富水砂層中地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路病害橋施工的風(fēng)險(xiǎn)分析及控制措施

李 曄

(中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司,南昌,330002∥正高級(jí)工程師)

當(dāng)新建隧道下穿既有橋梁時(shí),會(huì)增加橋梁樁基的側(cè)向變形及沉降,減弱樁基承載力,進(jìn)而帶來安全隱患[1-2]。因此,新建隧道工程需采取針對(duì)性的控制措施,以降低工程風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)地闡述了軟弱地層條件下盾構(gòu)穿越高鐵所存在的風(fēng)險(xiǎn),并提出相應(yīng)的安全控制體系。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為與注漿加固周圍土體相比,隔離樁對(duì)盾構(gòu)下穿鐵路橋施工的防護(hù)效果更佳。文獻(xiàn)[5]對(duì)盾構(gòu)下穿引起的隧道縱向及環(huán)向結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了全過程的跟蹤及分析。文獻(xiàn)[6]探討了多種隔離樁對(duì)盾構(gòu)下穿高鐵橋的防護(hù)效果。文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值手段,對(duì)盾構(gòu)穿越引起已運(yùn)營(yíng)鐵路橋涵的力學(xué)行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[8]利用數(shù)值技術(shù),探討了隧道下穿高鐵工程的控制標(biāo)準(zhǔn)及施工控制措施。

上述研究成果涉及新建工程下穿既有鐵路病害橋的情況較少。鐵路病害橋縱橫向剛度不足、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性差。富水砂層是不穩(wěn)定地層,受擾動(dòng)后地層反應(yīng)靈敏。因此,富水砂層新建的盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路病害橋時(shí),會(huì)增大風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生概率。鑒于此,本文針對(duì)南昌軌道交通4號(hào)線起鳳路站—七里站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“起七區(qū)間”)下穿京九鐵路工程,結(jié)合富水砂地層和鐵路病害橋的特點(diǎn),對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的原因及造成的危害進(jìn)行分析,并提出一套較為成熟的風(fēng)險(xiǎn)控制體系。

1 工程概況

起七區(qū)間隧道右線(以下簡(jiǎn)稱“右線”)的長(zhǎng)度為1 073.288 m,隧道左線(以下簡(jiǎn)稱“左線”)的長(zhǎng)度為1 075.633 m,左右線的間距為12～17 m,隧道頂埋深為9.7～18.6 m。該區(qū)間隧道沿青山北路敷設(shè),下穿英雄大橋、京九鐵路青山路立交橋后進(jìn)入起鳳路站。起七區(qū)間隧道與京九鐵路青山路立交橋的位置關(guān)系如圖1所示。京九鐵路青山路立交橋的基礎(chǔ)為獨(dú)立淺基礎(chǔ),離現(xiàn)有地面約4.9 m,基礎(chǔ)底標(biāo)高為14.7 m。起七區(qū)間隧道與京九鐵路青山立交橋基礎(chǔ)的最小水平凈距約為1.680 m,豎向凈距為9.417 m。

圖1 起七區(qū)間隧道與京九鐵路青山路立交橋位置關(guān)系示意圖

2 施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

起七區(qū)間隧道工程屬富水砂層盾構(gòu)隧道下穿鐵路病害橋施工,其風(fēng)險(xiǎn)源主要包括:

1) 鐵路病害橋的高敏感性。京九鐵路青山路立交橋劣化嚴(yán)重,梁體有多處裂縫,墩身腐蝕剝落,裂縫普遍,且結(jié)構(gòu)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。起七區(qū)間盾構(gòu)下穿引起的地層變形可能會(huì)導(dǎo)致橋梁裂縫進(jìn)一步發(fā)展,甚至導(dǎo)致橋梁整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,造成嚴(yán)重的后果。

2) 富水砂層的不穩(wěn)定性。該隧道洞身全部位于富水的礫砂層中。富水礫砂層具有結(jié)構(gòu)松散、無(wú)膠結(jié)、孔隙比大、黏合力小及自穩(wěn)性差等特點(diǎn)。當(dāng)隧道穿越富水礫砂層時(shí),由于其自穩(wěn)性較差,地面更容易產(chǎn)生較大的沉降,施工風(fēng)險(xiǎn)性極高。

