盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營高鐵橋梁變形控制與分析

蔣 陳

(中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司成都高鐵工務(wù)段，四川 成都 610081)

0 引言

高速鐵路本著少維護(hù)、免維護(hù)的理念設(shè)計(jì)建造[1]，但高速鐵路建成運(yùn)營后，受沿線地方經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動影響，常存在臨近或下穿運(yùn)營高速鐵路施工建設(shè)的現(xiàn)象。以城市軌道交通盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路施工為例，受隧道施工土方開挖、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)施工造成的震動等影響，盾構(gòu)機(jī)所經(jīng)區(qū)域高速鐵路結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分配，使高速鐵路線下結(jié)構(gòu)(路基、橋梁、隧道等)產(chǎn)生不可逆的變形，可能危及高速鐵路安全平穩(wěn)運(yùn)營。為滿足高速鐵路高安全和高平順特點(diǎn)，需在地鐵盾構(gòu)隧道施工前對施工覆蓋范圍采取加固措施，減小施工引起的變形和擾動，同時(shí)下穿施工過程中應(yīng)密切監(jiān)測受影響高速鐵路區(qū)段結(jié)構(gòu)物及周邊環(huán)境的變形情況，對下穿工程安全施工和高速鐵路安全運(yùn)營提供技術(shù)保障[2]。本文以C市某地鐵盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路橋梁項(xiàng)目為例，基于高速鐵路橋墩實(shí)時(shí)自動化和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，論述分析了所采取的加固措施對于鐵路橋墩變形的抑制作用，并得到相應(yīng)結(jié)論。

1 工程概況

C市某地鐵線以盾構(gòu)法施工下穿某高速鐵路，盾構(gòu)隧道左、右線軸以57°交角分別從高速鐵路第291孔和第292孔下穿高速鐵路。地鐵盾構(gòu)隧道外徑為8.3 m，內(nèi)徑為7.5 m，盾構(gòu)管片厚度40 cm，寬度1.5 m，盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為卵石層。地鐵盾構(gòu)隧道投影線邊緣與運(yùn)營高速鐵路橋墩樁基礎(chǔ)邊緣最小凈距6.3 m，地鐵盾構(gòu)隧道穿越處的運(yùn)營高速鐵路橋梁為32.7 m簡支梁，橋梁樁端持力層位于卵石土地層(見圖1)。

2 工程特點(diǎn)

1)地鐵盾構(gòu)隧道為淺埋隧道，盾構(gòu)隧道施工分左右線下穿新開通投入運(yùn)營的高鐵線路，盾構(gòu)隧道下穿施工和周邊環(huán)境因素變化皆對高速鐵路的安全運(yùn)營造成極大的影響：a.靜荷載對新高速鐵路的影響：新開通高速鐵路線路運(yùn)營尚未滿一年，工后沉降尚未穩(wěn)定，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，高鐵橋墩可能會存在輕微下沉的情況。b.動荷載對新高速鐵路的影響：高速鐵路旁邊為CXP大道，其與高鐵線路垂直距離只有40 m左右。CXP大道每天載重大貨車流量非常大，對附近地面造成一定震動，有可能造成既有高速鐵路橋墩的沉降或者傾斜[3-5]，從而對高鐵運(yùn)營期安全造成威脅。

2)地鐵盾構(gòu)隧道下穿給既有運(yùn)營高速鐵路造成重大潛在風(fēng)險(xiǎn)，其主要特點(diǎn)如下：a.盾構(gòu)隧道外邊緣與高速鐵路橋梁樁基最小凈距僅為6.3 m，盾構(gòu)穿越過程中極易引起橋梁樁基礎(chǔ)位移與沉降。b.盾構(gòu)隧道穿越高速鐵路處埋深為6.36 m，小于隧道1倍洞徑，為淺埋隧道，穿越時(shí)易引起地面沉降。c.盾構(gòu)穿越時(shí)此條高速鐵路已投入運(yùn)營，對橋梁沉降及位移控制要求高，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求橋梁墩頂沉降、縱向和橫向水平位移均不超過2 mm。

3 加固措施

3.1 隔離樁+混凝土支撐圍護(hù)體系超前支護(hù)

