橋梁施工對既有鐵路隧道的影響分析

冷舉良

（中交城市軌道交通設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢430000）

1 工程概況

該工程位于武漢市，為軌道交通5 號線，南起南三環(huán)，北至武漢火車站，線路主要沿烽勝路等路段至終點站武漢火車站。線路全長32.3km，設(shè)站26 座，共6座高架，20 座地下車站。

2 橋梁施工對既有鐵路隧道的影響

2.1 計算模型

此次評估采用MIDAS GTS NX 軟件，地鐵盾構(gòu)隧道管片混凝土等級為C50，管片環(huán)寬1.5m，內(nèi)直徑5.5m，外直徑6.2m，厚度為0.35m，采用板單元模擬，構(gòu)模型為彈性模型，長江隧道盾構(gòu)管片混凝土等級為C50，內(nèi)直徑10m，外直徑11m，厚度為0.5m，采用板單元模擬，本構(gòu)模型為彈性模型，整體三維模型如圖1、2所示。

圖1 整體有限元模型

2.2 計算參數(shù)

長江隧道與5 號線隧道的盾構(gòu)管片C50 混凝土以及長江隧道上部的加固區(qū)土體采用彈性模型模擬，混凝土材料參數(shù)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）選取，土層材料參數(shù)根據(jù)《武漢市軌道交通5 號線新生路站-三角路站區(qū)間巖土工程勘察報告》（簡稱《報告》）選取，詳見表1。

圖2 盾構(gòu)機停留長江隧道上方有限元模型

表1 彈性模型材料參數(shù)

2.3 計算工況

地鐵開挖工況具體的模擬過程如表2所示。

表2 地鐵開挖工況計算步序

2.4 計算結(jié)果

通過地層整體變形云圖可以看出，土層整體變形的最大位置出現(xiàn)在地鐵隧道上部土體加固區(qū)域的兩側(cè)。右線盾構(gòu)隧道開挖并施做管片完畢后，土體最大沉降為16.32mm；左線盾構(gòu)隧道開挖并施做管片完畢后，土體最大沉降為22.39mm。由以上計算結(jié)果可知，地鐵隧道施工引起的地層沉降小于道路路基變形的控制值，滿足道路路基變形要求[1]。由長江隧道變形云圖可以看出，地層加固完成后，長江隧道出現(xiàn)沉降，最大沉降為4.50mm；右線盾構(gòu)隧道開挖并施做管片完畢后，長江隧道由于上方卸載呈現(xiàn)上浮，最大上浮為1.01mm；左線盾構(gòu)隧道開挖并施做管片完畢后，長江隧道最大上浮為4.88mm，見圖3。

圖3 地層整體豎向位移云圖

3 安全保護方案及應(yīng)急預(yù)案

3.1 施工期安全保護措施的建議

3.1.1 在上跨段進行土體加固

區(qū)間上跨武漢長江隧道段，采取地面單管高壓旋噴樁加固，加固平面范圍為盾構(gòu)隧道外緣3m 內(nèi)，加固深度至長江隧道頂，不小于1m。

3.1.2 盾構(gòu)管片增設(shè)注漿孔，確保盾構(gòu)背后間隙填充密實。

3.1.3 辦理相關(guān)手續(xù)，對現(xiàn)場水文地質(zhì)情況及管線進行調(diào)查。

3.1.4 上穿前，將一定長度隧道作為試驗段，為后期盾構(gòu)上穿隧道提供合理的掘進參數(shù)。

3.1.5 在穿越前對盾構(gòu)主機及配套設(shè)施進行全面檢查及維護，避免在長江隧道上方停頓[2]。

3.1.6 上穿前，核實現(xiàn)場管線，并根據(jù)制定的方案進行管線保護。

3.1.7 根據(jù)試驗段的掘進情況，選取合適的掘進參數(shù)。

《報告》中的安全保護措施總體可行，但是對于盾構(gòu)掘進過程中可能出現(xiàn)的問題和施工管理措施來說，內(nèi)容不夠全面。此次評估從施工控制措施和施工管理兩方面，建議補充下列安全保護措施。

