地鐵盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營(yíng)鐵路框架橋影響分析與施工對(duì)策研究

汲紅旗， 宋中華， 劉維正， 孫康， 殷華斌

(1.中交一公局集團(tuán)有限公司， 北京市 100024；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

近年來(lái)，中國(guó)各大城市都在大規(guī)模修建地鐵，地鐵穿越鐵路框架橋的情況也越來(lái)越多。地鐵盾構(gòu)隧道施工時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)土層造成擾動(dòng)，引起地層損失，從而使框架橋和鐵路發(fā)生變形，影響列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)。因此，分析盾構(gòu)隧道下穿框架橋的影響并提出相應(yīng)的施工對(duì)策，對(duì)于減小地鐵盾構(gòu)下穿施工造成的擾動(dòng)和保證列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)具有重大意義。

對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿框架橋的情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了不少研究。張迪等對(duì)大型盾構(gòu)隧道下穿鐵路框架橋的情況，采用數(shù)值方法分析了土體加固前后框架橋變形及應(yīng)力的變化規(guī)律；伍超等采用數(shù)值模擬分析了在有無(wú)列車(chē)荷載作用下，盾構(gòu)施工對(duì)框架橋水平位移、豎向位移及鐵路軌面沉降的影響，指出先行隧道施工對(duì)框架橋及軌面沉降的影響大于后行隧道；朱連臣等提出了“地表袖閥管注漿”和“洞內(nèi)深孔注漿”的加固方法，并模擬分析土體加固前后盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)框架橋變形的影響，證明采用的土體加固措施可很好地控制地層及框架橋的變形；李谷陽(yáng)等針對(duì)卵砂石地層對(duì)盾構(gòu)下穿高鐵框架橋進(jìn)行了模擬分析，研究了施工引起的地層變形、孔隙水壓力變化以及框架橋變形的規(guī)律，并根據(jù)模擬結(jié)果給出相應(yīng)的施工控制措施和監(jiān)控量測(cè)方案；趙大亮建立了有限元模型，研究盾構(gòu)下穿框架橋引起的鐵路路基和框架橋變形規(guī)律，提出相應(yīng)的加固措施，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證加固措施的有效性；李奇以北京地鐵下穿框架橋?yàn)楣こ瘫尘?，得出了影響框架橋變形的兩個(gè)主要因素：框架橋本身的狀況和盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)；晏成采用連續(xù)介質(zhì)模型，對(duì)盾構(gòu)2次下穿既有框架橋進(jìn)行模擬，評(píng)估了工程的安全性，并提出框架橋的變形控制指標(biāo)；蔣華春等建立三維數(shù)值模型探討了盾構(gòu)下穿地道橋施工過(guò)程中地表、地道橋及隧道的變形規(guī)律，并結(jié)合工程實(shí)踐提出了相應(yīng)的施工控制措施；楊貴永等采用有限元軟件研究了區(qū)間隧道下穿佛開(kāi)高速橋施工過(guò)程中橋梁變形規(guī)律，并總結(jié)了橋樁的受力變形特征；杜凌、楊兵明、李輝平結(jié)合數(shù)值模擬的方法，分析了盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地層變形和框架橋變形的影響規(guī)律；Qian利用FLAC軟件對(duì)廣州某盾構(gòu)隧道下穿武廣高鐵進(jìn)行建模，分析了隧道以不同角度穿越高速鐵路時(shí)的地層沉降特性，并提出了盾構(gòu)施工安全評(píng)價(jià)的方法；Lin對(duì)于盾構(gòu)隧道斜交穿越既有隧道的情況進(jìn)行了研究，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析盾構(gòu)施工引起的地表沉降和既有隧道的變形，結(jié)果表明盾構(gòu)施工斜交穿越會(huì)引起既有隧道的扭轉(zhuǎn)變形和橫向變形。該文以長(zhǎng)沙地鐵6號(hào)線盾構(gòu)施工下穿京廣鐵路客運(yùn)線四孔框架橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)Abaqus有限元軟件建立盾構(gòu)開(kāi)挖模型，分析盾構(gòu)施工對(duì)框架橋和鐵路軌面的影響，并提出相應(yīng)的施工控制措施，保證框架橋的正常使用和鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

2 工程概況

2.1 盾構(gòu)區(qū)間概況

長(zhǎng)沙地鐵6號(hào)線朝陽(yáng)村站—芙蓉區(qū)政府站區(qū)間長(zhǎng)約為1.62 km，主要由西向東敷設(shè)，區(qū)間隧道于DK36+818～DK36+843處下穿京廣鐵路框架橋，隧道中心線與鐵路軌道中心線交叉角約為88°，如圖1所示。區(qū)間隧道雙線均采用盾構(gòu)法施工，襯砌管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，厚度0.35 m，每一環(huán)寬度為1.5 m。