為了控制新建地鐵盾構(gòu)隧道下穿施工對既有運(yùn)營高速鐵路線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形影響，在新建地鐵盾構(gòu)隧道穿越段與既有運(yùn)營高鐵橋墩樁基之間采取隔離樁+混凝土支撐圍護(hù)體系進(jìn)行預(yù)加固處理，具體如下：隔離樁樁徑1 000 mm，樁長17.1 m，樁端伸入地鐵盾構(gòu)隧道底以下3 m，共4排72根，隔離樁與既有運(yùn)營高速鐵路橋墩樁基礎(chǔ)凈距3.3 m，與盾構(gòu)隧道凈距2 m。在隔離樁頂設(shè)置冠梁和一道混凝土支撐，冠梁尺寸0.6 m×1.0 m，混凝土支撐尺寸0.4 m×0.6 m，共6條。

3.2 盾構(gòu)隧道管片外側(cè)注漿加固

在采用隔離樁+混凝土支撐圍護(hù)體系超前支護(hù)的基礎(chǔ)上，新建地鐵隧道盾構(gòu)管片安裝完畢以后，為防止地鐵隧道上方地面塌陷從而導(dǎo)致高鐵橋墩沉降、傾斜，在盾構(gòu)隧道管片外周圍與隧道管片上方土之間的間隙采用灌注水泥漿的方式把松散的土層凝結(jié)密實(shí)的措施(盾尾注漿)，為既有高速鐵路安全運(yùn)營創(chuàng)造有利條件(見圖2)。

4 變形監(jiān)測

4.1 自動化實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測

本項(xiàng)目中新建地鐵盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營高速鐵路施工期間，高速鐵路線下橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測采用自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)方案。自動化實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成主要有：數(shù)據(jù)采集傳感器(液體靜力水準(zhǔn)儀)、無線數(shù)據(jù)傳輸單元、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)軟件等構(gòu)成。在289號、290號、291號、292號和293號橋墩沿線路方向兩側(cè)(左側(cè)和右側(cè))各安裝1臺液體靜力水準(zhǔn)儀，在下穿施工影響范圍外穩(wěn)定位置處安裝1臺基準(zhǔn)點(diǎn)液體靜力水準(zhǔn)儀，共布設(shè)11臺液體靜力水準(zhǔn)儀，如圖3所示。

液體靜力水準(zhǔn)儀自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測是基于物理上連通管的原理，在連通狀態(tài)下，各液體靜力水準(zhǔn)儀傳感器的液面高度保持一致，當(dāng)結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)豎向位移變化時(shí)，附著于結(jié)構(gòu)物上的液體靜力水準(zhǔn)儀傳感器液面將會產(chǎn)生變化，在達(dá)到平衡后，通過測量傳感器液面高相對于基準(zhǔn)液面高的變化，便可測量出結(jié)構(gòu)物的豎向位移量。為了減小溫度變化對于聯(lián)通管路內(nèi)液體的熱脹冷縮效應(yīng)，一般使用防凍液+外包隔熱層的方式。本項(xiàng)目采用振弦式液體靜力水準(zhǔn)儀，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 液體靜力水準(zhǔn)儀主要技術(shù)指標(biāo)

自動化實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)自主采集、自動回傳、實(shí)時(shí)在線處理、自動化分析預(yù)警等功能[6]。基于高靈敏度高精度的傳感器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對于監(jiān)測對象亞毫米級精度的精準(zhǔn)、連續(xù)、動態(tài)監(jiān)控[7]。

4.2 人工沉降監(jiān)測

在采用自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測的同時(shí)，采用人工沉降監(jiān)測進(jìn)行復(fù)核。人工沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在運(yùn)營高速鐵路橋墩左、右、前、后四個(gè)側(cè)面距離地面30 cm處，左右兩側(cè)的人工測點(diǎn)布設(shè)在靜力水準(zhǔn)儀傳感器正下方，共20個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)。根據(jù)規(guī)范要求，在施工影響范圍外的穩(wěn)定位置處布置了4個(gè)沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，測量過程中保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定、可靠，且定期進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核。本項(xiàng)目人工沉降監(jiān)測執(zhí)行二等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求，使用處于檢定有效期內(nèi)的天寶DiNi03電子水準(zhǔn)儀，配合銦瓦條碼尺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。人工測量作業(yè)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范[8]要求執(zhí)行。人工沉降監(jiān)測頻率1次/d，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)施工推進(jìn)至高速鐵路紅線范圍內(nèi)時(shí)增加人工沉降監(jiān)測頻率至2次/d(上午、下午各測量一次)，每次測量任務(wù)完成后須對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，若不滿足精度要求則須重測。

