鄭浩龍

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310030）

1 引言

針對(duì)盾構(gòu)下穿鐵路框架橋的工程問題，已有諸多學(xué)者通過數(shù)值模擬[1-7]及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[8-11]等手段開展了相關(guān)研究。李谷陽等[12]針對(duì)北京地鐵8號(hào)線盾構(gòu)在砂卵石地層中下穿鐵路框架橋極易導(dǎo)致地表沉降和塌陷的問題，研究了盾構(gòu)施工引起的地層擾動(dòng)變形、孔隙水平壓力變化及橋梁結(jié)構(gòu)變形等規(guī)律，并提出了工程保障措施。汲紅旗等[13]以長沙地鐵6號(hào)線盾構(gòu)在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中下穿京廣鐵路客運(yùn)線框架橋?yàn)槔?，研究了不同加固條件、注漿壓力和土倉壓力下盾構(gòu)下穿對(duì)框架橋和軌道變形及其受力的影響，并提出了相應(yīng)的施工控制對(duì)策。以上研究很少涉及華東地區(qū)流塑狀的軟弱地層；因此，針對(duì)軟弱地層地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路框架橋的影響分析及采用何種有效措施進(jìn)行防治的研究具有重要的工程意義。本文以杭州地鐵9號(hào)線一期工程臨邱區(qū)間下穿滬杭鐵路迎賓路鐵路框架橋?yàn)楸尘埃ㄟ^數(shù)值模擬分析在軟弱地層中盾構(gòu)施工對(duì)鐵路框架橋沉降變形的影響，并提出軟弱地層中的應(yīng)對(duì)措施；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，此舉能夠確保鐵路框架橋的安全運(yùn)營。

2 工程概況

杭州地鐵9號(hào)線一期工程臨邱區(qū)間出臨平站后往西北沿迎賓路敷設(shè)，下穿迎賓路鐵路框架橋、上塘河及西洋橋，進(jìn)入邱山大街站，左線長1 378.273 m，右線長1 379.561 m，線間距11～15.6 m、埋深9.86～24.5 m，最小平曲線半徑700 m，最大縱坡26.7‰。盾構(gòu)隧道采用2臺(tái)小松土壓平衡盾構(gòu)機(jī)自北向南施工，先施工左線，再施工右線；開挖直徑6.43 m，管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，厚0.35 m，幅寬1.2 m，錯(cuò)縫拼裝；采用C50混凝土，抗?jié)B等級(jí)P10。

滬杭鐵路迎賓路鐵路框架橋原為5 m + 9 m + 5 m三孔框架，于2006年全部頂出廢除，頂進(jìn)法新建5 m +12 m +12 m + 5 m四孔框架，有砟軌道，國家Ⅰ級(jí)電氣化鐵路，設(shè)計(jì)速度160 km/h?？蚣軜蜻吙? m框架頂板厚45 cm，底板厚50 cm，邊墻厚40 cm；其主孔12 m框架頂板厚70 cm，底板厚90 cm，邊墻厚80 cm；其主孔框架和邊孔框架基礎(chǔ)均采用φ600高壓旋噴樁加固；樁長為12.8 m或9.2 m（樁底標(biāo)高均為-10.9 m）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，框架橋表面基本無裂縫，正常使用，狀態(tài)良好。

盾構(gòu)隧道分別在里程左DK41 + 138.000～左DK41 +151.000范圍（631環(huán)～642環(huán)）和右DK41 + 147.000～右DK41+160.000范圍（629環(huán)～640 環(huán)）下穿鐵路框架橋，兩者呈84.6°夾角相交，盾構(gòu)頂部距旋噴樁樁底最小豎向凈距約7.44 m，平面和剖面關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)詳勘資料，鐵路框架橋范圍地層從上至下包括填土、黏質(zhì)粉土、粉土與粉質(zhì)黏土互層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、含黏性土碎石、黏土。盾構(gòu)隧道穿越處地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土，呈流塑狀，含水量 33.5%，為本地區(qū)比較典型的軟弱地層。

3 盾構(gòu)下穿框架橋影響分析

3.1 鐵路框架橋變形控制標(biāo)準(zhǔn)

