地鐵隧道下穿既有高速鐵路橋影響分析與施工對策研究

常海亮

（陜西鐵路工程職業技術學院 陜西渭南 714000）

1 工程概況

1.1 工程簡介

某市地鐵1號線在K8+686.730～K8+780.528段下穿既有高速鐵路橋，斜交角為16°17′，位置關系見圖1、圖2，地鐵隧道全部位于圓礫層，隧道采用盾構法施工，管片外徑6.2 m，厚350 mm，既有高速鐵路橋梁為普通混凝土T型梁，橋基礎采用4.5x10m擴大基礎，擴大基礎底部與區間頂最小凈距為3.3～4 m。

圖1 既有高速鐵路橋與區間盾構隧道平面關系圖

2.2 控制標準

按照《鐵路線路修理規則》（鐵運【2006】146號）的要求，結合對國內類似工程控制標準的調查，軌距、水平、高低、軌向動態容許偏差管理值按照線路設計速度對應的Ⅰ級標準控制，由于該高速鐵路列車運行時速最高為160 km/h，故靜態幾何尺寸容許偏差管理值按照線路設計速度160 km/h≥Vmax＞120 km/h對應的經常保養值控制，因此既有高速鐵路鐵路橋沉降值最大不超過6 mm。

圖2 既有高速鐵路橋與區間盾構隧道剖面位置關系圖

2 計算模型的建立

2.1 建立模型

本工程采用 FLAC3D進行計算分析，根據需要，在滿足隧道影響范圍要求的基礎上，盡量減少模型單元數可以節約計算時間，考慮到區間盾構隧道直徑D為6.2m，隧道中心埋深約11.44m，兩區間隧道中線距離為12.0m，故計算模型寬度選取75m，長度選取45m，深度選取為38.0m，計算時土體材料選擇彈塑性模型，修正摩爾-庫倫破壞準則，地層壓力按自重應力考慮，由軟件根據地層容重自動計算，數值模型及單元劃分如圖3所示。

圖3 數值模型圖

2.2 荷載邊界條件的確定

考慮到橋墩上支撐有橋梁上部梁結構，數值模擬計算時考慮上部結構的豎向荷載，計算模型視為橋梁對橋墩施加均布荷載，通過計算左右橋墩承受均布荷載為67.48KN/m2，中間橋墩承受均布荷載為134.95 KN/m2，根據實際情況，模型頂部為地表，設為自由邊界[3][4]，左右邊界條件視為鏈桿支座，下邊邊界條件視為鉸支座。

2.3 物理力學參數的選取

計算中采用的圍巖地層參數，如表1所示。

表1 地基土物理力學參數

構筑物及隧道參數表如表2所示。

表2 構筑物材料參數匯總表

2.4 施工步驟模擬

數值模型中左右線施工步續為：左線先行施工，由于盾構管片實際寬度為1.2m，因此模擬盾構開挖時，盾構隧道按每開挖1.2m推進。在實際施工過程中，左右線施工時間間隔一般為1個月，亦即左、右線掌子面間距約150m～250m左右，但在實際模擬時選取如此大的模型不僅使得計算耗時，也是不現實的，通過前期試算及對比參考類似計算模型，在數值模擬計算時，右線在左線開挖完畢后開挖，其相隔45m，與實際情況接近，誤差在工程許可范圍內，因此模型中選取45m作為左右線施工間隔距離，即待左線開挖完畢后，右線開始開挖，直至雙線開挖完畢。

3 計算結果分析

通過本次模擬計算，得出隧道在整個下穿過程中最大沉降出現在右線末尾頂部，沉降值為22.94mm。計算結果云圖如圖4所示：

圖4 整體沉降計算結果云圖

對于既有高速鐵路橋墩頂面而言，本次下穿施工過程會導致中間3#、4#橋墩沉降最大，沉降值為11mm，而左右1#、2#、5#、6#橋墩沉降值均為3mm。計算結果云圖如圖5所示：