圖1 隧道區(qū)間平面圖

2.2 下穿框架橋情況

京廣鐵路框架橋?yàn)?孔鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，孔徑為1×11.0 m+2×8.0 m+1×11.0 m，中間2×8.0 m為機(jī)動(dòng)車(chē)道，凈高5.0 m，兩側(cè)1×11.0 m為機(jī)動(dòng)車(chē)道與人行道，凈高4.9 m和5.29 m，邊孔與中間孔頂?shù)装迤烬R?？蚣軜蜷L(zhǎng)約27 m，總長(zhǎng)為44.6 m，上有京廣鐵路上下行線5股道，均為客運(yùn)線，運(yùn)營(yíng)速度為160 km/h。隧道頂部距框架橋底部約11 m，左右中心線間距為14 m。其幾何形狀與位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 隧道與框架橋位置關(guān)系(單位：m)

2.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況

盾構(gòu)穿越框架橋地段的土層自上而下主要有素填土、粉質(zhì)黏土和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，盾構(gòu)隧道穿行于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

地下水類型以孔隙潛水為主，水量豐富，局部中等，部分為承壓水，承壓水頭為1.0～4.0 m，屬?gòu)?qiáng)透水性地層；基巖裂隙水為輔，為承壓水，含水量貧乏，局部水量中等，總體上基巖屬弱透水層?；旌纤跻?jiàn)水位埋深0.90～9.20 m，混合水穩(wěn)定水位1.70～6.50 m。

3 盾構(gòu)施工數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

采用Abaqus有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道下穿京廣鐵路框架橋進(jìn)行建模分析?？紤]到模型的邊界效應(yīng)，隧道開(kāi)挖的影響范圍為4～5倍洞徑距離，模型左右邊界距離框架橋30 m，縱向長(zhǎng)度取15個(gè)開(kāi)挖步，每個(gè)開(kāi)挖步為4環(huán)管片寬度6 m，長(zhǎng)度為90 m。模型尺寸沿橫向、縱向和深度方向?yàn)?04.6 m×90 m×40 m(X×Y×Z)，模型整體尺寸如圖3所示。

圖3 模型整體尺寸(單位：m)

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 材料參數(shù)

采用Mohr-Coulomb模型作為土體的本構(gòu)模型，框架橋、管片、注漿層和盾殼采用線彈性模型，材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。

其中盾殼的密度根據(jù)模型中盾殼的厚度和盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際質(zhì)量換算而成。由于注漿材料需要一定時(shí)間才能達(dá)到指定的強(qiáng)度，因此對(duì)于注漿層的模擬分為兩個(gè)階段，分別是初凝時(shí)的液體注漿材料和終凝時(shí)的硬化注漿材料。

模型整體材料沿縱向均勻分布，即盾構(gòu)隧道沿縱向進(jìn)行均值化模擬。

3.2.2 計(jì)算荷載

(1) 隧道土倉(cāng)壓力取為靜止土壓力的1.15倍，為120 kPa，以保證開(kāi)挖面壓力平衡。

(2) 列車(chē)荷載根據(jù)TB 1003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，采用換算土柱法換算為面荷載21.62 kPa，軌道自重18 kPa，框架橋下路面超載取10 kPa。

3.3 施工過(guò)程模擬

模擬前首先采用導(dǎo)入odb文件的方式平衡初始地應(yīng)力。土體的開(kāi)挖和盾殼、管片與注漿層的生成采用單元生死功能實(shí)現(xiàn)，隧道每開(kāi)挖一步，將前方土體單元移除，同時(shí)激活這一步相應(yīng)位置處的盾殼單元，并在盾構(gòu)機(jī)尾部脫出后激活管片和注漿層單元。

隧道開(kāi)挖模擬以4環(huán)管片寬度6 m為一個(gè)開(kāi)挖步，左線和右線各分為15個(gè)開(kāi)挖步，左線開(kāi)挖完后再進(jìn)行右線的開(kāi)挖。

3.4 施工工況分析

為了研究盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)不同加固措施和施工參數(shù)對(duì)框架橋變形的影響，設(shè)置5種不同的工況進(jìn)行分析。

