橋梁施工對(duì)既有鐵路隧道的影響分析

冷舉良

（中交城市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430000）

1 工程概況

該工程位于武漢市，為軌道交通5 號(hào)線，南起南三環(huán)，北至武漢火車站，線路主要沿烽勝路等路段至終點(diǎn)站武漢火車站。線路全長(zhǎng)32.3km，設(shè)站26 座，共6座高架，20 座地下車站。

2 橋梁施工對(duì)既有鐵路隧道的影響

2.1 計(jì)算模型

此次評(píng)估采用MIDAS GTS NX 軟件，地鐵盾構(gòu)隧道管片混凝土等級(jí)為C50，管片環(huán)寬1.5m，內(nèi)直徑5.5m，外直徑6.2m，厚度為0.35m，采用板單元模擬，構(gòu)模型為彈性模型，長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)管片混凝土等級(jí)為C50，內(nèi)直徑10m，外直徑11m，厚度為0.5m，采用板單元模擬，本構(gòu)模型為彈性模型，整體三維模型如圖1、2所示。

圖1 整體有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

長(zhǎng)江隧道與5 號(hào)線隧道的盾構(gòu)管片C50 混凝土以及長(zhǎng)江隧道上部的加固區(qū)土體采用彈性模型模擬，混凝土材料參數(shù)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）選取，土層材料參數(shù)根據(jù)《武漢市軌道交通5 號(hào)線新生路站-三角路站區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告》（簡(jiǎn)稱《報(bào)告》）選取，詳見表1。

圖2 盾構(gòu)機(jī)停留長(zhǎng)江隧道上方有限元模型

表1 彈性模型材料參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

地鐵開挖工況具體的模擬過(guò)程如表2所示。

表2 地鐵開挖工況計(jì)算步序

2.4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)地層整體變形云圖可以看出，土層整體變形的最大位置出現(xiàn)在地鐵隧道上部土體加固區(qū)域的兩側(cè)。右線盾構(gòu)隧道開挖并施做管片完畢后，土體最大沉降為16.32mm；左線盾構(gòu)隧道開挖并施做管片完畢后，土體最大沉降為22.39mm。由以上計(jì)算結(jié)果可知，地鐵隧道施工引起的地層沉降小于道路路基變形的控制值，滿足道路路基變形要求[1]。由長(zhǎng)江隧道變形云圖可以看出，地層加固完成后，長(zhǎng)江隧道出現(xiàn)沉降，最大沉降為4.50mm；右線盾構(gòu)隧道開挖并施做管片完畢后，長(zhǎng)江隧道由于上方卸載呈現(xiàn)上浮，最大上浮為1.01mm；左線盾構(gòu)隧道開挖并施做管片完畢后，長(zhǎng)江隧道最大上浮為4.88mm，見圖3。

圖3 地層整體豎向位移云圖

3 安全保護(hù)方案及應(yīng)急預(yù)案

3.1 施工期安全保護(hù)措施的建議

3.1.1 在上跨段進(jìn)行土體加固

區(qū)間上跨武漢長(zhǎng)江隧道段，采取地面單管高壓旋噴樁加固，加固平面范圍為盾構(gòu)隧道外緣3m 內(nèi)，加固深度至長(zhǎng)江隧道頂，不小于1m。

3.1.2 盾構(gòu)管片增設(shè)注漿孔，確保盾構(gòu)背后間隙填充密實(shí)。

3.1.3 辦理相關(guān)手續(xù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)情況及管線進(jìn)行調(diào)查。

3.1.4 上穿前，將一定長(zhǎng)度隧道作為試驗(yàn)段，為后期盾構(gòu)上穿隧道提供合理的掘進(jìn)參數(shù)。

3.1.5 在穿越前對(duì)盾構(gòu)主機(jī)及配套設(shè)施進(jìn)行全面檢查及維護(hù)，避免在長(zhǎng)江隧道上方停頓[2]。

3.1.6 上穿前，核實(shí)現(xiàn)場(chǎng)管線，并根據(jù)制定的方案進(jìn)行管線保護(hù)。

3.1.7 根據(jù)試驗(yàn)段的掘進(jìn)情況，選取合適的掘進(jìn)參數(shù)。

《報(bào)告》中的安全保護(hù)措施總體可行，但是對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問題和施工管理措施來(lái)說(shuō)，內(nèi)容不夠全面。此次評(píng)估從施工控制措施和施工管理兩方面，建議補(bǔ)充下列安全保護(hù)措施。