3.1.8 工程控制措施

（1）建議增加超前探測系統(tǒng)，在盾構(gòu)機保持持續(xù)掘進的狀態(tài)下，對掘進前方進行實時地質(zhì)超前預(yù)報，同時搜集地層數(shù)據(jù)，及時進行評估和處理。

（2）應(yīng)做好盾構(gòu)注漿作業(yè)。控制好同步注漿漿液的凝膠時間，及時跟進二次注漿；做好盾構(gòu)區(qū)間的背后填充漿液選擇，建議選擇惰性漿液，在施工設(shè)計中對漿液配比進行現(xiàn)場實驗，確保填充密實；增加同步注漿管的數(shù)量。

（3）過上穿段，進行區(qū)間掘進時，應(yīng)注意盾構(gòu)掘進速度、姿態(tài)控制。保證盾構(gòu)均衡、勻速推進及連續(xù)性施工，杜絕盾構(gòu)停滯，同時控制糾偏幅度，糾偏時應(yīng)盡量均勻、穩(wěn)定，減少盾構(gòu)對土體的擾動，減少對長江隧道的影響。

（4）在進行盾構(gòu)區(qū)間上穿長江隧道施工時，應(yīng)密切關(guān)注土倉壓力、注漿壓力等，并及時進行調(diào)整。

（5）應(yīng)注意盾構(gòu)掘進參數(shù)的選擇。可參考類似地層，在到達上穿段前提前施做試驗段，模擬上穿段掘進，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇合適的盾構(gòu)掘進參數(shù)，確保盾構(gòu)上穿風(fēng)險源的順利實施。

3.1.9 施工管理

（1）做好施工交底，進一步細化施工組織，做好人員、材料、機械的配置，做到科學(xué)組織，精心施工。

（2）針對沉降變形超限、盾構(gòu)機故障、遇見未知障礙物、漏漿或漏水等不同的施工風(fēng)險，制定有針對性的應(yīng)急預(yù)案。

（3）穿長江隧道作業(yè)前，必須構(gòu)建出與之相對應(yīng)的進度計劃，且要在第一時間上報，并要得到上級部門的批準(zhǔn)。

（4）應(yīng)協(xié)調(diào)經(jīng)驗豐富的專業(yè)監(jiān)測團隊，進行全經(jīng)過程跟蹤，并對所獲取的信息展開研判。對于不同環(huán)節(jié)的工作，應(yīng)展開有效監(jiān)測，從而獲得對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

（5）展開盾構(gòu)推進的過程中，若存在變形較大的問題，那么應(yīng)該在第一時間停止施工，并匯報上級單位。

（6）推進作業(yè)前，務(wù)必實現(xiàn)對盾構(gòu)的調(diào)試，保障盾構(gòu)性能，還應(yīng)配備一定數(shù)量的值班員，確保能夠在第一時間處理設(shè)施問題，保障盾構(gòu)的有序推進。

3.2 鋪軌及機電安裝期間安全保護措施的建議

3.2.1 為減小地鐵列車振動對長江隧道的影響，建議地鐵隧道采取合理的隔振、減振措施，如采用適當(dāng)?shù)膹椥钥奂蜍壍罍p振器。

3.2.2 地鐵區(qū)間一般采用無縫線路，即把普通鋼軌焊接起來，不留軌縫。國內(nèi)鋼軌標(biāo)準(zhǔn)長度有12.5m和25m 兩種，在焊接鋼軌時，每根鋼軌的長度必須大于200m。由于軌縫處受列車沖擊力較大，因而建議在長江隧道上方區(qū)域不設(shè)置軌縫。此外，焊縫的焊接質(zhì)量也影響著車輪通過焊縫時的附加動壓力，所以建議鋪軌期間嚴(yán)格控制焊縫的焊接質(zhì)量。

