盾構(gòu)隧道近距離穿越高鐵橋梁微擾動控制措施研究

姚建石

（北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京 100101）

隨著軌道交通的不斷發(fā)展，線網(wǎng)密度不斷提高，不可避免會出現(xiàn)新建地鐵隧道與既有建筑物近接或者穿越的問題，新建隧道施工對既有建筑物必然會產(chǎn)生一定程度的影響。盾構(gòu)下穿鐵路引起軌道的不平順，加大了輪軌間的沖擊力，影響列車行駛的舒適性和安全性。高速鐵路對變形控制更加嚴(yán)格，地鐵盾構(gòu)下穿使高鐵橋樁發(fā)生變形和變位，直接影響列車行駛的安全。

注漿加固措施是目前工程領(lǐng)域較為常用的一種施工手段，在深大基坑、鐵路橋梁、地鐵隧道工程中的應(yīng)用尤為普遍。高速鐵路很多時候采用高架橋的形式通過，因此新建地鐵隧道必然會對高鐵橋墩和基礎(chǔ)的穩(wěn)定性及變形產(chǎn)生影響，采用區(qū)間地表注漿或者隔離樁的方式對高鐵橋梁及其基礎(chǔ)進(jìn)行隔離加固施工，成為當(dāng)前工程領(lǐng)域較為常用的方式。

劉記[1]針對深圳地鐵某區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿廣深港高鐵橋梁工程，在無法施工隔斷樁防護(hù)的情況下，采取多層次、多梯度注漿措施有效控制了變形沉降。郭波針對西安地鐵14 號線下穿西成高鐵工程，采用隔離樁和土體加固措施，使隧道盾構(gòu)下穿期間高鐵橋墩位移遠(yuǎn)小于技術(shù)規(guī)程限值要求。張準(zhǔn)[2]針對呼和浩特市軌道交通2 號線一期工程公主府站至內(nèi)蒙古體育場站區(qū)間盾構(gòu)隧道施工工程，在周圍建筑物老舊、不允許較大沉降的不利條件下，采用深孔注漿加固措施，實現(xiàn)了對地表沉降的有效控制，確保砌體建筑物的安全與正常運用。房雅楠[3]針對北京地鐵17 號線下穿既有框構(gòu)橋工程分析不同加固方案下，盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路框構(gòu)橋引起的該區(qū)段地表變形規(guī)律以及對既有橋梁的影響，僅采取同步注漿加固方案時，地表及鐵路框構(gòu)橋的變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同期采用同步注漿和二次深孔注漿的方案。劉立明[4]以大連地鐵5 號線下穿哈大高速鐵路高架橋為背景, 以大連地鐵5 號線下穿哈大高速鐵路高架橋為背景,區(qū)間采用隧道盾構(gòu)穿越哈大高速鐵路。

本文主要研究高速鐵路橋某段在已經(jīng)存在最大87.9mm 不均勻沉降的不利條件下，盾構(gòu)隧道近距離穿越高鐵橋梁微擾動的控制措施。本文主要采用盾構(gòu)隧道二次深孔注漿+區(qū)間注漿的措施以減少高鐵橋梁的沉降變形。

圖1 隧道與高鐵橋墩位置關(guān)系剖面圖

1 工程概況

區(qū)間隧道下穿段的地層從上往下依次為雜填土、砂質(zhì)粉土、粉砂、粉細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土。區(qū)間隧道覆土深度約8m，采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑6.4m，管片厚0.3m，左右線間距為13m。

高速鐵路設(shè)計時速為350km/h，無砟軌道，雙線。區(qū)間隧道從跨五環(huán)路的80+128+80m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁中跨穿越，平面交角為40 °，中跨橋墩號281、282。（見圖1）

由于超量開采地下水等人為因素，高架橋（80+128+80）m 大跨連續(xù)梁橋地段位于地面沉降區(qū)域，連續(xù)梁橋的沉降情況如下表1 所示，四個橋墩均有不同程度的沉降。其中282 號主墩與283 號邊墩沉降差最大，達(dá)到了87.9mm。

表1 連續(xù)梁橋CPIII 沉降結(jié)果

2 數(shù)值模擬分析

2.1 力學(xué)模型及參數(shù)

利用Midas GTS 軟件建立地基土層-盾構(gòu)隧道-上部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的三維實體模型（見圖2）進(jìn)行分析盾構(gòu)施工過程中所采取的控制措施的作用。

