地鐵盾構(gòu)隧道近距離下穿廣深鐵路影響分析及防護措施研究

郭現(xiàn)釗

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300308)

引言

隨著我國城市軌道交通的迅猛發(fā)展，隧道下穿既有運營鐵路的工程實例越來越多，而因周邊建(構(gòu))筑物條件的愈加復雜，導致軌道交通工程下穿施工安全風險也越來越大。目前，國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道下穿鐵路的成功案例不斷增多：深圳地鐵3號線紅嶺站—老街站盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿廣深鐵路高架橋[1]；南京地鐵4號線一期工程徐莊軟件園站—正馬路站盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線路基[2]；西安地鐵3號線胡家廟站—石家街站盾構(gòu)區(qū)間下穿隴海鐵路[3-4]；成都地鐵4號線二期東延線萬年場站—東三環(huán)站盾構(gòu)區(qū)間下穿成綿樂高鐵[5]；北京軌道交通新機場線一期工程折返線礦山法區(qū)間下穿京滬高鐵橋梁[6]；長沙地鐵6號線朝陽村站—東郡站盾構(gòu)區(qū)間下穿京廣鐵路[7]；沈陽地鐵9號線皇姑屯站—北一路站盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路框構(gòu)橋[8]；濟南軌道交通R1線玉符河站—王府莊站盾構(gòu)區(qū)間下穿京滬鐵路框架橋[9]；長沙軌道交通3號線烈士公園東路—絲茅沖站盾構(gòu)區(qū)間下穿京廣鐵路框架橋[10-11]。

盡管地鐵區(qū)間隧道下穿鐵路的工程實例較多，為確保既有鐵路的正常運營，大多是以盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿單線鐵路橋梁居多。對于地鐵區(qū)間隧道近距離下穿密集并行四線鐵路橋梁的工程實例比較少，特別是近距離下穿鋼構(gòu)橋的案例更少。本文結(jié)合深圳地鐵5號線西延工程建設(shè)路站—大劇院站盾構(gòu)區(qū)間下穿廣深鐵路工程案例，對地鐵區(qū)間隧道近距離下穿密集并行四線鐵路(其中有一線是鋼構(gòu)鐵路橋)的影響及防護措施開展研究。

1 工程概述

1.1 工程概況

深圳地鐵5號線西延工程(黃貝嶺站后至大劇院站段)位于深圳市羅湖區(qū)核心區(qū)，起自5號線一期黃貝嶺站，終至大劇院站，線路長2.871 km，全線采用地下敷設(shè)。其中建設(shè)路站—大劇院站區(qū)間下穿既有廣深鐵路。

深圳地鐵5號線下穿段落，廣深鐵路自東向西依次為深圳特大橋(Ⅳ線)、廣深鐵路深圳高架橋(Ⅰ線)、深圳高架橋(Ⅱ線)、深圳機備線特大橋(Ⅲ線)，四線均為普速鐵路；廣深Ⅰ線、Ⅱ線最高運行速度200 km/h，Ⅲ線、Ⅳ線最高運行速度140 km/h；Ⅰ線、Ⅱ線、Ⅲ線橋在地鐵下穿段落為四跨連續(xù)梁橋，采用φ550 mm混凝土管樁基礎(chǔ)，Ⅳ線橋為四跨連續(xù)剛構(gòu)橋，采用φ800 mm混凝土灌注樁基礎(chǔ)。區(qū)間平面如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道下穿鐵路橋總平面示意

1.2 位置關(guān)系

建設(shè)路站—大劇院站區(qū)間隧道設(shè)計為雙單線，采用復合式盾構(gòu)施工，結(jié)構(gòu)外徑為6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，左、右線線間距13 m，隧道覆土約8 m。區(qū)間隧道在距離建設(shè)路站50 m處以29‰坡度下穿廣深鐵路橋四線橋，其平面交角約89°，與廣深鐵路樁基之間的最小水平凈距為1.058 m。區(qū)間隧道下部為運營地鐵2號線。5號線區(qū)間隧道與鐵路橋梁的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 地鐵區(qū)間隧道與廣深鐵路位置關(guān)系示意(單位：高程以m計，其余mm)