3) 工期緊張。施工時(shí)臨近春運(yùn),該工程須在春運(yùn)前完工并通車,施工期只有10 d。

綜上所述,為確保該工程施工過程滿足沉降控制要求,綜合考慮后提出了鐵路橋置換及注漿加固的施工方案,即在既有京九上跨橋邊孔道路上預(yù)制框架,對(duì)下穿區(qū)域基礎(chǔ)范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固。

3 施工風(fēng)險(xiǎn)影響數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型建立

采用FLAC3D軟件對(duì)工程進(jìn)行建模?？紤]到隧道開挖影響范圍一般在3～5倍洞徑距離內(nèi),取75 m(50環(huán)管片的累計(jì)寬度)作為計(jì)算模型的縱向開挖長(zhǎng)度,取地面以下40 m作為模型豎向深度。建立的三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示,其尺寸為80 m(x向)×75 m(y向)×40 m(z向)。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

土體材料采取摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,其參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告選取。其余材料均采用線彈性模型,所有單元均為實(shí)體單元。模擬計(jì)算時(shí),盾構(gòu)土倉(cāng)壓力和同步注漿壓力均取0.1 MPa;鐵路列車荷載根據(jù)TB 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》取50 kN/m;路面汽車荷載取10 kPa。該數(shù)值模型的材料參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型的材料參數(shù)

3.2 掘進(jìn)過程模擬

初始地應(yīng)力平衡后,以5環(huán)管片的累計(jì)寬度(7.5 m)作為1個(gè)開挖步,每步開挖后的地層應(yīng)力釋放采用節(jié)點(diǎn)反力法(應(yīng)力釋放系數(shù)取0.5)。應(yīng)力釋放完成后,立即施作實(shí)體單元,以模擬管片的拼裝。同時(shí)修改周邊土體的參數(shù),以模擬同步注漿過程。

3.3 施工工況設(shè)置

本文設(shè)置了3種施工工況:①工況一,不進(jìn)行預(yù)加固;②工況二,地層注漿加固;③工況三,地層注漿加固+框架涵加固,其中地層注漿加固的區(qū)域?yàn)?z向取雙線隧道底部以下3.4 m至隧道結(jié)構(gòu)頂部以上9.4 m,y向取隧道結(jié)構(gòu)左右各6 m。

3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖3為施工時(shí)地面及橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖。根據(jù)施工監(jiān)測(cè)要求,沿既有鐵路上下行方向各布置2個(gè)地面監(jiān)測(cè)斷面(DB1、DB2),這2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面與鐵路中心線的距離均為7 m。2個(gè)斷面上均設(shè)11個(gè)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)(DB1-1—DB1-11、DB2-1—DB2-11),相鄰地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距為5 m。在既有鐵路中心線(立交橋橋面上)設(shè)1個(gè)橋面監(jiān)測(cè)斷面QM0(其中QM0-5為既有鐵路中心線和起七區(qū)間隧道中心線的交點(diǎn)),在該斷面上設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(QM0-1—QM0-10),相鄰橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距為5 m。

圖3 地面及橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

4 模擬結(jié)果分析

圖4為盾構(gòu)貫通后模型在工況一下的隧道圍巖豎向位移云圖。由圖4可知:盾構(gòu)隧道施工導(dǎo)致上覆地層在一定范圍內(nèi)形成了“碗形”沉降區(qū);既有高架橋與地面接觸范圍內(nèi)的圍巖變形尤為明顯,最大沉降(沉降量為18.08 mm)發(fā)生在拱頂處。