計算分析時采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型模擬土體與樁基的相互作用，采用彈性本構(gòu)模型模擬橋梁樁基、承臺、橋墩；同步注漿以及漿液與土體的作用，采用應(yīng)力釋放程度和等代層來考慮，等代層采用彈性模型；承臺采用實體單元，彈性模型；橋梁荷載作用于承臺；橋樁采用嵌入式桁架單元模擬；洞內(nèi)二次深孔加強(qiáng)注漿采用實體單元提高土體參數(shù)、摩爾-庫倫模型模擬。模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)取值見表2，其中各地層參數(shù)按照地質(zhì)勘察資料選取。

數(shù)值計算模型上表面為地表，豎向共取90m，區(qū)間隧道方向取168m，垂直隧道方向取180m。

圖2 計算模型圖

2.2 模擬隧道的施工過程

將起伏、厚度不均簡化地層為單一均質(zhì)的水平層，忽略地下水的滲透作用。

表2 各材料物理力學(xué)參數(shù)

模擬盾構(gòu)隧道的施工過程為：（1）對地層剛開始的應(yīng)力情況加以計算，清零地層位移；（2）施做高架橋結(jié)構(gòu)、高速路基，并地層位移清零；（3）開挖隧道的鈍化土體后將盾殼激活；（4）鈍化盾殼，將管片與注漿層激活；（5）將第二和第三步內(nèi)容重復(fù)進(jìn)行到完成隧道的開挖。開挖至第六環(huán)之后，將土體的加固屬性按照開挖步驟順序從所屬土層屬性轉(zhuǎn)變成加固體屬性。

2.3 計算結(jié)果與分析

2.3.1 盾構(gòu)施工誘發(fā)的地表變形

通過數(shù)值模擬獲得雙線隧道完成開挖后土體豎向位移的分布云圖（見圖3）。由圖3 可見，完成盾構(gòu)隧道的施工后，地表的沉降面從上到下呈現(xiàn)出“圓形漏斗”形狀。兩條隧道之間沉降最大，受五環(huán)路荷載影響，地表沉降最大沉降為-15.5mm，左右線隧道頂端周邊沉降二者基本對稱。盾構(gòu)隧道采用二次深孔加強(qiáng)注漿后，有效減少了地表的沉降，最大的沉降同樣出現(xiàn)在相同位置值為-13.0mm，較沒采取措施時產(chǎn)生的沉降減少了16.1%。此外，盾構(gòu)隧道底部會有微小的隆起，主要原因是隧道范圍內(nèi)土體被挖除，而完成拼裝的管片自身重量比被開挖土體的自重小，進(jìn)而造成隧道底端的土體形成卸載效應(yīng)，使隧道底端土體出現(xiàn)微小的隆起。

由于區(qū)間注漿加固的作用，臨近橋樁側(cè)地表沉降槽影響范圍有所減小，左側(cè)地表沉降為0 的點距左線外輪廓垂直距離約10m，右側(cè)地表沉降為0 的點距右線外輪廓垂直距離約16m，圖4。

采用的二次深孔注漿+區(qū)間注漿加固措施對盾構(gòu)隧道施工影響范圍內(nèi)減輕地表沉降效果明顯，最大減少16.1%。并且該措施也減小了地表沉降槽的影響范圍，有效減少了對高鐵橋墩的影響。

2.3.2 盾構(gòu)施工誘發(fā)的橋墩變形（圖5）

盾構(gòu)施工引起橋墩發(fā)生沉降，在未采取控制措施的情況下，282 號墩產(chǎn)生了0.358mm 沉降。在施加控制措施的情況下，282號墩產(chǎn)生了0.168mm 沉降，由此可見，所采取的控制措施有效地減少了橋墩的沉降，最大減少了53%的沉降。但是，兩種情況下，281 號和282 號墩都出現(xiàn)了差異沉降，距離盾構(gòu)近的一端沉降較大，即兩橋墩朝隧道方向傾斜。

盾構(gòu)施工引起橋墩發(fā)生了水平位移，計算模型中X 方向為垂直區(qū)間掘進(jìn)方向，Y 方向為順區(qū)間掘進(jìn)方向，提取橋梁墩臺豎向位移及將X 和Y 水平位移在每一個施工步的變化值進(jìn)行分析，并將X 和Y 方向水平位移分解疊加得到墩臺水平位移。由此得到281 號墩順橋向水平位移為0.26mm，橫橋向水平位移為0.28mm。282 號墩順橋向水平位移為0.32mm，橫橋向水平位移為0.35mm。