1.3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

區(qū)間隧道沿線地層主要有第四系人工堆積層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、第四系殘積層(Qel)，下伏基巖為燕山期(γ53(1))花崗巖、南華系(Nhb)混合巖。根據(jù)地質(zhì)詳細勘察報告揭示，本區(qū)間未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，場地構(gòu)造穩(wěn)定性總體較好，但受區(qū)域構(gòu)造影響，基巖中節(jié)理、裂隙較發(fā)育。隧道穿越地層主要有中粗砂，礫質(zhì)黏性土、全-強風化花崗巖、中微風化花崗巖。

根據(jù)其賦存介質(zhì)的類型，區(qū)間隧道沿線范圍內(nèi)地下水主要為第四系松散地層中的孔隙水和基巖裂隙水，孔隙水主要賦存于沖洪積砂層中，基巖裂隙水主要賦存于強、中等風化基巖中；根據(jù)水力性質(zhì)不同可分為潛水和承壓水，其中承壓水分布于塊狀強風化～中等風化帶裂隙中，埋深21 m，潛水埋深1.80～4.70 m，主要含水層為砂層。

2 盾構(gòu)下穿施工對鐵路橋的影響分析

2.1 盾構(gòu)施工對地層的影響分析

盾構(gòu)隧道施工引起地層變形預測的研究方法主要有理論解析法、經(jīng)驗公式法、現(xiàn)場實測法[12-15]。理論解析法主要為彈性半空間法，魏綱等利用彈性力學的Mindlin解，推導了盾構(gòu)施工引起地層變形的計算公式；經(jīng)驗公式法也就是Peck曲線法，Peck通過統(tǒng)計分析隧道實測地層沉降數(shù)據(jù)，首次提出了橫向地表沉降計算公式。

根據(jù)大量實測資料分析，盾構(gòu)施工引起的地層沉降大致可分為5個階段：盾構(gòu)到達前的沉降、盾構(gòu)到達時的沉降、盾構(gòu)通過時的沉降、盾構(gòu)過后管片脫離盾尾沉降、地層后期固結(jié)沉降[13]。地表沉降的主要影響因素為開挖面土體移動、盾構(gòu)嚴重超挖(欠挖)、注漿量不足或注漿不及時、盾構(gòu)推進方向的改變以及對地層產(chǎn)生擾動等。

2.2 下穿施工對橋梁的影響分析

盾構(gòu)下穿施工影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，進而影響橋梁的運營安全。盾構(gòu)隧道下穿近鄰橋梁時首先影響橋梁的樁基礎(chǔ)：隨著隧道的開挖，地層原有的地應力平衡狀態(tài)被打破，盾構(gòu)開挖面造成地層擾動及應力損失，引起圍巖變形，并作用于橋梁樁基上，使得樁基產(chǎn)生不利變形和內(nèi)力，降低其安全穩(wěn)定性[16-17]。

盾構(gòu)下穿施工可能引起橋梁發(fā)生沉降或傾斜，及在構(gòu)件節(jié)點處形成轉(zhuǎn)角。嚴重時造成裂縫的產(chǎn)生及擴展，對結(jié)構(gòu)耐久性及安全性產(chǎn)生較大影響。在不良地層中，影響更為明顯[18-19]。

3 地鐵下穿施工對鐵路影響的模擬計算

為更好地掌握建設(shè)路—大劇院站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿廣深鐵路施工對鐵路的影響，根據(jù)具體工程技術(shù)條件，建立三維有限元模型進行模擬計算分析。

3.1 計算模型

根據(jù)區(qū)間隧道與廣深鐵路的位置關(guān)系，為減小邊界約束對模擬結(jié)果的影響，計算模型寬度方向取隧道洞徑3～5倍，沿線路縱向方向模型長60 m，上邊界取至地面，考慮2號線區(qū)間，下邊界取至隧道底部以下40 m。三維數(shù)值模型尺寸為60 m×90 m×55 m，其中沿隧道線路方向長約60 m，計算高度55 m，共劃分108 879個單元，417 922節(jié)點。計算模型如圖3、圖4所示。