3.2.3 地鐵鋪軌及機電安裝期間，應(yīng)保持對長江隧道的動態(tài)監(jiān)測，防止鋪軌或機電安裝施工對長江隧道造成影響。

3.2.4 加強鋪軌及機電安裝期間的安全風(fēng)險管控措施，防止動火作業(yè)、作業(yè)人員抽煙引起的火災(zāi)及電氣火災(zāi)。

3.3 施工監(jiān)測方案的建議

3.3.1 5 號線盾構(gòu)隧道的監(jiān)測項目：隧道拱頂沉降和管片襯砌變形。

3.3.2 長江隧道煙道板上布設(shè)的監(jiān)測點位移，該點的監(jiān)測數(shù)據(jù)對判斷由于地鐵隧道施工引起的長江隧道結(jié)構(gòu)變形，參考性不強。

3.3.3 三級預(yù)警狀態(tài)的判定指標(biāo)偏寬松，建議提高判定指標(biāo)。

3.3.4 應(yīng)根據(jù)不同的變形控制標(biāo)準(zhǔn)進行分級動態(tài)管理，建議按照可正常施工、密切關(guān)注加強監(jiān)測、采取加強支護這三種施工狀態(tài)，設(shè)置各級管理的限值，制定上報制度和處理方案。

3.3.5 建議采用全自動監(jiān)測系統(tǒng)，采取綜合預(yù)警預(yù)控措施，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與盾構(gòu)推進操作平臺進行聯(lián)網(wǎng)，將獲取的數(shù)據(jù)第一時間進行傳送，由此達成信息的有效溝通。施工中出現(xiàn)問題應(yīng)立即處理，防止盾構(gòu)穿越過程中發(fā)生突然變化，給隧道帶來不良影響。

3.3.6 做好施工監(jiān)測的聯(lián)動。長江隧道的運營單位、政府部門、業(yè)主、承包商、設(shè)計單位等應(yīng)組成聯(lián)合工作小組，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時分析和處理。

3.3.7 在進行隧道施工作業(yè)時，必須加強對地表沉降的有效監(jiān)測，第一時間反饋監(jiān)測結(jié)果，以便工作人員能夠更好地掌握相關(guān)信息，并結(jié)合監(jiān)測結(jié)果對掘進參數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整，確保沉降處于受控狀態(tài)。

3.4 運營期間安全保護措施的建議

3.4.1 根據(jù)對地鐵運營工況的計算顯示，長江隧道上方雙向地鐵列車交匯時對武漢長江隧道結(jié)構(gòu)造成的影響，比單向地鐵列車通過時大，因而建議合理安排地鐵列車的行車組織，避免雙向地鐵列車在長江隧道上方區(qū)域交匯。

3.4.2 建議地鐵運營期間加強對長江隧道上方地鐵軌道的養(yǎng)護、維修，保持軌道的平順性，降低車輪通過焊縫時的附加動壓力。

3.4.3 考慮到地鐵列車運行對長江隧道的長期影響，建議地鐵運營期間應(yīng)保持對長江隧道的動態(tài)監(jiān)測。若存在異常，應(yīng)第一時間處理。

3.5 評估相關(guān)建議

3.5.1 為減小地鐵列車振動對長江隧道的影響，建議對地鐵隧道內(nèi)采取合理的隔振、減振措施。

3.5.2 建議不要在長江隧道上方區(qū)域設(shè)置軌縫，并嚴(yán)格控制鋪軌期間焊縫的焊接質(zhì)量。

3.5.3 建議合理安排地鐵列車的行車組織，避免雙向地鐵列車在長江隧道上方區(qū)域交匯。

3.5.4 建議地鐵運營期間加強對長江隧道上方地鐵軌道的養(yǎng)護、維修，保持軌道的平順性，降低車輪通過焊縫時附加動壓力的增長[3]。

3.5.5 在進行地鐵施工的過程中，應(yīng)和部門加強對地鐵監(jiān)測的協(xié)調(diào)。若隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形過大或其他異常問題，則能第一時間反饋給上級部門，并根據(jù)問題的原因進行處理。

4 結(jié)語

在此次研究中，案例中的橋梁施工并沒有給隧道周邊的圍巖應(yīng)力帶來非常大的影響。上文使用最不利斷面的內(nèi)力情況，對既有隧道襯砌截面強度等展開了相關(guān)的檢算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌強度的安全系數(shù)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。