工況1：地層無(wú)加固措施，盾構(gòu)施工注漿壓力為0.1 MPa，土倉(cāng)壓力為0.12 MPa。

工況2：地層采用等強(qiáng)加固，注漿體材料為低強(qiáng)度注漿體，其參數(shù)如表1所示，加固范圍在隧道上方粉質(zhì)黏土層區(qū)域，如圖4所示，施工參數(shù)同工況1。

圖4 工況2地層加固范圍(單位：m)

工況3：地層采用不等強(qiáng)加固，隧道正上方采用高強(qiáng)度注漿體加固，兩側(cè)及中間區(qū)域采用低強(qiáng)度注漿體加固，注漿體材料參數(shù)如表1所示，加固范圍如圖5所示，施工參數(shù)同工況1。

圖5 工況3地層加固范圍(單位：m)

工況4：地層無(wú)加固措施，土倉(cāng)壓力為0.12 MPa，注漿壓力以0.1 MPa為模數(shù)從0.1～0.5 MPa逐級(jí)遞增。

工況5：地層無(wú)加固措施，注漿壓力為0.2 MPa，土倉(cāng)壓力以0.02 MPa為模數(shù)從0.10～0.18 MPa逐級(jí)遞增。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

京廣鐵路客運(yùn)線是設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h的國(guó)家Ⅰ級(jí)干線，為了保證鐵路以正常的速度安全運(yùn)營(yíng)，根據(jù)TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》，結(jié)合該工程實(shí)際情況，盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的鐵路軌道和框架橋變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) 鐵路軌道最大沉降限值為10 mm，軌道縱向差異沉降限值為5 mm。

(2) 框架橋最大變形限值為±10 mm，最大差異沉降限值為5 mm。

4.2 地層變形分析

為了分析地層變形沿列車(chē)行進(jìn)方向和隧道開(kāi)挖方向的規(guī)律，選取工況1下盾構(gòu)隧道開(kāi)挖后地層沉降云圖的剖面圖，如圖6所示。

圖6 地層變形云圖(單位：m)

由圖6(a)可知：沿列車(chē)行進(jìn)方向，地層的最大沉降發(fā)生在雙線隧道的拱頂處，最大沉降值為8.37 mm，地層沉降呈錐形向上延伸至地表，在地表及框架橋和軌道處，由于雙線隧道開(kāi)挖的疊加作用，沉降有所增大；從圖6(b)中可以看出：沿隧道開(kāi)挖方向，地層沉降在框架橋前后變化不大，在框架橋下方明顯增大，這是由該處地層上方構(gòu)筑物及荷載作用所導(dǎo)致的。

為了分析盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響，選取模型縱向開(kāi)挖長(zhǎng)度一半處的橫斷面地表(P-P′)，分別對(duì)工況1、2和3繪制地表沉降曲線，如圖7所示。

圖7 不同加固工況下地表沉降曲線

從圖7可以看出：地表橫斷面沉降曲線呈漏斗狀分布，基本符合Peck沉降曲線，相比單線隧道而言，雙線隧道開(kāi)挖引起的地表沉降槽寬度更大，沉降峰值發(fā)生在雙線隧道中心線處。工況1未加固時(shí)地表最大沉降達(dá)到3.5 mm，經(jīng)工況2、3加固后，沉降分別減小到2.5、1.9 mm。

4.3 框架橋變形分析

工況1下框架橋變形云圖如圖8所示，從整體上看，框架橋左側(cè)沉降較大，右側(cè)沉降較小，這是由于雙線隧道開(kāi)挖位置偏左導(dǎo)致的?？蚣軜蜃畲蟪两蛋l(fā)生在左側(cè)和中間框架結(jié)構(gòu)交界處，最大沉降值為3.98 mm。框架橋沿隧道開(kāi)挖方向沉降大體一致，沿鐵路行進(jìn)方向沉降存在較大差異，最大差異沉降值為3.81 mm，框架橋的最大沉降和差異沉降均滿足規(guī)定的限值。

圖8 框架橋變形云圖(單位：m)

圖9為不同工況下，框架橋沿列車(chē)行進(jìn)方向(A-A′)的沉降曲線。

從圖9可以看出：不同工況下框架橋沉降規(guī)律基本一致，框架橋整體左側(cè)沉降較大，右側(cè)沉降較小。工況1、2、3情況下框架橋最大沉降分別為3.80、2.73、2.17 mm，沿列車(chē)行進(jìn)方向上的差異沉降分別為3.56、2.52、1.98 mm，最大沉降和差異沉降都滿足要求。其中，相比工況1無(wú)加固措施而言，工況2和工況3情況下框架橋的最大沉降分別減小了28%和43%，最大差異沉降分別減小了29%和44%。

