地鐵隧道下穿津秦客專橋梁安全性分析

馬 曉 磊

(天津濱海新區軌道交通投資發展有限公司，天津　300000)

0　引言

隨著國內地鐵工程的快速發展，高速鐵路的加快建設，地鐵工程與既有鐵路交叉在所難免，由于高鐵工程運營對于結構沉降、變形要求極為嚴格，幾乎要求為“零沉降”，所以對于地鐵隧道鄰近或者穿越既有高鐵路基橋梁變形控制較為困難，現國內存在不少類似工程，但本工程地質較差，屬于濱海沉積軟土層，側穿既有高鐵橋梁對其影響難以忽略，本文根據工程實際特點對其進行安全性分析，并提出相應控制措施及建議。

1　工程概況

天津市濱海新區軌道交通B1線一期工程欣嘉園東站—欣嘉園站區間，區間右線長1 399.814 m，縱斷面為V形坡，隧道覆土5.22 m～15.34 m，盾構法施工。盾構區間下穿津秦客專，既有線路運營里程為59+700，盾構區間左、右線分別從津秦客專的115號墩～116號墩和116號墩～117號墩間穿過。區間結構外皮距橋墩承臺底約2.695 m，距離橋樁水平凈距為8.26 m～9.07 m。下穿鐵路主要參數如表1所示。

表1　鐵路主要參數表

2　工程地質與水文地質

根據地勘報告，該區間自上而下分別為①1雜填土、①2層素填土、④1層灰黃色粘土、⑥1層灰色粉質粘土、第⑥1-1層灰色粉砂夾粉質粘土、⑥2-4層灰色淤泥質粉質粘土、⑥3層灰色含粘性土粉砂、⑥4層灰色粉質粘土、⑥5層灰色粘質粉土、⑦層灰色～黃灰色粉質粘土、⑧2層草黃～灰色粉砂夾粉土、⑨1層灰黃色粉質粘土、⑩1層灰色粉質粘土、第1層灰黃～淺灰色粉質粘土夾粉土、2層灰黃色粉砂夾粉土、3層灰黃色粉質粘土，其中淤泥質層厚度約7 m～12 m。地下水類型分為潛水含水巖、承壓水層，地下潛水初見水位多不明顯，局部測得埋深2.60 m，相當于標高0.26 m；靜止水位埋深0.80 m～3.00 m，相當于標高-0.12 m～-0.50 m。潛水水位一般年變幅在0.50 m～1.00 m左右。第一承壓含水層：全新統第Ⅱ陸相河床～河漫灘相沉積層粉砂、粉土(地層編號⑧2)為第一承壓含水層；第二承壓含水層：上更新統第Ⅲ陸相河床～河漫灘相沉積層粉土、粉砂(地層編號⑨2)為第二含水層，該含水層分布不穩定；第三承壓含水層：上更新統第Ⅱ海相濱海～潮汐帶相沉積層粉砂為主(地層編號⑩4)、上更新統第Ⅳ陸相河床～河漫灘相沉積層粉砂(地層編號2)為第三承壓含水層，整個場地內均基本有分布，含水層累計厚度大，該含水層頂板、底板埋深均有所變化。上更新統第Ⅲ海相淺海—濱海相沉積層粉質粘土(地層編號1)可視為第三承壓含水層與其下含水層相對隔水層。

3　既有鐵路影響及變形控制標準

既有鐵路控制指標主要受路基、線路、軌道及線路養護情況等因素的影響，工程施工必須保證既有鐵路的安全運營。既有鐵路控制指標主要包括路基沉降、位移平均速率、位移最大速率、軌道幾何尺寸容許偏差及軌道坡度允許控制值。

根據監測數據顯示，自2016年1月和2016年7月113號～120號橋墩的差異沉降量值(即相鄰兩個橋墩之間的高差變化)在0.2 mm～1.1 mm之間，差異沉降變化較小。

本段線路為無砟軌道，按照《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》(鐵運[2012]83號)要求的線路軌道靜態和動態幾何尺寸容許偏差管理值作為控制標準。結合既有設計施工經驗，既有鐵路路基、軌道控制指標參考數值見表2。

表2　軌道動態質量容許偏差管理值

4　施工過程數值模擬

4.1　計算思路及原則

采用“地層—結構”模型，模擬兩次盾構下穿鐵路橋梁，分析盾構通過后鐵路橋梁的沉降、橋墩傾斜以及橋梁變形。依據大型有限元軟件Midas GTS-NX，對B1線側穿津秦客專高架橋結構影響建立三維模型進行數值模擬，通過對比不同工況來分析確定隔離樁的樁長和隔離樁樁間距，確保在不影響津秦客專高架橋樁結構安全性的前提下B1線能夠順利施工。

