盾構隧道下穿鐵路橋梁影響分析

張 列

（中鐵二院工程集團責任有限公司， 四川 成都 610031）

1 工程概況

廣深港高速鐵路是中國“四縱四橫”客運專線中京廣高鐵至香港延伸線的組成部分，也是珠江三角洲城際快速軌道交通網的骨干部分。其中，深港段設計速度250km/h。深圳市城市軌道交通6號線支線起點光明，終點為深莞邊界，連接光明中心區、光明北區、中山大學，未來與東莞1號線貫通，支持深莞一體化發展。6號線支線翠～新區間受線站位影響，下穿廣深港客專樓村1#特大橋，施工工法經綜合比選分析采用盾構工法掘進，左右線隧道分別旁穿鐵路橋梁樁基。

2 方案具體設計

2.1 樓村1#特大橋結構分析

樓村1#特大橋全部位于曲線上，曲線半徑7000m。橋面采用板式無碴軌道、雙線，線間距5.0m。橋梁全長L=2269.41m。簡支箱梁采用高耐久盆式橡膠支座。全橋柱樁的最小嵌巖深度：簡支橋墩臺基礎為1.5m，連續梁基礎為3.0m。

翠～新區間盾構隧道旁穿樓村1#特大橋30#、31#、32#橋墩。該跨段為簡支箱梁，30#墩采用實心墩、32#墩采用空心墩，31#墩后期變更為實心墩。30#墩高4m，承臺高2m，樁長15m，樁底位于中風化花崗巖；31#墩高6.5m，承臺高2m，樁長23.5m，樁底位于中風化花崗巖；32#墩高12.5m，承臺高2m，樁長12.5m。根據橋梁竣工圖資料：橋梁樁基為1m樁徑鉆孔灌注樁，樁端進入中風化巖層，為端承樁。

2.2 方案設計

為控制隧道掘進對鐵路橋梁的影響，翠～新區間以緩和曲線下穿廣深港，根據新明醫院站站位選址及曲線半徑限制，左右線隧道從橋梁31#橋墩兩側穿越，與鐵路橋梁平面交角約75°，隧道盡量相對于兩側橋墩居中布置，以控制隧道掘進對橋梁樁基的影響。受制于區間小里程段高架橋梁上跨規劃路口標高限制、區間大里程端下穿大陂河安全距離以及豎曲線變化對新明醫院站站位標高影響的限制，區間隧道最大線路縱坡為28‰，最小縱坡為21‰，豎曲線半徑為5000m。

根據深圳市地鐵公司統一標準，翠～新區間盾構管片內徑5500mm，管片厚度350mm，幅寬1500mm。通過優化區間線路設計，隧道埋深約13.2m，主要位于塊狀強風化及中風化混合花崗巖層，隧道與樁基平面凈距最小約10.1m。

3 數值模擬分析

3.1 理論分析

盾構施工前地層處于穩定狀態，當盾構機在土層中推進時，由于摩擦、剪切、擠壓、松動等作用會改變地層中的應力分布，打破原有的平衡狀態，引起周圍的土體產生移動，地表發生變形。

3.2 計算模型

采用巖土有限元分析軟件Midas/GTS NX建立整體三維模型進行計算分析。模型以廣深港高速鐵路順橋向方向為X軸，以橫橋向方向為Y軸，豎向為Z軸建立模型進行計算分析，為消除模型邊界效應，X向取100m，Y向取60m，Z向取為47.5m。方案模型計算采用10節點四面體單元，共劃分單元582630個，節點85566個。

本模型的邊界條件如下：模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個方向均約束；模型四個側面均只約束法向，其余方向自由無約束。