圖5 既有高速鐵路橋墩地面沉降計算云圖

為方便數據統計，每5施工步時取各橋墩及橋墩基礎的沉降值，并將各階段沉降值匯總得出各橋墩的沉降曲線圖如圖6。

圖6 各橋墩及基礎雖施工推進沉降曲線圖

（1）區間盾構左線施工至1#、2#和3#、4#墩影響范圍內時，導致1#、2#和3#、4#墩的沉降變形急劇增大，盾構施工過影響范圍后，沉降變形逐漸平穩；而且區間盾構施工對3#、4#墩的影響要大于1#、2#墩；左線施工對5#、6#墩的影響很小；區間盾構右線施工至3#、4#墩和5#、6#墩影響范圍內時，導致3#、4#和5#、6#墩的沉降變形急劇增大，而且對3#、4#墩的影響明顯比5#、6#墩要大；在右線隧道施工至盾構影響范圍后，橋墩的沉降變形又趨于穩定。

（2）1#、2#墩主要受區間左線施工的影響比較大，受右線的施工影響比較小；5#、6#墩主要受右線施工的影響比較大，受左線的施工影響比較小；由于3#、4#墩受區間盾構左線和右線的雙重影響，而且影響程度比較大，因此，導致最終3#、4#墩的沉降變形也是最大的。最終1#、2#墩和5#、6#墩的沉降變形約為3mm，3#、4#墩的沉降變形約為11mm。

（3）1#、2#墩的基礎為1#基礎，3#、4#墩的基礎為2#基礎，5#、6#墩的基礎為3#基礎，從結果分析也能看出來，各橋墩對應的沉降變形與基礎關鍵點的沉降變形基本一致。

（4）從計算結果云圖中可以看出，區間隧道施工過程中，橋墩基礎產生了一定的不均勻沉降，中間部位的橋墩沉降值約11mm。

4 施工對策[5-8]

為保證隧道區間下穿段的施工質量，將其對既有高速鐵路橋結構的影響降到最小，在施工過程中要注意以下事項：

（1）隨時調整盾構施工參數，減少盾構的超挖和欠挖，以改善盾構前方土體的坍落或擠密現象，降低地基土橫向變形施加構建筑物基礎上的橫向力；盾構推進時，建立土壓平衡，平穩、勻速推進，過風險源段嚴格控制推進速度和出土量。

（2）盾構連續推進，避免在穿越風險工程過程中停機檢修或更換刀具，確保在下穿區域前后不少于10環管片范圍內不停機。

（3）在區間盾構隧道側穿橋梁樁基前后各不小于20 m范圍內，采用注漿環管片，在盾構中線以上180°范圍2.5 m深土體進行注漿加固，并注意注漿的壓力及注漿量，控制地層變形，減少隧道盾構施工對橋梁的影響。

（4）加強監測，加密監測點，特別是3#、4#橋墩的監測，如發生較大變形，應及時反饋設計、施工單位及建（構）筑物單位，及時采取措施，確保鐵路運營安全。

（5）在盾構穿越既有高速鐵路橋前，選取50～100 m作為試驗段模擬施工，通過事先計算分析，檢測擬定的盾構推進主動技術保護措施的實際效果，總結盾構先期施工經驗，指導臨近段的施工。

5 結論

（1）以地鐵隧道下穿既有高速鐵路橋為背景，結合相關資料，確定了本項目的沉降控制標準。

（2）采用FLAC3D軟件進行了數值模擬，預測了隧道施工過程與橋梁橋墩的沉降之間的關系，通過分析，得到了3#4#橋墩沉降變形最大，達到了11 mm，超過了6 mm的控制值。

（3）針對模擬模擬結果，提出了施工對策，在盾構施工參數、二次注漿及施工連續性上提出了建議，確保隧道施工時對既有高速鐵路橋沉降的是有效控制。