圖9 框架橋沿列車(chē)方向變形

圖10為不同工況下，框架橋沿隧道開(kāi)挖方向(B-B′)的沉降曲線。

圖10 框架橋沿隧道開(kāi)挖方向變形

從圖10可以看出：框架橋沉降變化規(guī)律基本相同，沉降呈現(xiàn)均勻增大的趨勢(shì)，沿開(kāi)挖方向的差異沉降都較小。

圖11、12分別為不同注漿壓力和土倉(cāng)壓力下框架橋最大沉降變化曲線。

圖11 不同注漿壓力下框架橋最大沉降曲線

由圖11可知：隨著注漿壓力的提高，框架橋最大沉降逐漸減小，且沉降減小的幅度隨之減弱，注漿壓力為0.2～0.4 MPa時(shí)，沉降能得到較好的控制。由于施工因素的影響，注漿壓力在實(shí)際工程中不能過(guò)大，因此提升注漿壓力對(duì)沉降控制的效果有限；由圖12可知：隨著土倉(cāng)壓力的增加，框架橋最大沉降呈現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，在0.14 MPa前，沉降隨土倉(cāng)壓力的增加而減小，之后隨土倉(cāng)壓力的增加而增大。這是由于土倉(cāng)壓力過(guò)大時(shí)，開(kāi)挖面前方土體受到破壞，強(qiáng)度有所減小，在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后的沉降也就隨之增大。

圖12 不同土倉(cāng)壓力下框架橋最大沉降曲線

由計(jì)算結(jié)果可知：最大拉應(yīng)力主要集中在兩側(cè)框架橋與中間框架橋相鄰處的頂面位置，最大壓應(yīng)力主要分布在框架橋的中隔墻和側(cè)墻位置。

表2為框架橋在不同工況下受力的詳細(xì)結(jié)果。其中最大主應(yīng)力包括第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，即主應(yīng)力的最大值和最小值，在Abaqus中，應(yīng)力的正值表示受拉，負(fù)值表示受壓，因此最大主應(yīng)力包括了框架橋的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力。

表2 不同工況下框架橋最大主應(yīng)力值

GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，C40混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1 MPa，表2中不同工況下框架橋的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均小于規(guī)定的設(shè)計(jì)值，其中工況2相比工況1減小了5%和6%，工況3相比工況1減小了9%和8%，在工況4和工況5中，隨著注漿壓力和土倉(cāng)壓力的增加，框架橋最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力有所減小。這說(shuō)明地層加固，注漿壓力與土倉(cāng)壓力的增加，能有效減小框架橋的應(yīng)力，提高其安全性。

4.4 軌道變形分析

圖13為軌道在不同工況下的縱向沉降曲線。在工況1、2、3中，軌道的沉降規(guī)律基本相同，沉降曲線呈凹槽狀，最大沉降區(qū)域均位于雙線隧道上方，軌道最大沉降分別為3.57、2.56、2.03 mm。通過(guò)比較，工況2和工況3的軌道最大沉降值分別比工況1的減小約28%和43%，加固控制效果良好。

圖13 不同加固工況下軌道縱向沉降曲線

圖14為工況4中不同注漿壓力條件下軌道最大沉降曲線。

圖14 不同注漿壓力下軌道最大沉降曲線

從圖14可以看到：隨著注漿壓力的增大，軌道最大沉降逐漸減小，且沉降減小的幅度越來(lái)越小，其中注漿壓力從0.1 MPa提升到0.2 MPa，軌道最大沉降值減小約8%。

圖15為工況5中不同土倉(cāng)壓力條件下軌道最大沉降曲線。

從圖15可以看出：軌道的變形規(guī)律與框架橋的類似，隨著土倉(cāng)壓力的增大，軌道最大沉降值先減小后增大。

圖15 不同土倉(cāng)壓力下軌道最大沉降曲線

5 施工控制對(duì)策

5.1 加固措施

對(duì)土體進(jìn)行注漿加固，能夠較好地控制框架橋的沉降變形，分別對(duì)隧道上方土層進(jìn)行等強(qiáng)加固和不等強(qiáng)加固建模分析，結(jié)果證明：這兩種加固措施都能夠有效地控制框架橋和鐵路軌道的沉降，并且對(duì)于框架橋的受力情況也有所改善。其中不等強(qiáng)加固相比等強(qiáng)加固而言，通過(guò)在隧道正上方采用高強(qiáng)度注漿體、隧道上方兩側(cè)區(qū)域采用低強(qiáng)度注漿體的方法，對(duì)框架橋受力和變形的控制效果更好，實(shí)際施工可采用不等強(qiáng)注漿加固措施。

