富水砂層中地鐵盾構隧道下穿既有鐵路病害橋施工的風險分析及控制措施

李 曄

(中國鐵路南昌局集團有限公司,南昌,330002∥正高級工程師)

當新建隧道下穿既有橋梁時,會增加橋梁樁基的側向變形及沉降,減弱樁基承載力,進而帶來安全隱患[1-2]。因此,新建隧道工程需采取針對性的控制措施,以降低工程風險。文獻[3]系統地闡述了軟弱地層條件下盾構穿越高鐵所存在的風險,并提出相應的安全控制體系。文獻[4]認為與注漿加固周圍土體相比,隔離樁對盾構下穿鐵路橋施工的防護效果更佳。文獻[5]對盾構下穿引起的隧道縱向及環向結構響應進行了全過程的跟蹤及分析。文獻[6]探討了多種隔離樁對盾構下穿高鐵橋的防護效果。文獻[7]采用數值手段,對盾構穿越引起已運營鐵路橋涵的力學行為進行了預測。文獻[8]利用數值技術,探討了隧道下穿高鐵工程的控制標準及施工控制措施。

上述研究成果涉及新建工程下穿既有鐵路病害橋的情況較少。鐵路病害橋縱橫向剛度不足、結構整體穩定性差。富水砂層是不穩定地層,受擾動后地層反應靈敏。因此,富水砂層新建的盾構隧道下穿既有鐵路病害橋時,會增大風險事故的發生概率。鑒于此,本文針對南昌軌道交通4號線起鳳路站—七里站區間(以下簡稱“起七區間”)下穿京九鐵路工程,結合富水砂地層和鐵路病害橋的特點,對施工風險產生的原因及造成的危害進行分析,并提出一套較為成熟的風險控制體系。

1 工程概況

起七區間隧道右線(以下簡稱“右線”)的長度為1 073.288 m,隧道左線(以下簡稱“左線”)的長度為1 075.633 m,左右線的間距為12～17 m,隧道頂埋深為9.7～18.6 m。該區間隧道沿青山北路敷設,下穿英雄大橋、京九鐵路青山路立交橋后進入起鳳路站。起七區間隧道與京九鐵路青山路立交橋的位置關系如圖1所示。京九鐵路青山路立交橋的基礎為獨立淺基礎,離現有地面約4.9 m,基礎底標高為14.7 m。起七區間隧道與京九鐵路青山立交橋基礎的最小水平凈距約為1.680 m,豎向凈距為9.417 m。

圖1 起七區間隧道與京九鐵路青山路立交橋位置關系示意圖

2 施工風險識別

起七區間隧道工程屬富水砂層盾構隧道下穿鐵路病害橋施工,其風險源主要包括:

1) 鐵路病害橋的高敏感性。京九鐵路青山路立交橋劣化嚴重,梁體有多處裂縫,墩身腐蝕剝落,裂縫普遍,且結構出現老化現象。起七區間盾構下穿引起的地層變形可能會導致橋梁裂縫進一步發展,甚至導致橋梁整體結構發生破壞,造成嚴重的后果。

2) 富水砂層的不穩定性。該隧道洞身全部位于富水的礫砂層中。富水礫砂層具有結構松散、無膠結、孔隙比大、黏合力小及自穩性差等特點。當隧道穿越富水礫砂層時,由于其自穩性較差,地面更容易產生較大的沉降,施工風險性極高。

3) 工期緊張。施工時臨近春運,該工程須在春運前完工并通車,施工期只有10 d。

綜上所述,為確保該工程施工過程滿足沉降控制要求,綜合考慮后提出了鐵路橋置換及注漿加固的施工方案,即在既有京九上跨橋邊孔道路上預制框架,對下穿區域基礎范圍內的土體進行加固。

3 施工風險影響數值分析

3.1 計算模型建立

采用FLAC3D軟件對工程進行建模。考慮到隧道開挖影響范圍一般在3～5倍洞徑距離內,取75 m(50環管片的累計寬度)作為計算模型的縱向開挖長度,取地面以下40 m作為模型豎向深度。建立的三維數值計算模型如圖2所示,其尺寸為80 m(x向)×75 m(y向)×40 m(z向)。

圖2 三維數值計算模型

土體材料采取摩爾-庫倫本構模型,其參數依據地質勘察報告選取。其余材料均采用線彈性模型,所有單元均為實體單元。模擬計算時,盾構土倉壓力和同步注漿壓力均取0.1 MPa;鐵路列車荷載根據TB 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》取50 kN/m;路面汽車荷載取10 kPa。該數值模型的材料參數如表1所示。

表1 數值模型的材料參數

3.2 掘進過程模擬

初始地應力平衡后,以5環管片的累計寬度(7.5 m)作為1個開挖步,每步開挖后的地層應力釋放采用節點反力法(應力釋放系數取0.5)。應力釋放完成后,立即施作實體單元,以模擬管片的拼裝。同時修改周邊土體的參數,以模擬同步注漿過程。

