地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路大橋數(shù)值模擬研究

王紅濤

(天津晟源工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，天津 300000)

隨著地鐵不斷發(fā)展，地鐵線網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，受周邊建(構(gòu))筑物、地下管線等環(huán)境因素的制約，越來越多的地鐵隧道下穿高速公路、橋梁、鐵路等既有工程。地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道在施工整個(gè)過程中會(huì)對(duì)隧道周圍土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，進(jìn)而影響既有橋樁、路基等建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)的自身穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)的破壞,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。

國(guó)內(nèi)學(xué)者[1-8]依據(jù)不同城市地鐵項(xiàng)目為背景，對(duì)區(qū)間隧道下穿既有橋梁、樁基、框架橋以及高速公路基等建(構(gòu))筑物進(jìn)行了研究分析，為北京、成都、武漢、上海等大城市地鐵隧道下穿風(fēng)險(xiǎn)源工程設(shè)計(jì)、施工提供了合理的理論依據(jù)及可靠的工程實(shí)踐指導(dǎo)。洛陽地鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)匱乏，結(jié)合洛陽當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)對(duì)地鐵隧道下穿風(fēng)險(xiǎn)源的研究迫在眉睫。

本文以洛陽地鐵1號(hào)線楊灣站站后出入段線工程為背景，通過三維有限元數(shù)值模擬研究分析了盾構(gòu)隧道對(duì)東北聯(lián)絡(luò)線特大鐵路橋的影響，為類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況及水文地質(zhì)

1.1 工程概況

1.1.1 盾構(gòu)區(qū)間隧道工程概況

洛陽市地鐵1號(hào)線工程楊灣站站后出入段線區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間盾構(gòu)段結(jié)構(gòu)采用預(yù)制管片拼裝而成。預(yù)制管片襯砌參數(shù)：內(nèi)徑φ5 500 mm、外徑φ6 200 mm，管片厚度350 mm、環(huán)寬1.5 m、楔形量40 mm。襯砌環(huán)由1塊封頂塊K、2塊鄰接塊(B1、B2)、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(A1、A2、A3)組成，采用錯(cuò)縫拼裝的拼裝方式。

本區(qū)間左、右線線間距為10.0～30.6 m，線路最大縱坡為33.458‰。本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)由楊灣站大里程端始發(fā)，明挖區(qū)間盾構(gòu)井處接收。

1.1.2 東北聯(lián)絡(luò)線特大橋工程概況

該東北聯(lián)絡(luò)線特大橋位于洛陽樞紐內(nèi)，樞紐東西接入隴海鐵路，東至白馬寺站，西至洛陽站，南北接焦柳鐵路，北至孟津，南至關(guān)林。東北聯(lián)絡(luò)線特大橋結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)，跨度約32.6 m，采用φ1 000 mm鉆孔樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)約為26 m，墩臺(tái)基礎(chǔ)高度為2 m，橋下凈空約為14～16 m，地鐵1號(hào)線于東北聯(lián)絡(luò)線特大橋A067#～A069#橋墩之間下穿，其中地面標(biāo)高為126.87 m。

東北聯(lián)絡(luò)線為Ⅰ級(jí)單線電氣化鐵路；基礎(chǔ)為碎石-4000道床，軌枕為混凝土Ⅲ型橋枕，列車設(shè)計(jì)最高時(shí)速為120 km/h；軌道形式為有砟軌道，軌道結(jié)構(gòu)高度為766 mm。下穿處東北聯(lián)絡(luò)線處位于曲線段，曲線半徑1 200 m，縱坡為8‰。

1.1.3 區(qū)間隧道與東北聯(lián)絡(luò)線特大橋的位置關(guān)系

楊灣站站后出入段線左線區(qū)間與樁基的最小水平凈距為8.1 m，右線區(qū)間與樁基的最小水平凈距為8.6 m。其中聯(lián)絡(luò)線橋處區(qū)間覆土約6.1 m，盾構(gòu)區(qū)間與鐵路軌面豎向凈距約25.7 m(圖1、圖2)。

圖1 區(qū)間隧道與鐵路平面位置關(guān)系

圖2 區(qū)間隧道與鐵路平面位置關(guān)系

1.2 場(chǎng)地地層特性及水文地質(zhì)

1.2.1 工程地質(zhì)

工程場(chǎng)地地層情況：自上而下依次由人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖積層、第四系上更新沖積層構(gòu)成。第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)：褐黃色，巖性主要黃土狀粉質(zhì)黏土及黃土狀粉土，下部為細(xì)砂、卵石，廣泛分布在本區(qū)，厚度10～15 m；第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)：主要為粉質(zhì)黏土、粉土、卵石或卵石土夾砂、粉質(zhì)粘土、粉土薄層。區(qū)間穿越的地層主要有黃土狀粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、卵石地層等。

1.2.2 水文地質(zhì)

本場(chǎng)地實(shí)測(cè)地下水位埋深為12.00～15.50 m，標(biāo)高114.93～115.03 m，水量豐富，根據(jù)地下水介質(zhì)特征和埋藏賦存條件，場(chǎng)地地下水類型主要為潛水。含水層為卵石層。補(bǔ)給來源主要為大氣降水、渠水、灌溉水及河水，水量豐沛，地下水主要排泄方式為人工開采地下水，其次為地下徑流。根據(jù)洛陽市地下水多年觀測(cè)，地下水動(dòng)態(tài)類型為氣象水-文型，地下水位年變化幅度3.0 m左右，歷史最高水位為118.00 m，該地區(qū)抗浮設(shè)防水位可按118.00 m考慮。