3.1.8 工程控制措施

（1）建議增加超前探測(cè)系統(tǒng)，在盾構(gòu)機(jī)保持持續(xù)掘進(jìn)的狀態(tài)下，對(duì)掘進(jìn)前方進(jìn)行實(shí)時(shí)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，同時(shí)搜集地層數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行評(píng)估和處理。

（2）應(yīng)做好盾構(gòu)注漿作業(yè)?？刂坪猛阶{漿液的凝膠時(shí)間，及時(shí)跟進(jìn)二次注漿；做好盾構(gòu)區(qū)間的背后填充漿液選擇，建議選擇惰性漿液，在施工設(shè)計(jì)中對(duì)漿液配比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，確保填充密實(shí)；增加同步注漿管的數(shù)量。

（3）過(guò)上穿段，進(jìn)行區(qū)間掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)注意盾構(gòu)掘進(jìn)速度、姿態(tài)控制。保證盾構(gòu)均衡、勻速推進(jìn)及連續(xù)性施工，杜絕盾構(gòu)停滯，同時(shí)控制糾偏幅度，糾偏時(shí)應(yīng)盡量均勻、穩(wěn)定，減少盾構(gòu)對(duì)土體的擾動(dòng)，減少對(duì)長(zhǎng)江隧道的影響。

（4）在進(jìn)行盾構(gòu)區(qū)間上穿長(zhǎng)江隧道施工時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注土倉(cāng)壓力、注漿壓力等，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

（5）應(yīng)注意盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的選擇。可參考類似地層，在到達(dá)上穿段前提前施做試驗(yàn)段，模擬上穿段掘進(jìn)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選擇合適的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，確保盾構(gòu)上穿風(fēng)險(xiǎn)源的順利實(shí)施。

3.1.9 施工管理

（1）做好施工交底，進(jìn)一步細(xì)化施工組織，做好人員、材料、機(jī)械的配置，做到科學(xué)組織，精心施工。

（2）針對(duì)沉降變形超限、盾構(gòu)機(jī)故障、遇見未知障礙物、漏漿或漏水等不同的施工風(fēng)險(xiǎn)，制定有針對(duì)性的應(yīng)急預(yù)案。

（3）穿長(zhǎng)江隧道作業(yè)前，必須構(gòu)建出與之相對(duì)應(yīng)的進(jìn)度計(jì)劃，且要在第一時(shí)間上報(bào)，并要得到上級(jí)部門的批準(zhǔn)。

（4）應(yīng)協(xié)調(diào)經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行全經(jīng)過(guò)程跟蹤，并對(duì)所獲取的信息展開研判。對(duì)于不同環(huán)節(jié)的工作，應(yīng)展開有效監(jiān)測(cè)，從而獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

（5）展開盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程中，若存在變形較大的問題，那么應(yīng)該在第一時(shí)間停止施工，并匯報(bào)上級(jí)單位。

（6）推進(jìn)作業(yè)前，務(wù)必實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)的調(diào)試，保障盾構(gòu)性能，還應(yīng)配備一定數(shù)量的值班員，確保能夠在第一時(shí)間處理設(shè)施問題，保障盾構(gòu)的有序推進(jìn)。

3.2 鋪軌及機(jī)電安裝期間安全保護(hù)措施的建議

3.2.1 為減小地鐵列車振動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江隧道的影響，建議地鐵隧道采取合理的隔振、減振措施，如采用適當(dāng)?shù)膹椥钥奂蜍壍罍p振器。

3.2.2 地鐵區(qū)間一般采用無(wú)縫線路，即把普通鋼軌焊接起來(lái)，不留軌縫。國(guó)內(nèi)鋼軌標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度有12.5m和25m 兩種，在焊接鋼軌時(shí)，每根鋼軌的長(zhǎng)度必須大于200m。由于軌縫處受列車沖擊力較大，因而建議在長(zhǎng)江隧道上方區(qū)域不設(shè)置軌縫。此外，焊縫的焊接質(zhì)量也影響著車輪通過(guò)焊縫時(shí)的附加動(dòng)壓力，所以建議鋪軌期間嚴(yán)格控制焊縫的焊接質(zhì)量。

3.2.3 地鐵鋪軌及機(jī)電安裝期間，應(yīng)保持對(duì)長(zhǎng)江隧道的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，防止鋪軌或機(jī)電安裝施工對(duì)長(zhǎng)江隧道造成影響。

3.2.4 加強(qiáng)鋪軌及機(jī)電安裝期間的安全風(fēng)險(xiǎn)管控措施，防止動(dòng)火作業(yè)、作業(yè)人員抽煙引起的火災(zāi)及電氣火災(zāi)。

