盾構隧道下穿鐵路剛架橋安全影響分析

王思偉, 林立科

(湖南中大設計院有限公司， 湖南 長沙 410075)

近年來，隨著城市公共交通的快速發(fā)展，城市軌道交通工程建設和發(fā)展非常迅速。但城市軌道交通工程沿既有城市道路以隧道形式穿越居多，建設過程中會穿越各種各樣的結構物。晏成對天津地鐵3號線盾構隧道下穿鐵路框架橋工程進行了評估和預測；王國富對濟南軌道交通R1線盾構隧道下穿京滬鐵路框架橋涵進行了數值模擬和評估；李軍對長沙地鐵1號線盾構隧道下穿京廣鐵路工程的施工控制進行了深入研究,提出了旋噴樁加固、線路架空加固(橫挑縱抬)等針對性的施工控制方案。目前中國地鐵盾構隧道下穿運營鐵路的研究主要集中在下穿鐵路路基和框架橋方面的技術措施和施工控制，對地鐵盾構隧道下穿運行速度較高的城際鐵路剛架橋的設計與施工控制研究較少。該文結合長沙軌道交通6號線，對新建軌道交通隧道近距離下穿城際鐵路剛架橋的影響和安全性進行分析，評估設計的可行性，并提出相關處理對策。

1 工程概況

1.1 盾構區(qū)間基本情況

長沙軌道交通6號線朝陽村站-東郡站區(qū)間線路沿人民東路東西向布設，區(qū)間長度1.9 km。朝陽村站-東郡站區(qū)間隧道由西向東需依次下穿京廣鐵路客運線框架橋、貨運線框架橋以及長株潭城際鐵路剛架橋。

1.2 長株潭城際鐵路剛架橋基本情況

長株潭城際鐵路剛架橋位于京廣鐵路客運線、貨運線中間，采用(12.8+17.5+12.8) m剛架橋上跨人民路。東側長株潭城際鐵路走行線剛架橋為雙線橋，橋寬26 m；西側長株潭城際鐵路正線剛架橋為雙線橋，橋寬13 m；兩橋凈距約為4.4 m。

正線及走行線剛架橋均采用鋼筋混凝土薄壁橋墩，直徑100 cm鉆孔灌注摩擦樁基礎，樁底持力層為中風化泥質粉砂巖。剛架橋采用的技術標準如下：

(1) 鐵路等級：城際鐵路。

(2) 正線數目：雙線。

(3) 正線線間距：5.0 m。

(4) 速度目標值：200 km/h。

(5) 設計荷載：上部結構采用ZC活載，下部結構采用ZK活載。

(6) 軌道：有砟軌道，P60軌。

(7) 不均勻沉降：5 mm。

長株潭城際鐵路正線最高運行速度為160 km/h，每月晚間運行速度為200 km/h的綜合檢測車8趟。

1.3 隧道與長株潭城際鐵路剛架橋相互關系

隧道距離剛架橋樁基水平距離為2.35～7.52 m，隧道底距離長株潭城際鐵路剛架橋樁底垂直距離為1.97～5.14 m(圖1)，隧道采用盾構法施工。

圖1 盾構隧道與剛架橋立面關系圖(單位:m)

1.4 工程地質

根據工程地質勘察報告，從上到下依次為人工填土、粉質黏土、圓礫土、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖。盾構隧道穿越地層為中風化泥質粉砂巖，中風化泥質粉砂巖層狀構造較厚、呈泥質膠結狀態(tài)、節(jié)理和裂隙較發(fā)育，抗壓強度標準值為3.0 MPa。

地下水主要有上層滯水、孔隙水和裂隙水。人工填土層富水性整體較差；孔隙水主要分布在細圓礫、卵石土等土層中，呈中等富水性，為弱承壓水；泥質砂巖裂隙水存量小，逕流條件差。