5.2 同步注漿技術(shù)

同步注漿能使隧道周?chē)馏w的地層損失得到及時(shí)的補(bǔ)償，并防止土體塌陷，是控制地表沉降的有效手段。通過(guò)該文的模擬，注漿壓力越大，軌道沉降越小，而注漿壓力為0.1～0.4 MPa時(shí)，軌道沉降能得到較好的控制，由于注漿壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致堵管或襯砌管片錯(cuò)臺(tái)等問(wèn)題，結(jié)合工程實(shí)際條件，建議注漿壓力控制為0.2～0.4 MPa，同時(shí)對(duì)同步注漿嚴(yán)格監(jiān)控，做到注漿適時(shí)、足量。

5.3 土倉(cāng)壓力控制

土倉(cāng)壓力即作用在開(kāi)挖面上的支護(hù)壓力，通過(guò)對(duì)不同土倉(cāng)壓力條件下的盾構(gòu)開(kāi)挖模擬，隨著土倉(cāng)壓力的增大，框架橋和軌道的沉降呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)土倉(cāng)壓力過(guò)大時(shí)，開(kāi)挖面前方土體會(huì)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后地層及上部構(gòu)造物沉降增大。結(jié)合土倉(cāng)壓力的理論計(jì)算值，建議實(shí)際施工時(shí)控制土倉(cāng)壓力為0.12～0.14 MPa。

5.4 施工監(jiān)控措施

模擬結(jié)果表明：雙線隧道中心線正上方是框架橋沉降變形主要集中的地方，因此實(shí)際施工中，軌道在雙線隧道中心線正上方、框架橋在左側(cè)和中間框架結(jié)構(gòu)相鄰處加密監(jiān)測(cè)布點(diǎn)， 同時(shí)，對(duì)兩側(cè)框架橋與中間框架橋相鄰的頂面位置加大應(yīng)力監(jiān)測(cè)，以便于及時(shí)觀測(cè)框架橋受力和變形情況，更好地指導(dǎo)工程施工。

6 結(jié)論

基于長(zhǎng)沙軌道交通6號(hào)線朝陽(yáng)村站—芙蓉區(qū)政府站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿京廣鐵路框架橋的工程背景，利用有限元軟件模擬了盾構(gòu)下穿框架橋的全過(guò)程，分析模擬結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1) 雙線盾構(gòu)隧道施工時(shí)，地層沉降主要發(fā)生在隧道的拱頂處，沉降呈錐形向上延伸至地表，最大沉降為8.37 mm；框架橋和軌道最大沉降均發(fā)生在雙線隧道中心線上方，最大沉降分別為3.98、3.78 mm。

(2) 地層采用等強(qiáng)加固和不等強(qiáng)加固情況下，框架橋的最大沉降相比未加固時(shí)分別減小了約28%和44%，地層經(jīng)加固后框架橋和軌道的最大沉降和差異沉降都能得到較好的控制，小于規(guī)定的變形限值。

(3) 隧道在地層未加固條件下施工時(shí)，框架橋破壞主要受拉應(yīng)力控制，最大拉應(yīng)力為1.516 MPa，發(fā)生在兩側(cè)框架橋與中間框架橋相鄰處的頂面位置，接近混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。經(jīng)過(guò)等強(qiáng)和不等強(qiáng)兩種方式加固后，最大拉應(yīng)力分別減小了約5%和9%，框架橋的安全性得到較大提高。

(4) 在一定范圍內(nèi)，框架橋和軌道的沉降隨注漿壓力和土倉(cāng)壓力的提高而減小，注漿壓力小于0.4 MPa時(shí)對(duì)沉降的控制效果顯著，繼續(xù)增大注漿壓力對(duì)沉降的影響較小，土倉(cāng)壓力超過(guò)0.14 MPa后沉降反而有所增加。

(5) 根據(jù)隧道開(kāi)挖模擬結(jié)果，施工時(shí)可以采取如下控制措施：地層加固采用不等強(qiáng)注漿加固；結(jié)合工程實(shí)際情況，注漿壓力控制為0.2～0.4 MPa，土倉(cāng)壓力控制為0.12～0.14 MPa；施工監(jiān)控量測(cè)時(shí)，軌道在雙線隧道中心線正上方、框架橋在3孔框架結(jié)構(gòu)相鄰處適當(dāng)加密監(jiān)測(cè)布點(diǎn)。