4.2　保護方案設計

結合現場施工經驗，工程采用φ800@900隔離樁+洞內注漿加固，施工采用對土體擾動較小的工法，如旋挖鉆施工、鉆孔灌注樁施工。

1)隔離樁中心距離既有樁基較遠，最近處約為5.8 m，根據橋梁工程經驗，隔離樁中心距離既有樁基不小于2.5d(d為隔離樁直徑)，隔離樁施工對既有樁基的影響極小；

2)既有鐵路樁基長約52 m，隔離樁長度15.22 m，隔離樁長度小于既有樁基長度的1/3，施工對既有樁基影響范圍小；

3)隔離樁施工期間不需要施工降水，對既有樁基沉降影響較小；

4)欣嘉園站施工期間為保護臨近圖書館(樁基礎)，打設隔離樁，監測結果顯示，施工隔離樁本身對既有樁基影響較小。

綜上所述，本工程隔離樁施工期間，對既有樁基沉降影響可忽略不計。因此采用φ800@900隔離樁+洞內注漿加固對橋樁進行保護。

4.3　計算模型

建立三維模型計算結構變形，計算采用Midas GTS分析軟件建立整體三維有限元模型進行計算分析。以津秦客專軸線方向為Y軸，其垂直方向為X軸，豎直方向為Z軸建立三維模型計算分析，為消除模型邊界效應，X軸方向取80 m，Y軸方向(津秦客專線路方向)取120 m，Z軸(深度)方向取80 m。模型計算采用4節點四面體單元和8節點六面體單元，共劃分單元46 267個，節點17 247個。模型中具體幾何關系和空間位置根據實際關系建立(見圖1)。

4.4　結果分析

本次計算區間分別施工左線和右線，采取隔離防護樁配合洞內注漿加固對既有結構進行保護，隔離樁為φ800@900鉆孔灌注樁，與區間隧道外皮凈距為2.0 m，隔離樁伸入隧道底3 m，保護長度為沿隧道線路方向超出樁基2倍洞徑。

通過以上分析結果來看，采用隔離+洞內注漿措施對鐵路進行保護，橋梁的各項變形指標均滿足要求(見圖2，圖3)。

4.5　隔離樁施工要求

1)提高護筒埋設效果，護筒埋設深度不小于1.5 m。埋設護筒時對護筒外側由底向上澆筑500 mm厚混凝土護圈，護筒周邊用粘土分層夯實，保證護筒穩定。護筒內泥漿應高出地下水位1.5 m以上。

2)控制鉆機進尺速度，鉆進速度不宜過快，防止塌孔。在泥漿中適當摻入水泥漿，保護孔壁，泥漿比重控制在1.05～1.15之間。

3)泥漿的制備應選用高塑性粘土或膨潤土，灌注混凝土前，孔底500 mm以內的泥漿相對密度應小于1.25，含砂率不得大于8%，黏度不得大于28 s。

4)清孔時嚴格控制泥漿比重，并不斷置換泥漿，直至灌注水下混凝土，防止泥漿比重過低，首罐混凝土量適當加大，吊裝鋼筋籠時避免與孔壁發生剮蹭。

5)鉆孔過程中發生斜孔、塌孔和護筒周圍冒漿、失穩等現象時，應停鉆，采取相應措施。

5　盾構施工方案

在開始掘進的前100 m宜作為盾構施工的試驗段，并對試驗段地面沉降等進行監測，對盾構機的掘進控制參數、地層的沉降規律進行分析比較，以確定盾構機在不同地層中的掘進參數，把施工對周邊環境的影響控制在允許范圍內，同時，左右線盾構掘進至少間隔30 m。配合地面量測及時進行壁后注漿和二次注漿。嚴格控制盾尾同步注漿量和漿液質量，并及時進行二次注漿。區間盾構穿越過程中，在津秦客專框架橋兩側各30 m范圍內施作二次深孔加強注漿加固以提高管片強度和穩定性，減少后期沉降。

6　結語

1)盾構隧道施工前，通過數值模擬計算盾構隧道施工，評估其對鐵路橋梁的影響，可相對準確采取輔助工程措施保證鐵路運營安全，降低工程風險。

2)針對軟土地層側穿鐵路橋樁，進行隔離+洞內注漿措施可有效控制變形，保證鐵路運營安全。

3)對于穿越鐵路，存在一定的施工風險，針對有可能發生的一些突發事件，從管理、技術和組織等方面分析，制定相應的應急預案。