3.3 施工工況設置

本文設置了3種施工工況:①工況一,不進行預加固;②工況二,地層注漿加固;③工況三,地層注漿加固+框架涵加固,其中地層注漿加固的區域為:z向取雙線隧道底部以下3.4 m至隧道結構頂部以上9.4 m,y向取隧道結構左右各6 m。

3.4 監測點布置

圖3為施工時地面及橋面監測點平面布置圖。根據施工監測要求,沿既有鐵路上下行方向各布置2個地面監測斷面(DB1、DB2),這2個監測斷面與鐵路中心線的距離均為7 m。2個斷面上均設11個地面監測點(DB1-1—DB1-11、DB2-1—DB2-11),相鄰地面監測點的間距為5 m。在既有鐵路中心線(立交橋橋面上)設1個橋面監測斷面QM0(其中QM0-5為既有鐵路中心線和起七區間隧道中心線的交點),在該斷面上設置10個監測點(QM0-1—QM0-10),相鄰橋面監測點的間距為5 m。

圖3 地面及橋面監測點平面布置圖

4 模擬結果分析

圖4為盾構貫通后模型在工況一下的隧道圍巖豎向位移云圖。由圖4可知:盾構隧道施工導致上覆地層在一定范圍內形成了“碗形”沉降區;既有高架橋與地面接觸范圍內的圍巖變形尤為明顯,最大沉降(沉降量為18.08 mm)發生在拱頂處。

圖4 盾構貫通后模型在工況一下的豎向位移云圖

4.1 地面沉降分析

選取地面在y=50 m處的監測斷面進行分析。該斷面不同工況下的地面沉降曲線如圖5所示,橫軸取QM0-5至QM0-1的方向為正方向。由圖5可知:工況一下地面的最大沉降量約為6.21 mm;采取預加固措施(工況二及工況三)后,地面沉降量有所減少;工況二及工況三對地面沉降的影響差別不大,最大沉降值約為3.18 mm,較工況一約減少48.8%。

圖5 不同工況下y=50 m處監測斷面的地面沉降曲線

4.2 既有鐵路路基沉降分析

選取既有鐵路路基中心所在的橫斷面(y=50 m)為監測斷面,該監測斷面與隧道軸線方向垂直。該斷面不同工況下的地面沉降曲線如圖6所示,橫軸取QM0-5至QM0-1為正方向。由圖6可知:工況一下既有鐵路路基的最大沉降量達5.92 mm;工況二下既有鐵路路基的最大沉降量明顯減少,其最大沉降值量為3.71 mm;工況三對既有鐵路路基的沉降控制效果最為顯著,其最大沉降量為2.18 mm;相比工況一和工況二,工況三下既有鐵路路基的最大沉降量分別減少了63.2%和41.2%。

圖6 不同工況下y=50 m處既有鐵路路基的地面沉降曲線

根據上述的數值模擬結果,本文采用工況三作為施工控制措施。

5 施工實測分析

基于上文的數值模擬結果,實際施工時采用工況三的控制措施,即在盾構穿越京九鐵路青山路立交橋前,對地層進行了注漿加固,對橋梁進行了框架涵加固。基于此制定實際施工的監測方案,并對實測數據進行分析。

依據相關規范的要求,結合施工的具體情況,本工程的地面變形控制值取-20～10 mm,橋面沉降控制值取6 mm,橋梁不均勻沉降控制值取5 mm。

取右線隧道正上方的監測點DB1-8、DB2-8、QM0-6進行分析,其實測的地面豎向變形時程曲線如圖7所示。由圖7可知:地面測點的豎向變形量隨時間的變化較為明顯,這是由于掌子面與監測斷面距離隨時間變化而變化導致的;監測點DB1-8、DB2-8的地面豎向變形隨時間推移而增大,直到隧道下穿通過后,豎向變形量才開始趨于穩定;橋面監測點QM0-6的豎向變形量遠小于2個地面監測點的最大豎向變形量。

圖7 地面、橋面部分測點的實際豎向變形時程曲線

圖8是隧道下穿完成后5 d(即2021年1月20日)地面、橋面監測斷面內各測點的累計豎向變形曲線。由圖8可知:鐵路橋兩側的地面累計豎向變形量差異不大,累計豎向變形的最大值出現在雙線隧道中心線附近,其累計豎向變形量為7.63 mm,橋面整體的累計豎向變形量在3.0～4.2 mm之間,滿足變形監測要求。

圖8 地面、橋面監測斷面內各測點的累計豎向變形曲線

6 結論

1) 采用地下基礎注漿加固及現澆框架加固橋梁的方式,可以很好地解決鐵路病害橋敏感性高、整體穩定性差等問題,進而降低隧道下穿的施工風險。

2) 通過對盾構機下穿時的各項參數進行合理設計,可有效地降低隧道施工風險,保證隧道安全、快速穿過鐵路病害橋。

3) 從控制效果看,在盾構隧道下穿過程中采用本文所述的各項控制方法后,地面沉降量較小,橋梁變形滿足控制要求,且盾構通過時間小于預期。