圖3 盾構(gòu)施工完成地表沉降云圖（m）

圖4 地表豎向位移隨施工步變化曲線圖

圖5 282 號橋墩豎向位移隨施工步變化曲線圖

2.3.3 盾構(gòu)施工前后橋梁梁體的應(yīng)力變化（圖6）

在盾構(gòu)隧道施工前，根據(jù)沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，在283 號墩施加87.9mm 強(qiáng)制位移模擬282 號墩與283 號墩之間的差異沉降，計算顯示283 號墩邊跨跨中附近梁體上緣出現(xiàn)0.27MPa 拉應(yīng)力，282 號墩支點附近拉應(yīng)力達(dá)到3.49MPa。超出了原有設(shè)計值，已達(dá)到影響結(jié)構(gòu)耐久性的限值，并接近影響結(jié)構(gòu)安全性的限值。該橋梁墩臺的差異沉降不能再繼續(xù)擴(kuò)大，否則將影響列車行駛安全。因此，盾構(gòu)隧道施工過程中采用隧道二次深孔灌漿+區(qū)間注漿加固的方式來減少對橋梁的影響。

在盾構(gòu)隧道施工后，疊加盾構(gòu)開挖帶來的變形影響，283 號墩邊跨跨中附近上緣應(yīng)力、282 號墩支點附近拉應(yīng)力影響不大，其余控制指標(biāo)變動較小。因此在采取控制措施的情況下，該盾構(gòu)隧道施工對橋梁應(yīng)力影響不大，但由于原有差異沉降較大，且已經(jīng)超出設(shè)計值范圍，所以應(yīng)對該橋梁采取相應(yīng)整治措施。

3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)及措施

3.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

為保證高速鐵路的運營安全，不降低基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)正常使用性能要求，根據(jù)既有鐵路現(xiàn)狀及周邊設(shè)施，參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗并結(jié)合有限元模型計算分析，橋梁墩臺頂縱向水平變形量、橫向水平變形量、豎向位移變形量管理值為2mm；墩臺累計差異沉降控制在5mm。

3.2 變形控制措施

由于既有高鐵橋梁已經(jīng)存在最大87.9mm 的差異沉降，為了減少盾構(gòu)隧道穿越施工的擾動，控制措施采用二次深孔注漿+區(qū)間注漿的方式。管片增加壁后注漿管，拱頂180°3m，仰拱1m 范圍進(jìn)行二次深孔加強(qiáng)注漿。單孔注漿擴(kuò)散半徑不小于0.5m，注漿量不小于理論加固體所需孔隙填充量的120%。盾構(gòu)區(qū)間與鐵路橋墩之間預(yù)埋垂直注漿管，注漿加固范圍為區(qū)間外輪廓2m～7m，拱底以下3m 范圍，加固厚度5m，高度15m，注漿體距地表約2.5m。

4 結(jié)論

本文結(jié)合隧道下穿鐵路高架橋工程，研究了雙線盾構(gòu)隧道近距離下穿既有高速鐵橋梁微擾動的控制措施，通過有限元計算分析，主要結(jié)論如下：

4.1 盾構(gòu)隧道施工會對所穿越橋梁產(chǎn)生一定影響，橋梁最終將發(fā)生附加位移現(xiàn)象，該過程中產(chǎn)生的附加累計最大沉降量為-0.27mm，附加累計最大順橋向水平變形量為-0.32mm，附加累計最大橫橋向水平變形量為-0.35mm，橋墩會朝盾構(gòu)隧道方向產(chǎn)生輕微傾斜。

4.2 使用二次深孔注漿+區(qū)間注漿加固措施后，盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生的地面沉降趨勢會獲得明顯的緩解，較未采取措施，最大沉降量可減少16.1%。臨近橋樁側(cè)地表沉降槽影響范圍有所減小，距離隧道稍遠(yuǎn)的橋墩沉降明顯減少，墩臺的最大沉降減少53%，說明使用二次深孔注漿+區(qū)間注漿加固措施能較大幅度降低盾構(gòu)隧道穿越對高鐵橋梁的影響。

4.3 根據(jù)原有該橋梁沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)疊加考慮盾構(gòu)施工沉降后，對283 號墩邊跨跨中附近上緣應(yīng)力、282 號墩支點附近拉應(yīng)力影響不大。因此，采用二次深孔注漿+區(qū)間注漿加固措施后，盾構(gòu)隧道下穿對高鐵橋梁的變形影響不大。但是283 號墩原有差異沉降量為87.9mm，從理論上計算已達(dá)到影響結(jié)構(gòu)耐久性的限值，并接近影響結(jié)構(gòu)安全性的限值，所以應(yīng)對該橋梁采取必要的整治措施減少差異沉降，保證行車安全。

圖6 既有沉降條件下盾構(gòu)施工后橋面彎矩圖