既有鐵路框架橋控制指標(biāo)主要受路基、線路、軌道和保養(yǎng)情況等因素的影響。由于工程施工必須保證鐵路的安全運(yùn)營，為確保盾構(gòu)推進(jìn)的安全性，同時(shí)避免不確定性因素的影響，必須對(duì)施工過程同步跟進(jìn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本工點(diǎn)鐵路為非道岔地段，監(jiān)測(cè)報(bào)警值根據(jù)《普速鐵路線路修理規(guī)則》（鐵總工電[2019]34號(hào)）[14]、《上海鐵路局工務(wù)安全管理辦法》（上鐵工[2017]382號(hào)）[15]等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求執(zhí)行，主要標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 鐵路框架橋沉降控制指標(biāo)

3.2 模型建立

為準(zhǔn)確分析地鐵盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)鐵路框架橋的影響，采用Midas GTS軟件對(duì)盾構(gòu)下穿施工全過程建立三維模型進(jìn)行數(shù)值分析；模型分別模擬無洞內(nèi)注漿加固和有洞內(nèi)注漿加固（加固厚度2 m）2種工況。鐵路框架橋、地層采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，地鐵盾構(gòu)隧道管片采用殼單元進(jìn)行模擬，考慮邊界效應(yīng)后建立的有限元三維計(jì)算模型如圖2所示。

橋涵上考慮到的列車荷載取92 kN/m計(jì)算。盾構(gòu)掘進(jìn)過程采用動(dòng)態(tài)模擬施工，先開挖左線盾構(gòu)隧道，再開挖右線盾構(gòu)隧道。分析過程中采用分段掘進(jìn)的增量法，且考慮同步注漿壓力、盾構(gòu)機(jī)掌子面壓力等因素影響。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

在軟弱地層環(huán)境下進(jìn)行地鐵盾構(gòu)隧道穿越施工后，既有鐵路框架橋主要表現(xiàn)為沉降變形，如圖3所示，具體結(jié)果分析如下。

（1）地鐵盾構(gòu)隧道下穿施工后，未進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固時(shí)，鐵路框架橋主要表現(xiàn)為沉降變形，最大沉降量為6.72 mm，大于5 mm的標(biāo)準(zhǔn)，不均勻沉降為4.22 mm，不能滿足鐵路部門的沉降控制要求；進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固時(shí)，鐵路框架橋最大沉降量為4.76 mm，小于5 mm的標(biāo)準(zhǔn)，不均勻沉降為2.38 mm，加固后能夠滿足鐵路部門的沉降控制要求。這說明在軟弱地層中地鐵盾構(gòu)下穿施工后進(jìn)行洞內(nèi)注漿對(duì)抑制鐵路框架橋的沉降變形具有顯著效果。

（2）鐵路框架橋出現(xiàn)沉降變形較大的范圍主要位于中間2孔車行框架橋范圍，正好處于盾構(gòu)隧道沉降槽投影范圍；因此，車行框架橋沉降監(jiān)測(cè)是后續(xù)施工監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

（3）鐵路框架橋頂板的沉降量及不均勻沉降與底板基本相同，且沉降值較小；這說明鐵路框架橋混凝土結(jié)構(gòu)整體性能較好，引起附加應(yīng)力較小，不會(huì)造成框架橋結(jié)構(gòu)的損壞。

4 盾構(gòu)下穿框架橋應(yīng)對(duì)措施

（1）優(yōu)化地鐵盾構(gòu)隧道縱斷面設(shè)計(jì)，確保盾構(gòu)隧道距離框架橋旋噴樁底大于1D（D為洞徑）；管片采用超深埋管片，螺栓性能采用8.8級(jí)，加強(qiáng)鐵路框架橋前后4環(huán)范圍內(nèi)的管片環(huán)縫防水：采用厚度為6 mm的環(huán)向丁腈軟木橡膠襯墊，彈性密封墊加貼遇水膨脹橡膠（24 mm×3 mm）。

（2）管片增設(shè)注漿孔，預(yù)留洞內(nèi)二次注漿條件。為加強(qiáng)地鐵盾構(gòu)下穿鐵路框架橋后的二次注漿和應(yīng)急處理能力，在穿越段盾構(gòu)管片增設(shè)注漿管，注漿孔由6個(gè)增加到16個(gè)，即鄰接塊、標(biāo)準(zhǔn)快均增加到2個(gè)注漿孔；洞內(nèi)二次注漿采用少量多次跳環(huán)注漿方式，并每5環(huán)用雙液漿打環(huán)箍，以有效阻隔地下水對(duì)漿液的稀釋，將注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