3.3 計算原則及步驟

（1）計算原則

①數值模擬計算模型范圍應根據隧道施工的影響范圍、既有高鐵橋梁結構的實際工作影響范圍，邊界條件不受二者影響的原則確定。

②數值模擬計算采用的地層力學參數應符合實際的力學狀態。

③數值模擬計算采用彈塑性分析。

④數值模擬計算的假定和過程模擬應符合實際的施工力學狀態和地鐵結構的工作狀態。

（2）計算步驟

為準確模擬盾構施工對既有高速鐵路樁基的影響，計算采用動態模擬的計算方法，主要模擬過程如下：

①獲得初始計算模型（橋樁為既有建筑）；

②盾構左右線的分步施工模擬，先開挖左線，再開挖右線。

③對各施工階段的狀態，有限元分析的表達式為：[K]i{△δ}i={△Fr}i+{△Fg}i+{△Fp}i（i為施工步數）

盾構隧道在計算范圍60m內，分10步開挖計算，每次開挖6m，計算過程參照先開挖后加襯砌的施工步驟。

3.4 計算結果

（1）土體位移分析

根據隧道周邊地形地貌判別，該處隧道處于小部分偏壓狀態，偏壓對于右線隧道造成了變形的區域化分布。掘進完成后，洞內圍巖變形規律是拱頂位置發生下沉，拱底位置發生隆起，橫向兩側向外，在本次模擬中為右線盾構施工同樣設置了注漿加固層。土體拱頂位置下沉最大值為10.13mm，拱底位置隆起最大值為9.38mm，水平向外擴最大值為4.55mm。

（2）樁體位移分析

掘進完成后，31#樁體x向變形最大值為1.87mm，對比樁基變形標準，數值較小。豎向變形最大處位于32#樁體上部，最大值為0.65mm。樁體差異沉降上，最大值為0.58mm，屬于安全范圍之內。

（3）承臺及橋墩位移分析

掘進完成后，x向變形最大值為1.71mm，位于32號橋墩墩頂，y向位移最大值為0.21mm，豎向變形相對比水平向變形變化值較小，三座承臺變形最大值為0.70mm，最大變形位置位于32號承臺靠近盾構區的位置。

（4）樁體附加內力分析

掘進完成后，橋樁最大附加彎矩為174kN·m，最大附加軸力為-2212kN。

3.5 小結

結合國內類似地鐵工程下穿既有鐵路橋梁的成功經驗，并參照《高速鐵路設計規范》（TB10621-2014）[1]、《鐵路線路修理規則》（鐵運[2006]146號）、《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》（鐵運[2012]83號）和該盾構區間地質情況等文件，本工程盾構隧道掘進對鐵路橋梁的影響較小，風險可控。

4 施工措施

綜合數值計算結果以及地質條件等工程環境，對現場施工提出以下幾方面控制措施：

（1）正式下穿前設置100m試驗掘進段，以試驗段取得的盾構施工參數指導正式下穿鐵路橋梁施工，可顯著降低工程風險。

（2）盾構通過前沿橋樁墩臺一周打設2排袖閥管，間距1m，梅花型布設，施工期間應加強對廣深港客專高架橋的自動化監測，及時分析監測數據，必要時跟蹤注漿加固橋樁范圍地層，控制橋梁沉降及變形。

（3）加強盾構機選型研究分析，采用重型刀盤，從掘進速度、盾構推力、土壓力、出土量、同步注漿和二次補漿等參數主動控制。

（4）復合地層施工應控制掘進速度，使盾構刀具能對下部堅硬巖層進行充分破碎。通過調整推進油缸區域壓力差，改變刀盤傾角加大對下部硬巖的切割，抵消上拋力，使得盾構能夠按設計的坡度和軸線掘進。合理利用刀盤邊緣的超挖刀，通過對下部硬巖的適當擴挖來抵消上拋力。

（5）采用全自動監測技術，建立安全風險分析平臺。通過該平臺將現場監測數據及時傳輸至控制中心進行分析、上報，并根據分析結果采取監管、應急、防范等措施。

（6）現場準備充足的救援物資儲備，建立值班表和巡視制度，組織相關施工人員組成工程風險控制小組，與鐵路部門密切配合，定期巡視重點部位。

5 結束語

本工程地質條件良好，橋梁結構剛度大，沉降較小，橋梁樁基附加內力較小，采用盾構法下穿樓村1#特大橋，施工影響可控。雖然計算表明翠～新區間盾構隧道下穿廣深港的影響在可控范圍之內，但現場仍需按照規范要求安全施工，制定好施工控制措施及安全監控。