2 隧道施工對剛架橋的影響分析

盾構隧道施工時，地層受到擾動后產生地層損失，使隧道周圍土體受到擾動或擠壓產生再固結，是構成地表變形和地面沉降的根本原因。施工過程中盾構機前方和頂部土體會產生微量的隆起，盾構機部分通過后土體開始下沉，盾尾脫離后土體加快下沉，會形成一定寬度的沉降槽。隧道施工對長株潭城際鐵路剛架橋的主要影響如下：

(1) 因剛架橋樁基距離隧道較近，盾構施工擾動周邊土體產生沉降，會使樁基產生負摩阻力而影響剛架橋的樁基承載力。

(2) 隧道施工還會使橋梁樁基產生水平位移，樁基在豎向負摩阻力和水平位移的作用下會引起剛架橋結構變位。

(3) 隧道距離各橋墩樁基位置各不相同，各橋墩的沉降也不一樣，相當于給剛架橋產生了附加不均勻沉降。

(4) 剛架橋為超靜定結構，附加不均勻沉降會產生附加內力，使剛架橋的結構內力和變形相對于原設計狀況有所改變。

(5) 剛架橋墩臺基礎的不均勻沉降導致橋梁結構變形，結構變形引起軌道變形而影響軌道的平順性。

3 數值模擬計算

完全真實地模擬土體材料的工程特性是很困難的，需要適當簡化分析模型，在三維分析時進行了以下假定和簡化：

(1) 將土體近似假設為各個方向性質相同、質地均勻的彈塑體，土層近似為水平層狀連續(xù)分布的均質材料。

(2) 不考慮地下水對初始地應力的影響和土體構造應力，在土體自重作用下達到平衡后再進行隧道的盾構掘進施工。

3.1 模型建立

為分析和評估盾構隧道施工產生不均勻沉降對剛架橋的結構影響和軌道平順性影響，采用Midas/GTS(NX版)建立三維有限元分析模型，整個模型計算范圍為135 m×120 m×46 m(長×寬×高)，模型包括66 742個單元和14 624個節(jié)點。

模型邊界條件采用位移邊界，模型上表面為自由邊界，其他外表面法線方向的位移均約束。地層及路基采用摩爾庫侖(Mohr-Coulonb)彈塑性模型；隧道管片、剛架橋采用彈性(Elastic)模型，其中盾構隧道管片、橋面板采用板單元，剛架橋基礎采用樁單元。巖土及結構主要力學參數如表1、2所示。

表1 巖土力學計算參數

表2 主要結構物力學參數

3.2 荷載

土體及結構物按自重計取，列車荷載根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》取值，考慮動力放大系數后按靜力荷載加載。

3.3 盾構施工過程模擬

為分析隧道掘進施工對長株潭城際鐵路剛架橋的影響，按照盾構刀盤推進的位置按先左線后右線分別劃分為典型的10個工況，具體位置示意圖見圖2。

圖2 開挖步距示意圖

盾構掘進施工模擬過程分3步：① 初始地應力作用下土體達到平衡狀態(tài)；② 左線隧道施工，下穿剛架橋；③ 右線隧道施工，下穿剛架橋。

3.4 數值分析結果

經3個步驟模擬隧道按先左線后右線的盾構掘進順序下穿剛架橋后，地表沉降云圖如圖3、4所示。

圖3 左線隧道通過剛架橋后地層豎向位移云圖(單位：m)

圖4 右線隧道通過剛架橋后地層豎向位移云圖(單位：m)

由圖3、4可知：隧道施工掘進過程中，地層損失使穿越上方地層產生了豎向變形，其中隧道正上方的土體沉降最大，最大沉降約為8.2 mm，從隧道正上方拱部向兩側地表逐漸擴散，沉降值逐漸減?。凰淼赖撞客馏w產生了一定程度隆起，向上隆起最大值為3.6 mm。