4.3 預(yù)警值設(shè)置

根據(jù)TB 10182—2017公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程[9]要求，在不限速條件下，受下穿工程施工影響的運(yùn)營高速鐵路橋梁墩頂豎向位移限值為2 mm。本項(xiàng)目采用三級預(yù)警分級機(jī)制，基于本項(xiàng)目實(shí)際情況，三級預(yù)警值設(shè)置如表2所示。

表2 沉降監(jiān)測三級預(yù)警限值設(shè)置

4.4 監(jiān)測結(jié)果

本項(xiàng)目監(jiān)測工作自下穿施工前2周進(jìn)場開始，整個(gè)監(jiān)測過程以自動化實(shí)時(shí)變形監(jiān)測為主，同時(shí)定期通過人工水準(zhǔn)測量方式進(jìn)行檢核，這種組合方式可以有效把控監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和變化規(guī)律，為下穿工程施工提供及時(shí)的技術(shù)指導(dǎo)，為保障高速鐵路安全運(yùn)營提供技術(shù)支撐。為規(guī)避偶然誤差對于監(jiān)測數(shù)據(jù)干擾，每個(gè)傳感器的日平均監(jiān)測數(shù)據(jù)作為對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的日累計(jì)沉降量，圖4是地鐵盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路施工期間高鐵橋墩各監(jiān)測點(diǎn)日累計(jì)沉降變化量過程線。

從圖4中可以看出，監(jiān)測初期10 d時(shí)間內(nèi)，由于地鐵盾構(gòu)施工還未推進(jìn)至高速鐵路安全紅線內(nèi)，高速鐵路線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尚未受到較大影響，各監(jiān)測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)呈現(xiàn)微小波動變化，自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測校核數(shù)據(jù)都比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)變化均在1 mm以內(nèi)波動；當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)掘進(jìn)開挖至高速鐵路紅線內(nèi)，因隧道埋深較淺，盾構(gòu)施工造成的震動比較劇烈，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)波動幅度隨之增大，但橋墩沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值未超過規(guī)范要求的2 mm；當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)施工穿越高速鐵路紅線范圍后實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)逐漸穩(wěn)定。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中可以得出：

1)采用隔離樁+混凝土支撐圍護(hù)體系預(yù)加固措施可以有效控制地鐵盾構(gòu)隧道下穿施工過程中對運(yùn)營高速鐵路橋墩沉降變形的影響。

2)采用盾構(gòu)隧道管片外側(cè)注漿加固措施，可以有效促進(jìn)地鐵盾構(gòu)隧道穿越后運(yùn)營高速鐵路橋墩沉降變形快速穩(wěn)定。

3)自動化實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，充分說明采用自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)的準(zhǔn)確性，能夠準(zhǔn)確把控高速鐵路橋墩變形規(guī)律。

5 結(jié)語

針對C市某地鐵盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營期高速鐵路項(xiàng)目，在采取隔離樁+混凝土支撐圍護(hù)體系超前支護(hù)和盾構(gòu)隧道管片外側(cè)注漿加固的同時(shí)，建立高速鐵路線下橋墩實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)踐證明：地鐵盾構(gòu)隧道下穿施工前，通過采取隔離樁+混凝土支撐圍護(hù)體系超前支護(hù)，形成“籠形”的加固體系，可以有效控制地鐵盾構(gòu)隧道下穿施工過程中對運(yùn)營高速鐵路橋墩沉降變形的影響；采用盾構(gòu)隧道管片外側(cè)注漿加固措施，可以有效促進(jìn)地鐵盾構(gòu)隧道穿越后運(yùn)營高速鐵路橋墩沉降變形快速穩(wěn)定。因此，地鐵盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路橋梁時(shí)，采取加固保護(hù)措施非常必要，有利于保障運(yùn)營高速鐵路的安全，對類似工程項(xiàng)目具有借鑒和參考價(jià)值。