中心區(qū)、光明北區(qū)、中山大學(xué)，未來與東莞1號線貫通，支持深莞一體化發(fā)展。6號線支線翠～新區(qū)間受線站位影響，下穿廣深港客專樓村1#特大橋，施工工法經(jīng)綜合比選分析采用盾構(gòu)工法掘進，左右線隧道分別旁穿鐵路橋梁樁基。

2 方案具體設(shè)計

2.1 樓村1#特大橋結(jié)構(gòu)分析

樓村1#特大橋全部位于曲線上，曲線半徑7000m。橋面采用板式無碴軌道、雙線，線間距5.0m。橋梁全長L=2269.41m。簡支箱梁采用高耐久盆式橡膠支座。全橋柱樁的最小嵌巖深度：簡支橋墩臺基礎(chǔ)為1.5m，連續(xù)梁基礎(chǔ)為3.0m。

翠～新區(qū)間盾構(gòu)隧道旁穿樓村1#特大橋30#、31#、32#橋墩。該跨段為簡支箱梁，30#墩采用實心墩、32#墩采用空心墩，31#墩后期變更為實心墩。30#墩高4m，承臺高2m，樁長15m，樁底位于中風(fēng)化花崗巖；31#墩高6.5m，承臺高2m，樁長23.5m，樁底位于中風(fēng)化花崗巖；32#墩高12.5m，承臺高2m，樁長12.5m。根據(jù)橋梁竣工圖資料：橋梁樁基為1m樁徑鉆孔灌注樁，樁端進入中風(fēng)化巖層，為端承樁。

2.2 方案設(shè)計

為控制隧道掘進對鐵路橋梁的影響，翠～新區(qū)間以緩和曲線下穿廣深港，根據(jù)新明醫(yī)院站站位選址及曲線半徑限制，左右線隧道從橋梁31#橋墩兩側(cè)穿越，與鐵路橋梁平面交角約75°，隧道盡量相對于兩側(cè)橋墩居中布置，以控制隧道掘進對橋梁樁基的影響。受制于區(qū)間小里程段高架橋梁上跨規(guī)劃路口標高限制、區(qū)間大里程端下穿大陂河安全距離以及豎曲線變化對新明醫(yī)院站站位標高影響的限制，區(qū)間隧道最大線路縱坡為28‰，最小縱坡為21‰，豎曲線半徑為5000m。

根據(jù)深圳市地鐵公司統(tǒng)一標準，翠～新區(qū)間盾構(gòu)管片內(nèi)徑5500mm，管片厚度350mm，幅寬1500mm。通過優(yōu)化區(qū)間線路設(shè)計，隧道埋深約13.2m，主要位于塊狀強風(fēng)化及中風(fēng)化混合花崗巖層，隧道與樁基平面凈距最小約10.1m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 理論分析

盾構(gòu)施工前地層處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)盾構(gòu)機在土層中推進時，由于摩擦、剪切、擠壓、松動等作用會改變地層中的應(yīng)力分布，打破原有的平衡狀態(tài)，引起周圍的土體產(chǎn)生移動，地表發(fā)生變形。

3.2 計算模型

采用巖土有限元分析軟件Midas/GTS NX建立整體三維模型進行計算分析。模型以廣深港高速鐵路順橋向方向為X軸，以橫橋向方向為Y軸，豎向為Z軸建立模型進行計算分析，為消除模型邊界效應(yīng)，X向取100m，Y向取60m，Z向取為47.5m。方案模型計算采用10節(jié)點四面體單元，共劃分單元582630個，節(jié)點85566個。

本模型的邊界條件如下：模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個方向均約束；模型四個側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。

3.3 計算原則及步驟

（1）計算原則

①數(shù)值模擬計算模型范圍應(yīng)根據(jù)隧道施工的影響范圍、既有高鐵橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作影響范圍，邊界條件不受二者影響的原則確定。

②數(shù)值模擬計算采用的地層力學(xué)參數(shù)應(yīng)符合實際的力學(xué)狀態(tài)。

③數(shù)值模擬計算采用彈塑性分析。

④數(shù)值模擬計算的假定和過程模擬應(yīng)符合實際的施工力學(xué)狀態(tài)和地鐵結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。

