既有鐵路盾構下穿段橋梁改造工程設計及施工技術研究

摘要：為解決河底盾構下穿鐵路鋼梁橋導致橋梁變形過大，影響鐵路運營安全，需對既有鐵路橋梁進行加固改建。針對此問題，通過對橋孔MJS加固、改建兩孔框架橋兩個方案進行了分析比選。利用有限元軟件，分析了改造方案對河道行洪影響和鐵路變形安全的影響，最終采用改建兩孔框架橋方案。

關鍵詞：盾構下穿；橋梁改造；MJS加固；兩孔框架橋；有限元模擬；行洪影響

0" "引言

管線穿越鐵路時，需要對鐵路軌道變形進行監測，必要時要采取相關加固措施或對鐵路進行改建，使其變形控制在規范要求的范圍內，從而保證鐵路運營安全。目前，關于既有鐵路盾構下穿段橋梁技術的研究已有不少。劉金林[1]研究了既有鐵路單孔簡支梁改建框構架施工技術。郭曉東[2]研究了既有T梁橋改建的技術，指出在梁橋改建為框架橋時，必須對橋的行洪條件進行驗算，以確定方案的可行性。

本文以盾構下穿既有西泗塘橋為背景，通過有限元模擬仿真的方法，探討了設計方案。MJS（Metro Jet System）工法可運用于水平、傾斜或垂直多方位的旋噴加固施工，對變形要求較高的工況適用性較強，基于此，廣州地鐵九號線下穿鐵路采用此工法加固。

1" "工程概況

既有西泗塘橋位于北郊站內，建成于20世紀60年代，橋梁為10m單線工字鋼梁橋，橋臺為塢工結構，基礎為樁長為14m的木樁，樁間距0.9m。市政污水管盾構直徑5m，下穿位于木樁基礎附近，中心深度13m，緊鄰既有橋面木樁，施工對鐵路運營安全造成較大風險大。

為保證盾構工程對既有橋的影響可控，首先利用有限元仿真模擬分析盾構施工對鐵路的影響，再根據計算結果制定具體實施方案。對既有橋梁加固考慮了兩種方案：方案一是保留既有鐵路橋梁，在其下方進行MJS注漿加固，加固完成后進行盾構穿越；方案二是改建既有鐵路鋼橋為兩孔框架橋，后續進行盾構穿越。改建橋梁平面圖如圖1所示。

2" "方案比選

2.1" "MJS注漿加固方案

管道盾構下穿前，對鐵路橋采用MJS進行預注漿保護，再行穿越。加固范圍為鐵路橋邊線往外10m，盾構底以下3m，盾構頂以上6m，橋左右各加固至橋梁邊線處。為保護西泗塘鐵路橋，對鐵路橋樁以下4.72m范圍進行加固。盾構下穿橋梁加固方案如圖2所示。本方案主要6個施工步驟如下所述。

步驟一：采用鋼板樁圍堰施工南何支線西泗塘橋西側區域，預留東側半幅單向條件。步驟二：利用圍堰圍擋區域，對河底進行MJS預注漿加固。步驟三：拆除西側鋼板樁圍堰，恢復河道。步驟四：采用鋼板樁圍堰施工南何支線西泗塘橋東側區域，保持西側半幅單向條件。步驟五：利用圍堰圍擋區域，對河底進行MJS預注漿加固。步驟六：拆除東側鋼板樁圍堰，恢復南何支線西泗塘橋河道。