1.2.3 巖土工程參數(shù)建議值

巖土工程參數(shù)建議值見表1。

表1 洛陽地鐵聯(lián)絡(luò)線工程巖土參數(shù)建議值

2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)及主要工程技術(shù)措施

2.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)TB 10002-2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中第5.4.6規(guī)定墩臺(tái)基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按恒經(jīng)計(jì)算，其工后沉降量不應(yīng)超過表2限值。

表2 有砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值

2.2 主要工程技術(shù)措施

盾構(gòu)穿越過程中，采取的主要措施：

(1)在穿越范圍內(nèi)，采用多孔特殊管片，取代普通段落的二次注漿，施作二次深孔加強(qiáng)注漿加固，以提高管片強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少后期沉降。

(2)下穿單位內(nèi)左、右線各采用高強(qiáng)度配筋襯砌管片。

(3)通過對(duì)盾構(gòu)施工工藝的優(yōu)化，在施工參數(shù)設(shè)定、盾構(gòu)姿態(tài)控制的條件下，進(jìn)一步減小地層沉降、橋梁變形。

(4)結(jié)合國(guó)內(nèi)軌道交通區(qū)間隧道下穿國(guó)鐵的成功經(jīng)驗(yàn)，為確保下穿期間鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，建議對(duì)列車進(jìn)行限速，限速45 km/h減速緩慢行駛。

(5)另外通過盾構(gòu)同步注漿、盾尾補(bǔ)壓漿及二次注漿的措施，能夠有效地控制鐵路橋樁的水平位移、豎向沉降。

(6)對(duì)鐵路布設(shè)嚴(yán)密的監(jiān)控網(wǎng)，加強(qiáng)其監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)格監(jiān)視各項(xiàng)控制指標(biāo)的變化，用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工。

3 盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋涵施工影響數(shù)值模擬分析

3.1 使用軟件及建立模型

有限元程序分析采用MIDAS/GTS巖土工程計(jì)算軟件。采用自動(dòng)劃分實(shí)體網(wǎng)格的方法，劃分單元為四節(jié)點(diǎn)的四面體單元，土體尺寸為171 m×68.2 m×40 m(分別為鐵路橋的順橋向、橫橋向和土層厚度)。

建立三維有限元分析模型如圖3所示。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 隧道下穿對(duì)橋墩橫、縱向位移分析

新建軌道交通1號(hào)線從東北聯(lián)絡(luò)線大橋67#、68#、69#橋墩中間穿越，左線區(qū)間與樁基的最小水平凈距為8.1 m，右線區(qū)間與樁基的最小水平凈距為8.6 m，隧道下穿對(duì)墩頂位移影響較大，墩頂位移直接影響鐵路行車安全，因此有必要對(duì)因隧道的修建引起墩頂?shù)臋M縱向的位移進(jìn)行分析。取66#～70#橋墩進(jìn)行分析(圖4、圖5)。

圖3 三維幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖4 左、右線隧道施工后引起的墩頂橫向位移

圖5 左、右線隧道修建引起的墩頂橫向位移

橋墩墩頂位移檢算如表3所示。

故橋墩截面強(qiáng)度、偏心及墩頂縱、橫向彈性位移均在允許范圍之內(nèi)，滿足安全要求。

3.2.2 左線隧道貫通對(duì)鐵路橋基樁的沉降影響分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，楊灣站站后出入段線下穿東北聯(lián)絡(luò)線先施工右線隧道，然后施工左線隧道。因左線隧道下穿引起的沉降增量如圖6所示。

表3 墩頂位移檢算結(jié)果 單位：mm

圖6 左線隧道下穿引起橋墩基樁沉降云圖

通過以上分析得出，左線下穿后東北聯(lián)絡(luò)線66#、67#、68#、69#、70#橋墩基樁沉降量分別為-0.16 mm、0.68 mm、1.54 mm、0.35 mm、-0.14 mm。

因左線下穿引起的東北聯(lián)絡(luò)線66#、67#、68#、69#、70#橋墩基樁沉降量分別為-0.01 mm、-0.03 mm、0.87 mm、0.55 mm、-0.03 mm。

因本工程左右線隧道施工引起的沉降量計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?。

由表4可知，隧道下穿之后，東北聯(lián)絡(luò)線橋墩單墩沉降值最大值為70.9 mm，滿足普速鐵路有砟軌道不大于80 mm的要求，相鄰橋墩沉降差值最大值為25.08 mm，滿足普速鐵路有砟軌道不大于40 mm的要求。

4 總結(jié)

盾構(gòu)區(qū)間隧道施工時(shí)通過采取控制掘進(jìn)參數(shù)、加強(qiáng)管片配筋、多孔注漿等措施可以有效的控制下穿段鐵路橋樁的水平、豎向位移。

通過三維數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)地面沉降、橋樁沉降、相鄰墩臺(tái)差異沉降、墩臺(tái)傾斜等變形指標(biāo)進(jìn)行分析可知，東北聯(lián)絡(luò)線的工后變形量滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。地鐵施工對(duì)工務(wù)、電務(wù)、通信、供電、電力等既有設(shè)備的影響滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)，且無需進(jìn)行遷改、防護(hù)設(shè)計(jì)。

表4 隧道施工引起橋梁沉降量計(jì)算結(jié)果匯總 單位：mm