圖3 整體計算模型

圖4 橋樁、承臺及區(qū)間隧道計算模型

模型上表面為自由邊界，下表面為固定約束，四周施加法向約束。地層滿足M-C屈服準則。

3.2 計算參數(shù)

地層采用實體單元模擬，根據(jù)地勘資料，對地層進行合并簡化，采用厚度加權(quán)平均處理的方法進行力學參數(shù)折算。梁體采用實體單元模擬，樁基礎(chǔ)采用梁單元模擬，盾構(gòu)隧道管片襯砌采用板單元模擬。地層參數(shù)和結(jié)構(gòu)力學參數(shù)如表1、表2所示。

表1 地層物理力學參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

3.3 計算結(jié)果分析3.3.1 橋梁沉降分析

選取每個橋梁軸線上的點作為分析對象。在地鐵下穿施工過程中，各橋梁沿線路方向的沉降曲線如圖5所示。

圖5 橋梁最終沉降曲線

從圖5可以看出，4座橋梁的沉降變形趨勢基本一致，整體沉降呈現(xiàn)“V”形；地鐵盾構(gòu)下穿施工對廣深鐵路橋梁的影響范圍約60 m。左、右線隧道之間的梁部結(jié)構(gòu)沉降最大，4座橋梁的最大沉降值分別為Ⅰ線橋-4.5 mm、Ⅱ線橋-4 mm、Ⅲ線橋-4.3 mm、Ⅳ線橋-12.5 mm，其中，Ⅳ線橋的沉降值最大；4座橋梁的差異沉降值分別為Ⅰ線橋4 mm、Ⅱ線橋3.8 mm、Ⅲ線橋4.5 mm、Ⅳ線橋10 mm，Ⅳ的差異沉降最大。

3.3.2 橋梁承臺變形時程分析

為了更好掌握盾構(gòu)下穿施工對橋梁的具體影響，根據(jù)盾構(gòu)施工工藝，將盾構(gòu)下穿過程分3個階段考慮，即盾構(gòu)通過前、盾構(gòu)通過時、盾構(gòu)通過后管片脫離盾尾。選取圖6中所示承臺上各點進行分析。

圖6 橋梁典型點分布示意

模擬計算中，假定左線盾構(gòu)隧道先施工，左線施工完后再施工右線隧道；考慮計算模型、計算節(jié)點及計算步序，每一步序掘進按3 m計算。各點沉降變形的時程曲線如圖7～圖9所示。

圖7 各橋中部承臺沉降變形時程曲線

圖8 各橋左側(cè)承臺2沉降變形時程曲線

圖9 Ⅳ線橋各承臺沉降變形時程曲線

從圖7～圖9中可以看出：左線盾構(gòu)掘進時，通過承臺前，承臺幾乎無擾動，盾構(gòu)過承臺時，承臺沉降明顯，通過承臺后承臺沉降趨于穩(wěn)定。右線盾構(gòu)掘進時，變化趨勢同左線盾構(gòu)掘進。

以Ⅳ線橋為例，左線盾構(gòu)通過時，中部承臺以及左側(cè)承臺2的沉降明顯，中部承臺最大沉降值約6 mm，左側(cè)承臺2最大沉降值約4.5 mm，其余承臺均有不同程度的沉降；右線盾構(gòu)掘進時，中部承臺及右側(cè)承臺2沉降明顯，中部承臺最大沉降值約12 mm，右側(cè)承臺2的最大沉降值3 mm，左側(cè)承臺2的最大沉降值約為5 mm。其余橋趨勢同Ⅳ線橋，根據(jù)橋梁距離位置關(guān)系不同，盾構(gòu)區(qū)間下穿點不同，各橋承臺趨勢體現(xiàn)出延遲性。