圖4 盾構(gòu)貫通后模型在工況一下的豎向位移云圖

4.1 地面沉降分析

選取地面在y=50 m處的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析。該斷面不同工況下的地面沉降曲線如圖5所示,橫軸取QM0-5至QM0-1的方向?yàn)檎较颉Ｓ蓤D5可知:工況一下地面的最大沉降量約為6.21 mm;采取預(yù)加固措施(工況二及工況三)后,地面沉降量有所減少;工況二及工況三對(duì)地面沉降的影響差別不大,最大沉降值約為3.18 mm,較工況一約減少48.8%。

圖5 不同工況下y=50 m處監(jiān)測(cè)斷面的地面沉降曲線

4.2 既有鐵路路基沉降分析

選取既有鐵路路基中心所在的橫斷面(y=50 m)為監(jiān)測(cè)斷面,該監(jiān)測(cè)斷面與隧道軸線方向垂直。該斷面不同工況下的地面沉降曲線如圖6所示,橫軸取QM0-5至QM0-1為正方向。由圖6可知:工況一下既有鐵路路基的最大沉降量達(dá)5.92 mm;工況二下既有鐵路路基的最大沉降量明顯減少,其最大沉降值量為3.71 mm;工況三對(duì)既有鐵路路基的沉降控制效果最為顯著,其最大沉降量為2.18 mm;相比工況一和工況二,工況三下既有鐵路路基的最大沉降量分別減少了63.2%和41.2%。

圖6 不同工況下y=50 m處既有鐵路路基的地面沉降曲線

根據(jù)上述的數(shù)值模擬結(jié)果,本文采用工況三作為施工控制措施。

5 施工實(shí)測(cè)分析

基于上文的數(shù)值模擬結(jié)果,實(shí)際施工時(shí)采用工況三的控制措施,即在盾構(gòu)穿越京九鐵路青山路立交橋前,對(duì)地層進(jìn)行了注漿加固,對(duì)橋梁進(jìn)行了框架涵加固?；诖酥贫▽?shí)際施工的監(jiān)測(cè)方案,并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

依據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求,結(jié)合施工的具體情況,本工程的地面變形控制值取-20～10 mm,橋面沉降控制值取6 mm,橋梁不均勻沉降控制值取5 mm。

取右線隧道正上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB1-8、DB2-8、QM0-6進(jìn)行分析,其實(shí)測(cè)的地面豎向變形時(shí)程曲線如圖7所示。由圖7可知:地面測(cè)點(diǎn)的豎向變形量隨時(shí)間的變化較為明顯,這是由于掌子面與監(jiān)測(cè)斷面距離隨時(shí)間變化而變化導(dǎo)致的;監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB1-8、DB2-8的地面豎向變形隨時(shí)間推移而增大,直到隧道下穿通過后,豎向變形量才開始趨于穩(wěn)定;橋面監(jiān)測(cè)點(diǎn)QM0-6的豎向變形量遠(yuǎn)小于2個(gè)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大豎向變形量。

圖7 地面、橋面部分測(cè)點(diǎn)的實(shí)際豎向變形時(shí)程曲線

圖8是隧道下穿完成后5 d(即2021年1月20日)地面、橋面監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)豎向變形曲線。由圖8可知:鐵路橋兩側(cè)的地面累計(jì)豎向變形量差異不大,累計(jì)豎向變形的最大值出現(xiàn)在雙線隧道中心線附近,其累計(jì)豎向變形量為7.63 mm,橋面整體的累計(jì)豎向變形量在3.0～4.2 mm之間,滿足變形監(jiān)測(cè)要求。

圖8 地面、橋面監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)豎向變形曲線

6 結(jié)論

1) 采用地下基礎(chǔ)注漿加固及現(xiàn)澆框架加固橋梁的方式,可以很好地解決鐵路病害橋敏感性高、整體穩(wěn)定性差等問題,進(jìn)而降低隧道下穿的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2) 通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)下穿時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì),可有效地降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn),保證隧道安全、快速穿過鐵路病害橋。

3) 從控制效果看,在盾構(gòu)隧道下穿過程中采用本文所述的各項(xiàng)控制方法后,地面沉降量較小,橋梁變形滿足控制要求,且盾構(gòu)通過時(shí)間小于預(yù)期。