（3）在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)方面，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，利用中盾預(yù)留的4個(gè)徑向注漿孔，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中同步注入克泥效（克泥效 : 水玻璃=20 : 1，克泥效每立方用量400 kg），及時(shí)填充刀盤開挖與盾殼間的空隙，減少軟弱地層沉降。

（4）按穿越順序分階段優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。在下穿鐵路框架橋前300環(huán)范圍內(nèi)設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)段（左線325環(huán) ～425環(huán)和550環(huán)～600環(huán)，右線405環(huán)～505環(huán)和550 環(huán)～600環(huán)）。試驗(yàn)段掘進(jìn)完成后，對(duì)采集的各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)與地面沉降值進(jìn)行全面分析并不斷優(yōu)化參數(shù)準(zhǔn)確度，摸索出在軟弱地層⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層中最合理的掘進(jìn)參數(shù)，最終確定地鐵盾構(gòu)下穿鐵路框架橋指導(dǎo)性施工參數(shù)：推進(jìn)速度30～40 mm/min，總推力1 400～1 600 t，刀盤轉(zhuǎn)速0.8 rpm，刀盤扭矩140～160 t · m，土壓力2.3～2.5 bar，同步注漿量每環(huán)5.5～6.0 m3，出土量40～41 m3。

（5）穿越期間對(duì)鐵路框架橋采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，以控制結(jié)構(gòu)隆起狀態(tài)，將隆起值控制在3 mm以內(nèi)；穿越后根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)有效地采取管片洞內(nèi)注漿。

（6）為確保列車運(yùn)營安全，向鐵路運(yùn)營管理部門申請(qǐng)列車通過該區(qū)域時(shí)限速至45 km/h；同時(shí)在鐵路框架橋地面預(yù)備道砟，當(dāng)沉降過大時(shí)及時(shí)通過填筑道砟來調(diào)整軌道至合適位置。

5 監(jiān)測(cè)分析

對(duì)鐵路框架橋（孔1～孔6）進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，每孔框架結(jié)構(gòu)分別布置東西方向2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位共計(jì)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)周期為：盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入鐵路框架橋30 m范圍內(nèi)開始至盾尾離開鐵路30 m后，直至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定時(shí)結(jié)束。

地鐵左線盾構(gòu)在下穿進(jìn)入框架橋前，鐵路框架橋整體變形趨勢(shì)呈現(xiàn)微隆起狀態(tài)。本文重點(diǎn)研究下穿至收斂穩(wěn)定期間鐵路框架橋沉降時(shí)程曲線變化情況，如圖4、圖5所示。

（1）左線盾構(gòu)下穿鐵路框架橋期間（2020年7月7日— 7月14日），數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，框架橋呈現(xiàn)微隆起狀態(tài)，隆起值不大于3 mm。

（2）左線盾構(gòu)穿越工后約1周內(nèi)（2020年7月15日— 7月20日），左線盾構(gòu)沉降槽范圍的孔1～孔4沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)以相對(duì)較大但未超過預(yù)警值的速率（平均速率約-0.4 mm/天）持續(xù)下降，且最大累計(jì)沉降值為2.8 mm，未超過預(yù)警值（3 mm）。隨后不定期進(jìn)行盾構(gòu)洞內(nèi)注漿，遵循少量多次原則，盡量減少對(duì)軟弱地層的擾動(dòng)，持續(xù)至沉降收斂為止。

（3）在盾構(gòu)間歇期（2020年7月20日— 9月13日），鐵路框架橋沉降變化緩慢。

（4）右線盾構(gòu)下穿框架橋期間（2020年9月14日— 9月21日），框架橋孔1～孔3沉降變形較小，框架橋孔4～孔6沉降變形約1～1.5 mm，累計(jì)變化量均未超過預(yù)警值，但沉降趨勢(shì)明顯。

（5）雙線盾構(gòu)下穿框架橋后，框架橋持續(xù)沉降。截至10月8日，鐵路框架橋孔4西監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累計(jì)值為3.5 mm，首次超過預(yù)警值3 mm；10月19日鐵路框架橋孔3西監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累計(jì)值為4.5 mm，首次超過報(bào)警值 4 mm。

