地鐵盾構區間隧道連續穿越既有鐵路橋影響研究

黃 松

（貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴州貴陽 550081）

1 引言

目前，地鐵在城市公共交通中發揮著越來越大的作用，我國地鐵建設一直保持高速發展勢頭[1]。但由于城市空間開發資源緊張，地下情況較為復雜，地下管線綜合錯綜密集，給地鐵施工帶來較大影響。在修建地鐵時不可避免穿越房屋、管線、橋梁基礎等既有建（構）筑物，如何有效控制隧道開挖引起的既有建（構）筑物沉降、開裂甚至坍塌，保障既有建（構）筑物安全，是目前地鐵施工中的重點[2]，特別是盾構隧道下穿既有鐵路橋時，已有不少學者從施工工序優化、采用不同加固措施等方面進行了探索和研究。本文以某地鐵盾構區間隧道連續下穿既有鐵路橋為例，對動態施工過程進行模擬，分析不同凈距下樁基沉降及相鄰樁差異沉降變化，相關研究可為其他類似工程提供參考和借鑒。

2 工程背景

某地鐵區間自小里程至大里程連續下穿既有鐵路橋，為減小對既有鐵路橋的影響，在該段區間隧道左右線分別從橋梁相鄰跨穿越，下穿段區間隧道線間距23～27.8 m，隧道頂埋深約23～25 m。與區間隧道的平、剖位置關系如圖1、圖2、表1所示。該場地主要為黏質粉土層，地下水位較低。區間隧道采用盾構法施工，單層裝配式平板型鋼筋混凝土襯砌管片。

表1 既有鐵路橋基礎與區間隧道凈距表

圖1 區間隧道與既有鐵路橋平面位置關系圖

圖2 區間隧道與既有鐵路橋剖面關系圖（單位：mm）

3 控制標準

3.1 鐵路軌道變形控制標準

根據TG/GW 115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》、TG/GW 102-2019《普速鐵路線路修理規則》等養護要求[3-4]，同時考慮一定安全閾值，建議不同時速鐵路道床、軌道分別按表2進行控制。

表2 鐵路道床、軌道變形限制 mm

3.2 橋梁結構變形控制標準

橋梁承載不同時速鐵路線路，因此橋梁結構變形按照TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》、TB 10623-2014《城際鐵路設計規范》的要求綜合考慮進行控制[5-6]，如表3所示。

表3 靜定結構墩臺基礎工后沉降限值 mm

綜上要求，考慮線路正常使用和保養要求，確定變形控制標準：200 km/h以上線路軌面沉降值最大不超過5 mm，即限定隧道開挖引起的墩頂均勻沉降值不超過5 mm，相鄰墩臺沉降差不超過5 mm；200 km/h及以下的線路軌道幾何尺寸容許偏差按照常規檢修要求，軌面沉降值最大不超過6 mm，即限定隧道開挖引起的墩頂均勻沉降值不超過6 mm，相鄰墩臺沉降差不超過6 mm。

4 區間隧道下穿既有鐵路橋施工優化仿真模擬

4.1 地表沉降理論

地表沉降可以按照PECK預測公式（1）進行計算，最大沉降值Smax與地層損失Vi的關系見公式（2）。

式（1）、式（2）中，S(x)為距離隧道中心軸線為x處的地表沉降值；Smax為隧道中心線處地表最大沉降量；Vi為施工引起的隧道單位長度地層損失；i為地表沉降槽寬度系數，即隧道中心線至沉降曲線反彎點的距離：

式（3）中，H為覆土厚度；R為計算半徑；φ為內摩擦角。

4.2 計算模型

根據現場實際情況，采用地層結構法對盾構下穿既有鐵路橋進行實際施工工況的開挖模擬，分析盾構隧道施工對既有鐵路橋梁及周邊環境的影響。根據圣維南原理，整個模型寬度為80 m，高度為60 m，隧道縱向100 m，管片采用liner襯砌單元分析，邊界條件采用兩側約束其水平位移，底部約束其豎向位移，盾構管片與圍巖之間空隙同步注漿及二次注漿采用控制應力釋放進行模擬。隧道共穿越5座橋梁，按照從西向東進行編號為橋1、橋2……橋5。模型簡圖如圖3所示，其地層物理力學參數指標如表4所示。