2.2" "改建兩孔框架橋方案

2.2.1" "施工步驟

在不停運線路前提下，新建兩孔框架橋，第一孔在既有鋼梁下方現澆，第二孔以第一孔框架和便梁基礎為支撐，在D24m便梁下方現澆。本方案主要5個施工步驟如下所述。

步驟一：既有管線遷改，施作水上鋼棧橋作業平臺。步驟二：在河道兩側中設置圍堰，圍堰上方設置φ1.25m鋼管用作臨時過水，保證兩側水系通暢。步驟三：既有鐵路鋼梁橋下方采用MJS加固后施工框架橋，框架橋底板先澆筑對撐間混凝土，強度達到設計要求后拆除既有混凝土對撐，澆筑完整底板。施工過程中，需要采用鋼管對撐臨時支撐橋臺，同步右側架設D16m便梁，施工高壓旋噴樁及條形基礎，施工期間需停用道岔。步驟四：基坑抽水，拆除鋼梁，在西側橋臺與箱身之間回填混凝土；以中間框架橋和右側條形基礎為支墩，架設D24m便梁；鑿除東側橋臺，在既有橋臺木樁加固區采用袖閥管注漿加固，并在便梁下方現澆東側5.3m框架橋。步驟五：框架橋到達設計強度后，箱涵三角區和條基三角區回填，拆除D24m便梁，恢復線路。

2.2.2" "方案特點分析

本方案中，既有鋼梁采用整體移除，D24m便梁采取整體架設。既有鋼梁為明橋面木枕橋，待第一孔框架橋達到設計強度后，在天窗點內整孔吊裝拆除既有鋼梁，同步在北側平臺設置D24m便梁滑軌，將D24m便梁連同鋼軌、混凝土軌枕一次滑移到設計位置。D型便梁適用于既有線路或站場的橋涵施工，其最大優勢是在不中斷行車[3]。線路架空后，拆除右側橋臺，可以采用定向、靜力爆破將舊墩、臺、梁拆除，在既有橋臺下方采用注漿加固，現澆右側第二孔框架橋[4]。改建兩孔框架橋方案示意圖如圖3所示。

2.3" "有限元模擬分析

為從整體上把握合流污水一期復線工程盾構區間管道施工，對既有鐵路橋臺和路基的影響，考慮到管道涉鐵路段下穿鐵路橋臺，結合工程地質條件等，選用有限元軟件Midas GTX NX對管道盾構施工過程進行了三維數值模擬與分析。

2.3.1" "模型建立

在建模過程中，基于合流污水一期復線工程盾構區間隧道涉鐵專項報告，同時考慮了盾構井掘進、盾構管片施工對既有鐵路橋臺的影響。考慮本工程實際情況，采用齊次邊界條件。模型底部施加完全固定約束，側面施加法向固定約束，不施加切向約束。模型的上表面為自由邊界，無約束。方案二中土體豎向等值線云圖如圖4所示。

2.3.2" "方案模擬與選取

為了全過程分析合流污水管下穿南何支線鐵路西泗塘橋時，鐵路橋臺與路基頂的變形情況，通過利用Midas GTS NX模擬方案一和方案二的施工過程，分析下穿鐵路節點的變形情況。模擬過程中地層損失率取為0.3%。

依據《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》（TB10314—2021）中的規定，普速鐵路墩臺豎向位移控制值限值為+3mm和-8mm，水平控制限值為±7mm。通過模擬計算得到方案二變形值滿足規范要求限值，故采用方案二。兩種方案有限元數值模擬計算結果如表1所示。

3" "行洪影響分析

本工程涉及的西泗塘河道為防汛河道，依據《上海市防汛條例》相關規定，必須進行涉河影響分析，否則將影響鐵路橋改建方案的可行性。本工程施工影響為原鐵路橋上下游各40m范圍內，計算區域確定為西泗塘串聯水系范圍，重點研究區域為西泗塘走馬塘以北，蕰藻浜以南范圍河段。

3.1" "分析思路

本橋位于城區內部，防洪排澇分析同時也決定方案的可行性。通過水文分析計算并結合數學模型，確定工程圍堰施工過程及工程建設后對西泗塘防洪排澇的影響。所采用的資料為：流域水文站實測水文資料及規劃河道橫斷面資料，實測和調查河道對應水位資料及論證河段設計資料。行洪影響評價的工作內容主要包括水文資料的審查與分析、水文分析計算及成果合理性分析等。采用非均勻流計算數學模型，根據實測斷面資料，推求天然及工程建成后的水位、流速及流態變化情況，對工程范圍河段的行洪影響進行分析論證。根據上述分析計算成果，對工程影響區域內各影響對象進行綜合分析評價。