（6）進(jìn)行洞內(nèi)注漿后的一段時(shí)間內(nèi)（2020年10月19日— 2020年12月10日），框架橋沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)仍以較小的速率（平均速率約-0.1 mm/3天）持續(xù)下降。11 月11日監(jiān)測(cè)到的鐵路框架橋孔3西監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累計(jì)值為5.1 mm，首次超過控制值5 mm；根據(jù)專家評(píng)審及路局要求，超過控制值后及時(shí)增加人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并延長監(jiān)測(cè)周期。

（7）截至2021年1月22日，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)過一段時(shí)間工后沉降，變形逐漸趨于穩(wěn)定，數(shù)據(jù)達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。左線盾構(gòu)上方框架橋孔3西監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降量為6.9 mm。

6 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析結(jié)果對(duì)比

（1）對(duì)于地鐵盾構(gòu)下穿鐵路框架橋后洞內(nèi)注漿工況，數(shù)值分析的最大沉降量為4.76 mm，工程實(shí)測(cè)的最大沉降量為6.9 mm。雖然數(shù)值分析和工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的偏差，但數(shù)值分析可以較清晰地反映地鐵盾構(gòu)隧道在軟弱土層環(huán)境下掘進(jìn)對(duì)上方鐵路框架橋的影響。

（2）綜合以上數(shù)值分析與工程實(shí)測(cè)結(jié)果可知，左線盾構(gòu)下穿后，鐵路框架橋最大沉降值基本穩(wěn)定在2.8 mm；右線盾構(gòu)下穿后，鐵路框架橋最大沉降達(dá)到6.9 mm（位于左線盾構(gòu)上方）；盾構(gòu)右線施工對(duì)框架橋的沉降變形影響大于左線。雖然鐵路框架橋的沉降值超過控制值，但管片拼裝后及時(shí)進(jìn)行洞內(nèi)注漿措施，可有效控制框架橋的持續(xù)沉降變形，將施工造成的沉降變形限制于可接受的范圍，使鐵路框架橋處于安全可控狀態(tài)。數(shù)值模擬和實(shí)際施工得到的變形規(guī)律基本一致，只在數(shù)值上略有差異；可能由于數(shù)值模擬同步注漿時(shí)沒有考慮地層孔隙對(duì)漿液的吸收而發(fā)生收縮變形，計(jì)算的沉降量才小于實(shí)際量。另外，在軟弱地層環(huán)境下如何選擇最優(yōu)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)使得穿越施工后對(duì)周邊地層擾動(dòng)最小的問題仍需探索。

7 結(jié)束語

本研究以杭州地鐵9號(hào)線一期工程臨邱區(qū)間盾構(gòu)下穿滬杭鐵路迎賓路鐵路框架橋?yàn)楸尘?，通過數(shù)值模擬分析提出軟弱地層中的應(yīng)對(duì)措施。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證表明，采取的措施可靠、效果良好，鐵路框架橋狀態(tài)安全、可控。

（1）經(jīng)數(shù)值分析，地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路框架橋后主要表現(xiàn)為沉降變形，鐵路框架橋最大沉降量為6.72 mm；進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固后最大沉降量降為4.76 mm；這說明在軟弱地層環(huán)境下及時(shí)進(jìn)行洞內(nèi)注漿對(duì)抑制鐵路框架橋的沉降變形具有顯著效果。

（2）軟弱地層環(huán)境下地鐵盾構(gòu)下穿鐵路框架橋過程中為確保鐵路安全運(yùn)營，可采用盾構(gòu)管片加強(qiáng)設(shè)計(jì)、洞內(nèi)二次注漿加固、中盾填充克泥效、設(shè)置試驗(yàn)段優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)、自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)、鐵路降速等多種組合應(yīng)對(duì)措施。

（3）經(jīng)工程實(shí)測(cè)，盾構(gòu)右線施工對(duì)框架橋沉降變形的影響大于左線，鐵路框架橋最大沉降達(dá)到6.9 mm；采取應(yīng)對(duì)措施及時(shí)進(jìn)行洞內(nèi)二次注漿可有效控制框架橋的持續(xù)沉降變形，使鐵路框架橋處于安全可控狀態(tài)。