（1）奉新縣農業(yè)基礎與發(fā)展狀況好，目前正處于繁榮發(fā)展的階段。結合奉新工業(yè)園區(qū)在區(qū)域內的輻射影響力，適合發(fā)展林竹木加工、旅游產品制造、特色食品加工等綠色生態(tài)輕工業(yè)產業(yè)，即以第一產業(yè)為基礎、利用大都市核心區(qū)的擴散效應，學習核心區(qū)發(fā)展的技術與理念，發(fā)展縣內第二產業(yè)中的輕工業(yè)，從而升級現(xiàn)有工業(yè)園區(qū)使之更符合整個區(qū)域規(guī)劃。

因地層沉降引起的剛架橋不均勻沉降云圖見圖5。

圖5 盾構通過后剛架橋的位移云圖(單位：m)

由圖5可知：盾構穿越剛架橋后引起各墩臺產生沉降，各墩臺的沉降呈現(xiàn)明顯的不均勻性，距離隧道越遠的墩臺沉降越小，距離越近的墩臺沉降越大，橋墩最大沉降為-1.05 mm，橋臺最小沉降為-0.28 mm。

隧道區(qū)間左線及右線盾構掘進通過后長株潭城際鐵路剛架橋樁基水平位移云圖如圖6、7所示。

圖6 左線隧道通過后樁基水平位移云圖(單位：m)

由圖6、7可知：左線掘進通過后剛架橋樁基最大水平位移為1.8 mm，右線掘進通過后剛架橋樁基最大水平位移為2.3 mm，樁身在盾構隧道區(qū)域附近位移最大，向上下兩端逐漸減小。

由于上部道床及軌道的豎向剛度較大，近似通過路基及剛架橋的變形來分析軌道沿隧道縱向沉降規(guī)律。盾構穿越剛架橋施工過程中，鐵路道床受到了不利影響，當盾構完全通過后，鐵路道床最大沉降量為-2.05 mm(圖8)。

圖7 右線隧道通過后樁基水平位移云圖(單位：m)

圖8 盾構通過后鐵路道床豎向位移曲線

由圖8可知變形總體呈現(xiàn)為盾構隧道施工上方沉降較大，到兩側遞減，基本符合Peck公式的沉降規(guī)律。

由圖8可知：在左右隧道及中間區(qū)域道床變形最大，向兩側逐漸減小，在隧道中心線40 m以外道床變形基本為0。因此可以確定，盾構隧道施工對剛架橋的影響區(qū)為隧道中心兩側各40 m。

4 剛架橋結構檢算

采用Midas/Civil分析計算軟件，建立“荷載-結構”模型。采用梁單元桿系結構，樁基礎采用等效剛度梁單元模擬。邊界條件為：梁端采用豎向約束，樁基按等代梁單元采用固結約束；橋墩與上部結構連接采用剛性連接。結構斷面參數按剛架橋實際尺寸選取。計算模型如圖9所示。

圖9 剛架橋計算模型

荷載組合按現(xiàn)行TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》取最不利的工況組合，盾構通過后的樁基最大沉降-1.05 mm采用強制位移施加到計算模型，原設計不均勻沉降為-5 mm，其他設計荷載均按原設計取值。橋梁結構設計按照TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》進行復核計算。

4.1 梁體截面計算結果

經計算，在隧道掘進施工前后剛架橋梁體結構設計各項指標如表3所示。

表3 梁體截面檢算結果

由表3可知：剛架橋梁體上緣鋼筋應力增加1%～3%，鋼筋最大應力為152 MPa(墩頂)，下緣鋼筋應力增加1%～4%，鋼筋最大應力為137 MPa(跨中)。剛架橋梁體混凝土應力增加1%～4%，最大應力為7.8 MPa，均滿足規(guī)范要求。

根據TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》中裂縫寬度經驗計算公式計算，剛架橋梁體上緣裂縫增加1%～3%，最大裂縫寬度為0.15 mm，下緣裂縫增加1%～5%，最大裂縫寬度為0.14 mm，均滿足規(guī)范要求。

