彭江

（中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司 廣州分公司，廣州510600）

1 引言

近年來(lái)，各大城市軌道交通建設(shè)速度加快，軌道交通多采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道不可避免地穿越既有鐵路橋梁等建筑物。當(dāng)盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋梁施工時(shí)，盾構(gòu)開挖產(chǎn)生的擾動(dòng)傳遞會(huì)引起樁基變形造成其承載力降低，進(jìn)而引起軌道變位超過(guò)限值，影響行車安全【1】。目前，已有不少學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋梁進(jìn)行了較深入的研究，胡德華、段景川【2】通過(guò)有限元軟件分析了不同掘進(jìn)姿態(tài)在盾構(gòu)施工過(guò)程中對(duì)近接樁基的影響，劉記【3】采用三維有限元數(shù)值軟件分析了地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿廣深港高鐵橋梁先掘進(jìn)左線和先掘進(jìn)右線2種工況，得出在左線隧道覆土厚度較大且距橋樁距離較遠(yuǎn)時(shí)，先掘進(jìn)左線對(duì)鐵路橋影響較小的結(jié)論。本文采用三維有限元軟件，研究盾構(gòu)隧道埋深較大且穿越地層較好，盾構(gòu)雙洞隧道同時(shí)下穿鐵路同一橋孔時(shí)對(duì)橋梁的影響，探討采取防護(hù)措施的必要性。

2 工程概述

某地鐵區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，雙洞單線隧道，盾構(gòu)隧道管片外徑為6.7m，內(nèi)徑6.0m，管片厚度為350mm，采用C50鋼筋混凝土。區(qū)間隧道下穿某高速鐵路橋梁，隧道與鐵路平面交叉角約為35°，被穿越橋面寬度約為12.78m，左右線線間距約為14.5m。隧道覆土約22.92m，路基下方覆土主要為素填土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化（土狀）花崗巖、中等風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖等，隧道洞身穿越微風(fēng)化花崗巖地層中，如圖1、圖2所示。

圖1盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路橋梁平面位置關(guān)系圖

3 有限元分析

采用MIDAS/GTS通用有限元計(jì)算軟件對(duì)方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。MIDAS/GTS是一款針對(duì)巖土領(lǐng)域的通用有限元分析軟件，可以考慮填土、開挖及其他不同材料特性進(jìn)行施工階段分析，在地下工程數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

3.1 數(shù)值模型

各巖土層均采用彈塑性模型，三維實(shí)體單元，屈服準(zhǔn)則采用修正Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；盾構(gòu)隧道管片采用彈性模型。模型尺寸：108m（長(zhǎng)）×86m（寬）×60m（高）。模型的邊界條件如下：模型頂面為自由面，無(wú)約束；模型底面每個(gè)方向均約束；模型4個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無(wú)約束。對(duì)模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格為六面體和四面體混合網(wǎng)格。如圖3所示。

盾構(gòu)隧道的開挖為由遠(yuǎn)到近逐步開挖，在實(shí)際數(shù)值模擬過(guò)程中需要對(duì)隧道開挖過(guò)程進(jìn)行分步分階段處理，模擬循環(huán)開挖進(jìn)尺與現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)管片施工相符合，通過(guò)激活盾構(gòu)管片單元模擬管片施工。在完成每次開挖步后，進(jìn)行收斂計(jì)算來(lái)模擬這步開挖過(guò)程的應(yīng)力釋放過(guò)程，然后才進(jìn)入下一個(gè)開挖步計(jì)算。

圖3盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路橋梁計(jì)算模型

3.2 模型地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報(bào)告提供的巖土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標(biāo)建議值，結(jié)合工程實(shí)際情況及與其他工程類比，對(duì)計(jì)算中所用到的巖土體與結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值（見(jiàn)表1）。其中，盾構(gòu)管片彈性模量考慮管片連接對(duì)管片剛度的折減效應(yīng)，取0.8的折減系數(shù)。支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)，C50鋼筋混凝土重度25kN/m3，彈性模量E=27.6GPa，泊松比μ=0.20。

表1巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

左線區(qū)間施工縱向步距根據(jù)盾構(gòu)管片的環(huán)寬按照1.50m進(jìn)行開挖施工，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，地鐵區(qū)間施工期間，高鐵橋墩向區(qū)間開挖方向發(fā)生水平位移與沉降，地表以上355、356號(hào)橋墩發(fā)生最大沉降，沉降值為0.96mm，355、356號(hào)橋墩發(fā)生最大水平位移，位移值約0.3mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)區(qū)間地表沉降最大值為0.52mm，盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)拱頂沉降最大值為2.5mm，管片結(jié)構(gòu)凈空收斂最大值為0.1%D（D為管片外徑）。

經(jīng)過(guò)施工階段數(shù)值模擬分析，高鐵橋樁結(jié)構(gòu)變形及盾構(gòu)區(qū)間變形滿足相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

圖4廈深鐵路橋樁水平位移云圖

圖5廈深鐵路橋樁豎向位移云圖

1）搜集類似工程數(shù)據(jù)及深圳地區(qū)相似地層的盾構(gòu)施工參數(shù)、實(shí)際沉降數(shù)據(jù)等，綜合考慮鐵路范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件、覆土厚度的變化及列車運(yùn)行所造成的動(dòng)荷載效應(yīng)，制定科學(xué)合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，編制切實(shí)可行的施工、監(jiān)測(cè)方案，提前組織專家對(duì)施工方案進(jìn)行論證，確保各項(xiàng)方案合理可行。

2）優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)刀具配置、技術(shù)參數(shù)，刀盤配置應(yīng)以切刀為主，占刀具總數(shù)的60%～70%，滾刀、齒刀為輔，占刀具的30%～40%。為保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對(duì)周邊土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏，應(yīng)設(shè)置仿形刀（超挖刀）。

3）在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，要及時(shí)進(jìn)行管片背后注漿，同步注漿采用水泥砂漿，注漿壓力=地層阻力+（0.1～0.2MPa），并結(jié)合地層情況調(diào)整，建議控制在0.2～0.4MPa，注漿量5.4～6.0m3/m；二次壓漿在管片出盾尾5環(huán)后進(jìn)行，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa，注漿量約1.62～1.8m3/m。

4）盾構(gòu)下穿鐵路施工前，在同類地質(zhì)條件下設(shè)計(jì)盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)段，模擬盾構(gòu)下穿鐵路的施工過(guò)程，以試驗(yàn)掘進(jìn)段的實(shí)測(cè)情況確定盾構(gòu)正式下穿的各種參數(shù)。