黃 松

（貴陽(yáng)市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081）

1 引言

目前，地鐵在城市公共交通中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，我國(guó)地鐵建設(shè)一直保持高速發(fā)展勢(shì)頭[1]。但由于城市空間開(kāi)發(fā)資源緊張，地下情況較為復(fù)雜，地下管線綜合錯(cuò)綜密集，給地鐵施工帶來(lái)較大影響。在修建地鐵時(shí)不可避免穿越房屋、管線、橋梁基礎(chǔ)等既有建（構(gòu)）筑物，如何有效控制隧道開(kāi)挖引起的既有建（構(gòu)）筑物沉降、開(kāi)裂甚至坍塌，保障既有建（構(gòu)）筑物安全，是目前地鐵施工中的重點(diǎn)[2]，特別是盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋時(shí)，已有不少學(xué)者從施工工序優(yōu)化、采用不同加固措施等方面進(jìn)行了探索和研究。本文以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道連續(xù)下穿既有鐵路橋?yàn)槔?，?duì)動(dòng)態(tài)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分析不同凈距下樁基沉降及相鄰樁差異沉降變化，相關(guān)研究可為其他類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

2 工程背景

某地鐵區(qū)間自小里程至大里程連續(xù)下穿既有鐵路橋，為減小對(duì)既有鐵路橋的影響，在該段區(qū)間隧道左右線分別從橋梁相鄰跨穿越，下穿段區(qū)間隧道線間距23～27.8 m，隧道頂埋深約23～25 m。與區(qū)間隧道的平、剖位置關(guān)系如圖1、圖2、表1所示。該場(chǎng)地主要為黏質(zhì)粉土層，地下水位較低。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，單層裝配式平板型鋼筋混凝土襯砌管片。

表1 既有鐵路橋基礎(chǔ)與區(qū)間隧道凈距表

圖1 區(qū)間隧道與既有鐵路橋平面位置關(guān)系圖

圖2 區(qū)間隧道與既有鐵路橋剖面關(guān)系圖（單位：mm）

3 控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 鐵路軌道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)TG/GW 115-2012《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》、TG/GW 102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》等養(yǎng)護(hù)要求[3-4]，同時(shí)考慮一定安全閾值，建議不同時(shí)速鐵路道床、軌道分別按表2進(jìn)行控制。

表2 鐵路道床、軌道變形限制 mm

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

橋梁承載不同時(shí)速鐵路線路，因此橋梁結(jié)構(gòu)變形按照TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10623-2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求綜合考慮進(jìn)行控制[5-6]，如表3所示。

表3 靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值 mm

綜上要求，考慮線路正常使用和保養(yǎng)要求，確定變形控制標(biāo)準(zhǔn)：200 km/h以上線路軌面沉降值最大不超過(guò)5 mm，即限定隧道開(kāi)挖引起的墩頂均勻沉降值不超過(guò)5 mm，相鄰墩臺(tái)沉降差不超過(guò)5 mm；200 km/h及以下的線路軌道幾何尺寸容許偏差按照常規(guī)檢修要求，軌面沉降值最大不超過(guò)6 mm，即限定隧道開(kāi)挖引起的墩頂均勻沉降值不超過(guò)6 mm，相鄰墩臺(tái)沉降差不超過(guò)6 mm。

4 區(qū)間隧道下穿既有鐵路橋施工優(yōu)化仿真模擬

4.1 地表沉降理論

地表沉降可以按照PECK預(yù)測(cè)公式（1）進(jìn)行計(jì)算，最大沉降值Smax與地層損失Vi的關(guān)系見(jiàn)公式（2）。

式（1）、式（2）中，S(x)為距離隧道中心軸線為x處的地表沉降值；Smax為隧道中心線處地表最大沉降量；Vi為施工引起的隧道單位長(zhǎng)度地層損失；i為地表沉降槽寬度系數(shù)，即隧道中心線至沉降曲線反彎點(diǎn)的距離：

式（3）中，H為覆土厚度；R為計(jì)算半徑；φ為內(nèi)摩擦角。

4.2 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用地層結(jié)構(gòu)法對(duì)盾構(gòu)下穿既有鐵路橋進(jìn)行實(shí)際施工工況的開(kāi)挖模擬，分析盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有鐵路橋梁及周邊環(huán)境的影響。根據(jù)圣維南原理，整個(gè)模型寬度為80 m，高度為60 m，隧道縱向100 m，管片采用liner襯砌單元分析，邊界條件采用兩側(cè)約束其水平位移，底部約束其豎向位移，盾構(gòu)管片與圍巖之間空隙同步注漿及二次注漿采用控制應(yīng)力釋放進(jìn)行模擬。隧道共穿越5座橋梁，按照從西向東進(jìn)行編號(hào)為橋1、橋2……橋5。模型簡(jiǎn)圖如圖3所示，其地層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表4所示。

圖3 計(jì)算模型圖

表4 地層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

4.3 模擬工況

按照實(shí)際施工要求，左右線先后通過(guò)下穿段的工況進(jìn)行模擬：

（1）計(jì)算每開(kāi)挖步開(kāi)挖進(jìn)尺1.5 m，管片厚度0.35 m；

（2）先左線掘進(jìn)通過(guò)5座既有鐵路橋樁基群15 m以上，再進(jìn)行右線掘進(jìn)通過(guò)；

（3）計(jì)算在初始地應(yīng)力平衡后，對(duì)模型位移和速度進(jìn)行清零，在進(jìn)行隧道的施工模擬。

4.4 施工模擬及數(shù)據(jù)分析

由于隧道開(kāi)挖引起的地層擾動(dòng)，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)土層發(fā)生了變形。