4.2 剛架橋墩身截面驗算結果

隧道掘進前后剛架橋橋墩結構設計各項指標如表4所示。

表4 剛架橋墩身截面計算結果

剛架橋墩身最大內力發(fā)生在墩底部位，計算結果表明：盾構施工對剛架橋墩身的豎向力、彎矩、混凝土及鋼筋應力均有一定的影響，但結構承載力滿足設計規(guī)范要求。

4.3 剛架橋樁基驗算結果

剛架橋樁基驗算結果見表5。

表5 樁基計算結果

表5表明：盾構施工對剛架橋的樁基結構有一定影響，樁基豎向軸力、樁身混凝土應力、鋼筋應力均有所增加。原設計橋臺樁基承載力容許值[P]=3 870 kN、橋墩樁基承載力容許值[P]=5 704 kN，混凝土容許應力[σb]=16.9 MPa，鋼筋容許應力[σs]=230 MPa，計算結果均未超過容許值，各項指標均滿足設計規(guī)范要求。

5 安全性分析及對策

該剛架橋于2016年12月正式建成通車，根據竣工驗收各項資料顯示，剛架橋的使用狀況良好。盾構隧道施工對剛架橋結構內力和各項設計指標有一定的影響，但是變化量相對較小，剛架橋抗力有一定的儲備，考慮隧道施工引起的不均勻沉降后，剛架橋各設計指標仍滿足規(guī)范要求。

5.1 沉降控制指標

區(qū)間隧道下穿長株潭城際鐵路剛架橋時，地面沉降控制要求較嚴格，軌道沉降按200 km/h靜態(tài)臨時補修管理值控制標準：軌面沉降值不超過8 mm，軌道高低值不超過8 mm，相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過8 mm，相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過6 mm，剛架橋相鄰橋墩沉降差不超過5 mm。

5.2 施工控制措施

該區(qū)間盾構隧道與長株潭城際鐵路剛架橋樁基水平距離為2.35～7.52 m，盾構隧道頂部為人工填土、粉質黏土、細圓礫土、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖。雖然三維數值模擬分析和剛架橋結構檢算結果表明影響可控，但考慮到施工工藝等未知影響因素，仍需要采取相應的保護方案及施工控制措施。

(1) 根據相關研究，減小盾構隧道對既有結構物的影響常用的有效辦法是增設隔離樁，但該隧道與橋梁樁基最小凈距僅2.35 m，不滿足設置隔離樁的條件，建議對剛架橋樁側進行靜力壓漿，改善巖層頂面土層的特性，盡可能減小沉降對剛架橋的不利影響。

(2) 利用盾構掘進鐵路剛架橋下方前50 m作為試驗段，通過對試驗段的掘進參數及地面沉降情況進行統(tǒng)計分析，預測盾構機通過鐵路時可能出現(xiàn)的沉降值，以最優(yōu)的盾構掘進參數通過剛架橋段。

(3) 盾構穿越鐵路前，建立系統(tǒng)、完善的監(jiān)測網，施工中進行變形監(jiān)測并及時反饋信息，并進行跟蹤注漿或補充注漿，以減少地層損失。

(4) 在盾構機掘進通過長株潭城際鐵路剛架橋前，建議參照“橋涵頂進施工慢行”限速60 km/h。

6 結論

(1) 通過三維數值模擬分析了隧道施工對剛架橋的影響，建立“荷載-結構模型”對剛架橋進行了結構驗算。計算結果表明：盾構施工對剛架橋的結構安全性和軌道平順性有一定的影響，但仍處于規(guī)范允許范圍，盾構下穿剛架橋的設計方案總體可行。

(2) 考慮到盾構穿越巖層仍存在巖石軟硬不均等不確定因素，盾構下穿時應加強洞內注漿并根據監(jiān)測數據實時跟蹤注漿，有效減少盾構掘進過程中的地層損失，抑制盾構掘進過程中長株潭城際鐵路剛架橋樁基的變形。