3.3 施工監(jiān)測(cè)方案的建議

3.3.1 5 號(hào)線盾構(gòu)隧道的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：隧道拱頂沉降和管片襯砌變形。

3.3.2 長(zhǎng)江隧道煙道板上布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移，該點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)判斷由于地鐵隧道施工引起的長(zhǎng)江隧道結(jié)構(gòu)變形，參考性不強(qiáng)。

3.3.3 三級(jí)預(yù)警狀態(tài)的判定指標(biāo)偏寬松，建議提高判定指標(biāo)。

3.3.4 應(yīng)根據(jù)不同的變形控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)動(dòng)態(tài)管理，建議按照可正常施工、密切關(guān)注加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、采取加強(qiáng)支護(hù)這三種施工狀態(tài)，設(shè)置各級(jí)管理的限值，制定上報(bào)制度和處理方案。

3.3.5 建議采用全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采取綜合預(yù)警預(yù)控措施，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與盾構(gòu)推進(jìn)操作平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，將獲取的數(shù)據(jù)第一時(shí)間進(jìn)行傳送，由此達(dá)成信息的有效溝通。施工中出現(xiàn)問題應(yīng)立即處理，防止盾構(gòu)穿越過(guò)程中發(fā)生突然變化，給隧道帶來(lái)不良影響。

3.3.6 做好施工監(jiān)測(cè)的聯(lián)動(dòng)。長(zhǎng)江隧道的運(yùn)營(yíng)單位、政府部門、業(yè)主、承包商、設(shè)計(jì)單位等應(yīng)組成聯(lián)合工作小組，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)分析和處理。

3.3.7 在進(jìn)行隧道施工作業(yè)時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)地表沉降的有效監(jiān)測(cè)，第一時(shí)間反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果，以便工作人員能夠更好地掌握相關(guān)信息，并結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，確保沉降處于受控狀態(tài)。

3.4 運(yùn)營(yíng)期間安全保護(hù)措施的建議

3.4.1 根據(jù)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)工況的計(jì)算顯示，長(zhǎng)江隧道上方雙向地鐵列車交匯時(shí)對(duì)武漢長(zhǎng)江隧道結(jié)構(gòu)造成的影響，比單向地鐵列車通過(guò)時(shí)大，因而建議合理安排地鐵列車的行車組織，避免雙向地鐵列車在長(zhǎng)江隧道上方區(qū)域交匯。

3.4.2 建議地鐵運(yùn)營(yíng)期間加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)江隧道上方地鐵軌道的養(yǎng)護(hù)、維修，保持軌道的平順性，降低車輪通過(guò)焊縫時(shí)的附加動(dòng)壓力。

3.4.3 考慮到地鐵列車運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江隧道的長(zhǎng)期影響，建議地鐵運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)保持對(duì)長(zhǎng)江隧道的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。若存在異常，應(yīng)第一時(shí)間處理。

3.5 評(píng)估相關(guān)建議

3.5.1 為減小地鐵列車振動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江隧道的影響，建議對(duì)地鐵隧道內(nèi)采取合理的隔振、減振措施。

3.5.2 建議不要在長(zhǎng)江隧道上方區(qū)域設(shè)置軌縫，并嚴(yán)格控制鋪軌期間焊縫的焊接質(zhì)量。

3.5.3 建議合理安排地鐵列車的行車組織，避免雙向地鐵列車在長(zhǎng)江隧道上方區(qū)域交匯。

3.5.4 建議地鐵運(yùn)營(yíng)期間加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)江隧道上方地鐵軌道的養(yǎng)護(hù)、維修，保持軌道的平順性，降低車輪通過(guò)焊縫時(shí)附加動(dòng)壓力的增長(zhǎng)[3]。

3.5.5 在進(jìn)行地鐵施工的過(guò)程中，應(yīng)和部門加強(qiáng)對(duì)地鐵監(jiān)測(cè)的協(xié)調(diào)。若隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形過(guò)大或其他異常問題，則能第一時(shí)間反饋給上級(jí)部門，并根據(jù)問題的原因進(jìn)行處理。

4 結(jié)語(yǔ)

在此次研究中，案例中的橋梁施工并沒有給隧道周邊的圍巖應(yīng)力帶來(lái)非常大的影響。上文使用最不利斷面的內(nèi)力情況，對(duì)既有隧道襯砌截面強(qiáng)度等展開了相關(guān)的檢算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌強(qiáng)度的安全系數(shù)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。