隨著盾構(gòu)掘進，相鄰承臺之間的差異沉降越來越大，待右線盾構(gòu)下穿時差異沉降達到峰值，Ⅰ～Ⅲ線橋約為4 mm，Ⅳ線橋約為9 mm，在盾構(gòu)下穿階段承臺的沉降最大，約占下沉總量的90%。并且Ⅳ線橋的沉降明顯大于其他橋。

3.3.3 樁變形分析

選取距離盾構(gòu)隧道比較近的幾個樁，分析其水平位移；根據(jù)各橋的技術(shù)特點，選取Ⅳ線橋中距離區(qū)間隧道較近的樁，樁編號如圖10所示。

圖10 Ⅳ線橋樁位編號示意

在盾構(gòu)施工過程中，各橋樁最終的水平位移及時程變化如圖11、圖12所示。

圖11 Ⅳ線橋各樁的水平位移曲線

圖12 Ⅳ線橋各橋樁的水平位移時程曲線

從圖11、圖12可以看出，盾構(gòu)下穿施工引起橋樁發(fā)生不同程度的水平位移。從豎向范圍看，盾構(gòu)下穿范圍內(nèi)的橋樁發(fā)生遠離隧道的位移，其他部位發(fā)生反方向的位移，整個樁的水平向位移呈“S”形。

左線盾構(gòu)掘進施工時，盾構(gòu)左側(cè)橋樁產(chǎn)生向左的位移，最大值為1.5 mm，右側(cè)橋樁產(chǎn)生向右水平位移，最大值為2.6 mm；其余橋樁水平位移較小。右線盾構(gòu)掘進通過時，盾構(gòu)左側(cè)橋樁向右的水平位移減小，盾構(gòu)右側(cè)橋樁向右的位移逐漸增大，其最大值為1.5 mm。左、右線盾構(gòu)隧道兩側(cè)橋樁的水平位移變化比較明顯，其他橋樁的位移變化較??；左、右線隧道之間的橋樁先發(fā)生向右的水平位移，再發(fā)生向左的水平位移。

4 防護措施研究

為確保既有鐵路的安全運營，地鐵區(qū)間隧道下穿鐵路時，需根據(jù)具體的工程技術(shù)條件采取有針對性的安全防護措施。諸如武漢地鐵6號線唐家墩站—石橋路站區(qū)間隧道下穿漢孝城際鐵路府河特大橋采取了隔離樁防護措施[20]，北京地鐵14號線側(cè)穿京津城際鐵路采取了橋樁預加固措施[21]，深圳地鐵3號線紅嶺站—老街站區(qū)間隧道下穿廣深鐵路采取了主動支頂措施[1]。

結(jié)合上述工程案例，根據(jù)深圳地鐵5號線西延線建設(shè)路站—大劇院站區(qū)間隧道下穿廣深鐵路的具體技術(shù)條件，對廣深鐵路橋梁采取相應的防護措施，擬對樁基預注漿加固、橋梁樁基主動拖換、樁基補強3個防護措施方案進行比選研究。

4.1 預注漿加固方案

根據(jù)隧道與廣深鐵路橋的位置關(guān)系，對左、右線隧道兩側(cè)的樁采用袖閥管預注漿加固，對樁周土體加固改良，提高土體抗變形能力、樁周摩擦力，以減少盾構(gòu)下穿施工對橋梁的影響。具體如圖13所示。

圖13 預注漿加固方案示意(單位：mm)

4.2 主動托換方案

地鐵區(qū)間隧道距離鐵路橋梁樁基比較近，盾構(gòu)掘進施工對橋梁樁基承載力影響比較大。在盾構(gòu)下穿施工期間，考慮橋梁樁基承載力體系的轉(zhuǎn)化，即采取樁基托換的方式確保其承載力：盾構(gòu)隧道下穿施工前，在既有樁基附近、避開地鐵區(qū)間隧道施作托換新樁及承臺，采取主動托換方式將橋梁托換至新施作的承臺和樁基上，并在施工過程中采用臨時支頂加固措施。如圖14所示。