圖3 計算模型圖

表4 地層物理力學參數指標

4.3 模擬工況

按照實際施工要求，左右線先后通過下穿段的工況進行模擬：

（1）計算每開挖步開挖進尺1.5 m，管片厚度0.35 m；

（2）先左線掘進通過5座既有鐵路橋樁基群15 m以上，再進行右線掘進通過；

（3）計算在初始地應力平衡后，對模型位移和速度進行清零，在進行隧道的施工模擬。

4.4 施工模擬及數據分析

由于隧道開挖引起的地層擾動，導致一定范圍內土層發生了變形。

（1）當左線盾構隧道施工通過既有鐵路橋段超過15 m后，既有鐵路橋及基礎變形情況如圖4所示。

圖4 左線隧道施工完成沉降云圖 （單位：m）

（2）待左線隧道穿過既有鐵路橋段15 m后，右線隧道掘進施工，橋樁變形結果如圖5所示。

4.4.1 地層位移分析

由于隧道開挖引起的地層擾動，盾構隧道縱向所在區域正上方一定范圍內土層發生了變形。當左線盾構隧道貫通時，地層最大豎向沉降約為3.2 mm。當右線盾構隧道貫通時，地層最大豎向沉降約為3.5 mm。左線隧道開挖完成后引起地表發生沉降，最大沉降位置位于右線盾構隧道正上方，地表沉降曲面大致為“V”形，由于左、右線盾構隧道的線間距較大，右線盾構隧道開挖完成后，地表沉降的數值和范圍都有一定程度的增加，地表最大沉降位置位于左線盾構隧道的上方，說明右線施工對左線有一定影響，但是由于線間距加大，相互影響很小。

4.4.2 樁基變位分析

經統計比較，盾構隧道通過橋梁，橋梁樁基變位情況統計如表5所示。

表5 橋梁樁基變位結果統計表 mm

隧道開挖對既有樁基的影響，隨著樁基距隧道線路中線距離的增加而減小。左右線隧道的施工主要對臨近的橋樁影響較大，即兩線中間的橋樁產生較大影響，對遠離隧道的橋樁影響很小，并且影響程度大小基本與隧道橋樁間凈距的大小成正比關系。樁基的變形特征，在隧道拱頂以上部位，由于土體滑移，主要表現為沉降和趨于隧道的水平位移；在隧道范圍內及底部約1～2D（D為洞徑）范圍內由于盾構掘進推力及注漿壓力的影響，主要變現為遠離隧道方向的變形，但變形量較小；隧道底部1～2D以下至樁底的范圍內，樁基變形也基本以趨向隧道的水平位移為主。

4.4.3 墩頂變位分析

在數值模擬中，提取橋墩頂部中心點處位移，得到盾構下穿鐵路橋梁橋墩頂部的位移，如表6所示。

由表6可知，墩臺沉降是由盾構機開挖土體造成地層損失所引起的，左右盾構隧道穿越鐵路橋梁時，距離隧道近的橋墩沉降值較大，而遠離隧道的橋墩沉降值較小。近側盾構隧道開挖引起的沉降值占絕大部分，遠側開挖施工時影響稍小。墩臺橫向位移是由盾構機開挖土體造成地層損失所引起的，其值在盾構通過墩臺位置之前不斷增加，而遠離墩臺后，橫向位移值又不斷減小。橫向位移主要由近側隧道開挖所引起的，遠側隧道開挖幾乎可以忽略。盾構正常掘進穿越鐵路橋梁時，鐵路橋梁的墩頂沉降指標均小于4 mm，滿足前述的變形控制標準。

表6 墩頂位移統計表 mm

5 結論

臨近既有建（構）筑物修建工程時，對既有結構的安全保護十分重要，特別是造成破壞后經濟損失和社會影響大，通過對地鐵盾構施工連續下穿既有鐵路橋動態施工過程進行模擬，分析不同凈距下樁基沉降及相鄰樁差異沉降變化，預測盾構施工對既有鐵路橋的影響，合理選擇穿越位置和施工的安全保護措施，從而有效控制沉降指標，本文主要研究結論如下。

（1）左右線線間距較大，施工期間的相互影響較小，當隧道與橋樁距離大于1倍洞徑即6.2 m時，盾構正常掘進穿越鐵路橋梁，盾構施工對鐵路橋梁產生的墩頂沉降指標均小于4 mm，滿足相關變形控制標準。

（2）以通過橋梁之前的100 m區段作為盾構施工試驗段，不斷優化盾構推進參數控制地表變形，減少對鐵路橋的影響，根據正面土壓力，緊密結合地表變形監測，及時調整盾構掘進參數，從而將施工后地表變形量控制在最小范圍內。

（3）加強信息化施工，控制地層損失量控制，加強施工監測，嚴格控制同步注漿、二次注漿和漿液質量，盾構穿越鐵路施工期間同步注漿要做到及時、均勻、足量，確保其建筑空隙得到及時和足量的充填，將地面變形和管片偏移控制到最小，盾構掘進后應及時通過同步注漿及二次注漿填充盾尾間隙，嚴格控制土層損失量。