3.2" "一維河網水動力分析

依據MIKE11 HD模型用于河網調蓄計算理論，數模計算范圍的選取，除了考慮相近河段水文測站的布設情況外，還應包含建設項目可能影響的范圍及模型進出口邊界穩定所需的河道范圍，且數模計算范圍不應小于評價河段范圍。將本次計算區域確定為西泗塘串聯水系范圍，將重點研究區域為西泗塘走馬塘以北，西泗塘入蕰藻浜以南范圍。

本次數學模型采用相關工程制圖，其斷面形態以實測數據及施工設計圖紙為參照，其中實測斷面工況較為不利。本方案施工跨汛，非汛期采用全幅圍堰，汛期前完成兩孔箱涵中的一孔，利用該孔導流。本方案全幅圍堰結構為臨時結構，在項目施工完成后拆除。工況1為非汛期全幅圍堰施工工況，工況2為汛期工程建設前工況，工況3為汛期工程建設后工況，工況4為汛期單孔橋涵導流工況。

經過分析可知，西泗塘河段連接蕰藻浜，區域匯入河道均設有閘泵控制，此河段受泵閘調度影響明顯。通過蘊南片泵閘的聯合調度，利用周邊南北向河道分擔西泗塘的河道來水量，對西泗塘行洪影響不大。

3.3" "局部二維水動力分析

為保障施工期間河道行洪安全，結合工程河段地形資料，采用丹麥水工所研發的Mike 21軟件水動力模塊，建立工程河段平面二維水流數學模型，分析圍堰施工以及工程建設對河道流速分布的影響。為研究施工期間圍堰平面布置對局部河道流速分布的影響，以一維模型模擬結果作為邊界條件，建立局部二維水動力模型，研究工程段范圍內工程施工前后的流場變化。數模計算的主要研究范圍為工程區域河段，包含圍堰工程范圍及其上下游各400m，地形采用本次實測斷面資料。

經模擬計算得到西泗塘工程建設后，遭遇30年一遇設計暴雨（“639”雨型）工程所在上下游流速及流場分布數據。工程建設后設計暴雨下流速、流場分布如圖6所示。從圖6的模擬結果可知，鐵路橋改造后箱涵上下游局部最大流速為0.5m/s。據此建議對上下游30m范圍河床采取防護措施。

4" "結束語

西泗塘橋改造工程時間緊、施工環境復雜，本文以盾構下穿既有西泗塘橋為背景，通過有限元模擬仿真的方法，對鐵路橋梁加固改建方案等方面進行比選研究。得到如下成果：

大直徑盾構穿越鐵路橋梁影響既有鐵路運營安全，在不中斷運營既有鐵路前提下，進行鋼梁橋改建為框架橋方案可行。鋼梁整孔拆除后，為不中斷鐵路運營，采用D24m便梁帶鋼軌和混凝土枕整孔滑移至設計位置，可解決緊張施工場地無法使用大型吊裝機械的問題。

為保證既有線安全，需對既有橋臺設置鋼支撐。對框架橋底板分次澆筑，以確保橋臺穩定。對行洪影響進行綜合分析可知，河道內改建框架橋施工對防洪排澇影響不大，方案可行。

參考文獻

[1] 劉金林，楊國良.鐵路單孔簡支梁改建框構架施工技術[J].鐵道標準設計，2004（8）：50-51.

[2] 郭曉東.既有鐵路T梁橋改建為框架橋設計[J].鐵道標準設計，2007（6）：47-49.

[3] 靳銳勇.在既有線上頂進立交橋采用D型鋼便梁進行線路加固的施工方法[J].鐵道標準設計，2003（12）：17-19.

[4] 高玉蘭.京承線徐尹路鐵路橋改建設計方案與施工技術[J].鐵道標準設計，2011（7）：55-57.