圖14 托換支架示意

4.3 樁基補強方案

根據(jù)周邊環(huán)境條件，在既有樁基周圍施作補強樁基，施作承臺并與既有承臺連接，增強橋梁整體性。在盾構(gòu)下穿施工中，即便既有樁基承載力降低較大，補強樁基仍能滿足橋梁承載力要求。如圖15所示。

圖15 樁基補強方案示意

4.4 方案對比分析

為合理確定橋梁安全防護措施，對上述3個方案進行綜合比選分析。具體如表3所示。

表3 橋梁安全防護方案比較分析

通過比選分析，綜合考慮施工工期、工程投資、交通疏解、具體工程技術(shù)條件，為確保既有廣深鐵路運營安全，推薦選用樁基補強方案。

5 防護措施實施效果

5.1 防護措施實施方案

在地鐵下穿施工前，在區(qū)間隧道兩側(cè)、在承臺方向，在既有樁基周邊施作補強樁，施作承臺并與既有承臺連接。由于廣深鐵路橋下凈空比較低，為滿足補強樁施工要求，在橋下開挖比較淺的基坑，分節(jié)吊裝鋼筋籠；在鉆孔樁鋼筋籠周邊預埋注漿管，以備盾構(gòu)下穿施工期間實施跟蹤補償注漿；補強樁樁頂承臺采用植筋與既有承臺連接，最后回填基坑、恢復道路交通。實施方案如圖16所示。

圖16 樁基補強設(shè)計方案示意(單位：高程以m計，其余mm)

5.2 防護措施實施效果

在盾構(gòu)掘進施工前，完成上述防護措施的實施;待盾構(gòu)掘進通過時，對鐵路橋梁承臺及梁部結(jié)構(gòu)實施自動化監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時啟動跟蹤補償注漿。監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 各橋監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計 mm

由表4可知，采取防護措施后，盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿施工后，各橋的變形比較小，小于2 mm的沉降要求，能夠滿足廣深鐵路的正常運營。防護措施實施效果良好。

6 結(jié)論與建議

通過對深圳地鐵5號線區(qū)間隧道近距離下穿廣深鐵路橋的計算分析、鐵路橋梁安全防護措施的研究，得出以下結(jié)論。

(1)區(qū)間盾構(gòu)隧道近距離下穿廣深鐵路橋梁引起橋梁及承臺發(fā)生較大的變形主要因素是沉降，水平位移比較小，橋梁沉降呈“V”形，最大沉降12 mm，位于左、右線隧道之間的橋梁位置，對隧道兩側(cè)的梁影響相對小一些；在盾構(gòu)施工引起沉降的5個階段中，盾構(gòu)掘進通過階段引起的沉降最大，占總沉降值的90%。

(2)區(qū)間隧道從橋梁樁基之間穿過會引起橋梁樁基同時發(fā)生沉降變形和水平位移，從豎向范圍，盾構(gòu)隧道穿越范圍內(nèi)的樁基發(fā)生遠離盾構(gòu)隧道的水平位移，其他部位發(fā)生偏向隧道的水平位移，對兩隧道之間的樁基變形影響最大。

(3)為減少地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越施工對廣深鐵路的影響，通過對橋梁樁基預注漿加固、主動托換橋梁樁基、樁基補強3個方案的綜合比選分析，樁基補強方案安全防護效果最明顯，實施該措施后橋梁最大沉降大幅度降低，最大值僅為1.3 mm，能夠保證廣深鐵路的正常運營。

(4)在后續(xù)類似的地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿鐵路橋梁工程中，建議在不破壞橋梁結(jié)構(gòu)、不擾動橋梁受力狀態(tài)情況下，根據(jù)具體工程技術(shù)條件，在隧道穿越施工前，對既有橋梁樁基采取相應的補強措施，同時加強對鐵路的監(jiān)控量測，確保既有鐵路正常運營。