（2）計算步驟

為準確模擬盾構(gòu)施工對既有高速鐵路樁基的影響，計算采用動態(tài)模擬的計算方法，主要模擬過程如下：

①獲得初始計算模型（橋樁為既有建筑）；

②盾構(gòu)左右線的分步施工模擬，先開挖左線，再開挖右線。

③對各施工階段的狀態(tài)，有限元分析的表達式為：[K]i{△δ}i={△Fr}i+{△Fg}i+{△Fp}i（i為施工步數(shù)）

盾構(gòu)隧道在計算范圍60m內(nèi)，分10步開挖計算，每次開挖6m，計算過程參照先開挖后加襯砌的施工步驟。

3.4 計算結(jié)果

（1）土體位移分析

根據(jù)隧道周邊地形地貌判別，該處隧道處于小部分偏壓狀態(tài)，偏壓對于右線隧道造成了變形的區(qū)域化分布。掘進完成后，洞內(nèi)圍巖變形規(guī)律是拱頂位置發(fā)生下沉，拱底位置發(fā)生隆起，橫向兩側(cè)向外，在本次模擬中為右線盾構(gòu)施工同樣設(shè)置了注漿加固層。土體拱頂位置下沉最大值為10.13mm，拱底位置隆起最大值為9.38mm，水平向外擴最大值為4.55mm。

（2）樁體位移分析

掘進完成后，31#樁體x向變形最大值為1.87mm，對比樁基變形標準，數(shù)值較小。豎向變形最大處位于32#樁體上部，最大值為0.65mm。樁體差異沉降上，最大值為0.58mm，屬于安全范圍之內(nèi)。

（3）承臺及橋墩位移分析

掘進完成后，x向變形最大值為1.71mm，位于32號橋墩墩頂，y向位移最大值為0.21mm，豎向變形相對比水平向變形變化值較小，三座承臺變形最大值為0.70mm，最大變形位置位于32號承臺靠近盾構(gòu)區(qū)的位置。

（4）樁體附加內(nèi)力分析

掘進完成后，橋樁最大附加彎矩為174kN·m，最大附加軸力為-2212kN。

3.5 小結(jié)

結(jié)合國內(nèi)類似地鐵工程下穿既有鐵路橋梁的成功經(jīng)驗，并參照《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2014）[1]、《鐵路線路修理規(guī)則》（鐵運[2006]146號）、《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》（鐵運[2012]83號）和該盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)情況等文件，本工程盾構(gòu)隧道掘進對鐵路橋梁的影響較小，風(fēng)險可控。

4 施工措施

綜合數(shù)值計算結(jié)果以及地質(zhì)條件等工程環(huán)境，對現(xiàn)場施工提出以下幾方面控制措施：

（1）正式下穿前設(shè)置100m試驗掘進段，以試驗段取得的盾構(gòu)施工參數(shù)指導(dǎo)正式下穿鐵路橋梁施工，可顯著降低工程風(fēng)險。

（2）盾構(gòu)通過前沿橋樁墩臺一周打設(shè)2排袖閥管，間距1m，梅花型布設(shè)，施工期間應(yīng)加強對廣深港客專高架橋的自動化監(jiān)測，及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，必要時跟蹤注漿加固橋樁范圍地層，控制橋梁沉降及變形。

（3）加強盾構(gòu)機選型研究分析，采用重型刀盤，從掘進速度、盾構(gòu)推力、土壓力、出土量、同步注漿和二次補漿等參數(shù)主動控制。

（4）復(fù)合地層施工應(yīng)控制掘進速度，使盾構(gòu)刀具能對下部堅硬巖層進行充分破碎。通過調(diào)整推進油缸區(qū)域壓力差，改變刀盤傾角加大對下部硬巖的切割，抵消上拋力，使得盾構(gòu)能夠按設(shè)計的坡度和軸線掘進。合理利用刀盤邊緣的超挖刀，通過對下部硬巖的適當(dāng)擴挖來抵消上拋力。

（5）采用全自動監(jiān)測技術(shù)，建立安全風(fēng)險分析平臺。通過該平臺將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及時傳輸至控制中心進行分析、上報，并根據(jù)分析結(jié)果采取監(jiān)管、應(yīng)急、防范等措施。

（6）現(xiàn)場準備充足的救援物資儲備，建立值班表和巡視制度，組織相關(guān)施工人員組成工程風(fēng)險控制小組，與鐵路部門密切配合，定期巡視重點部位。

5 結(jié)束語

本工程地質(zhì)條件良好，橋梁結(jié)構(gòu)剛度大，沉降較小，橋梁樁基附加內(nèi)力較小，采用盾構(gòu)法下穿樓村1#特大橋，施工影響可控。雖然計算表明翠～新區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿廣深港的影響在可控范圍之內(nèi)，但現(xiàn)場仍需按照規(guī)范要求安全施工，制定好施工控制措施及安全監(jiān)控。