（1）當(dāng)左線盾構(gòu)隧道施工通過(guò)既有鐵路橋段超過(guò)15 m后，既有鐵路橋及基礎(chǔ)變形情況如圖4所示。

圖4 左線隧道施工完成沉降云圖 （單位：m）

（2）待左線隧道穿過(guò)既有鐵路橋段15 m后，右線隧道掘進(jìn)施工，橋樁變形結(jié)果如圖5所示。

4.4.1 地層位移分析

由于隧道開(kāi)挖引起的地層擾動(dòng)，盾構(gòu)隧道縱向所在區(qū)域正上方一定范圍內(nèi)土層發(fā)生了變形。當(dāng)左線盾構(gòu)隧道貫通時(shí)，地層最大豎向沉降約為3.2 mm。當(dāng)右線盾構(gòu)隧道貫通時(shí)，地層最大豎向沉降約為3.5 mm。左線隧道開(kāi)挖完成后引起地表發(fā)生沉降，最大沉降位置位于右線盾構(gòu)隧道正上方，地表沉降曲面大致為“V”形，由于左、右線盾構(gòu)隧道的線間距較大，右線盾構(gòu)隧道開(kāi)挖完成后，地表沉降的數(shù)值和范圍都有一定程度的增加，地表最大沉降位置位于左線盾構(gòu)隧道的上方，說(shuō)明右線施工對(duì)左線有一定影響，但是由于線間距加大，相互影響很小。

4.4.2 樁基變位分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)比較，盾構(gòu)隧道通過(guò)橋梁，橋梁樁基變位情況統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 橋梁樁基變位結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 mm

隧道開(kāi)挖對(duì)既有樁基的影響，隨著樁基距隧道線路中線距離的增加而減小。左右線隧道的施工主要對(duì)臨近的橋樁影響較大，即兩線中間的橋樁產(chǎn)生較大影響，對(duì)遠(yuǎn)離隧道的橋樁影響很小，并且影響程度大小基本與隧道橋樁間凈距的大小成正比關(guān)系。樁基的變形特征，在隧道拱頂以上部位，由于土體滑移，主要表現(xiàn)為沉降和趨于隧道的水平位移；在隧道范圍內(nèi)及底部約1～2D（D為洞徑）范圍內(nèi)由于盾構(gòu)掘進(jìn)推力及注漿壓力的影響，主要變現(xiàn)為遠(yuǎn)離隧道方向的變形，但變形量較??；隧道底部1～2D以下至樁底的范圍內(nèi)，樁基變形也基本以趨向隧道的水平位移為主。

4.4.3 墩頂變位分析

在數(shù)值模擬中，提取橋墩頂部中心點(diǎn)處位移，得到盾構(gòu)下穿鐵路橋梁橋墩頂部的位移，如表6所示。

由表6可知，墩臺(tái)沉降是由盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖土體造成地層損失所引起的，左右盾構(gòu)隧道穿越鐵路橋梁時(shí)，距離隧道近的橋墩沉降值較大，而遠(yuǎn)離隧道的橋墩沉降值較小。近側(cè)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的沉降值占絕大部分，遠(yuǎn)側(cè)開(kāi)挖施工時(shí)影響稍小。墩臺(tái)橫向位移是由盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖土體造成地層損失所引起的，其值在盾構(gòu)通過(guò)墩臺(tái)位置之前不斷增加，而遠(yuǎn)離墩臺(tái)后，橫向位移值又不斷減小。橫向位移主要由近側(cè)隧道開(kāi)挖所引起的，遠(yuǎn)側(cè)隧道開(kāi)挖幾乎可以忽略。盾構(gòu)正常掘進(jìn)穿越鐵路橋梁時(shí)，鐵路橋梁的墩頂沉降指標(biāo)均小于4 mm，滿(mǎn)足前述的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

表6 墩頂位移統(tǒng)計(jì)表 mm

5 結(jié)論

臨近既有建（構(gòu)）筑物修建工程時(shí)，對(duì)既有結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)十分重要，特別是造成破壞后經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響大，通過(guò)對(duì)地鐵盾構(gòu)施工連續(xù)下穿既有鐵路橋動(dòng)態(tài)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分析不同凈距下樁基沉降及相鄰樁差異沉降變化，預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路橋的影響，合理選擇穿越位置和施工的安全保護(hù)措施，從而有效控制沉降指標(biāo)，本文主要研究結(jié)論如下。

（1）左右線線間距較大，施工期間的相互影響較小，當(dāng)隧道與橋樁距離大于1倍洞徑即6.2 m時(shí)，盾構(gòu)正常掘進(jìn)穿越鐵路橋梁，盾構(gòu)施工對(duì)鐵路橋梁產(chǎn)生的墩頂沉降指標(biāo)均小于4 mm，滿(mǎn)足相關(guān)變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）以通過(guò)橋梁之前的100 m區(qū)段作為盾構(gòu)施工試驗(yàn)段，不斷優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)控制地表變形，減少對(duì)鐵路橋的影響，根據(jù)正面土壓力，緊密結(jié)合地表變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，從而將施工后地表變形量控制在最小范圍內(nèi)。

（3）加強(qiáng)信息化施工，控制地層損失量控制，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制同步注漿、二次注漿和漿液質(zhì)量，盾構(gòu)穿越鐵路施工期間同步注漿要做到及時(shí)、均勻、足量，確保其建筑空隙得到及時(shí)和足量的充填，將地面變形和管片偏移控制到最小，盾構(gòu)掘進(jìn)后應(yīng)及時(shí)通過(guò)同步注漿及二次注漿填充盾尾間隙，嚴(yán)格控制土層損失量。