王思偉, 林立科

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長沙 410075)

近年來，隨著城市公共交通的快速發(fā)展，城市軌道交通工程建設(shè)和發(fā)展非常迅速。但城市軌道交通工程沿既有城市道路以隧道形式穿越居多，建設(shè)過程中會(huì)穿越各種各樣的結(jié)構(gòu)物。晏成對天津地鐵3號線盾構(gòu)隧道下穿鐵路框架橋工程進(jìn)行了評估和預(yù)測；王國富對濟(jì)南軌道交通R1線盾構(gòu)隧道下穿京滬鐵路框架橋涵進(jìn)行了數(shù)值模擬和評估；李軍對長沙地鐵1號線盾構(gòu)隧道下穿京廣鐵路工程的施工控制進(jìn)行了深入研究,提出了旋噴樁加固、線路架空加固(橫挑縱抬)等針對性的施工控制方案。目前中國地鐵盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營鐵路的研究主要集中在下穿鐵路路基和框架橋方面的技術(shù)措施和施工控制，對地鐵盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)行速度較高的城際鐵路剛架橋的設(shè)計(jì)與施工控制研究較少。該文結(jié)合長沙軌道交通6號線，對新建軌道交通隧道近距離下穿城際鐵路剛架橋的影響和安全性進(jìn)行分析，評估設(shè)計(jì)的可行性，并提出相關(guān)處理對策。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)區(qū)間基本情況

長沙軌道交通6號線朝陽村站-東郡站區(qū)間線路沿人民東路東西向布設(shè)，區(qū)間長度1.9 km。朝陽村站-東郡站區(qū)間隧道由西向東需依次下穿京廣鐵路客運(yùn)線框架橋、貨運(yùn)線框架橋以及長株潭城際鐵路剛架橋。

1.2 長株潭城際鐵路剛架橋基本情況

長株潭城際鐵路剛架橋位于京廣鐵路客運(yùn)線、貨運(yùn)線中間，采用(12.8+17.5+12.8) m剛架橋上跨人民路。東側(cè)長株潭城際鐵路走行線剛架橋?yàn)殡p線橋，橋?qū)?6 m；西側(cè)長株潭城際鐵路正線剛架橋?yàn)殡p線橋，橋?qū)?3 m；兩橋凈距約為4.4 m。

正線及走行線剛架橋均采用鋼筋混凝土薄壁橋墩，直徑100 cm鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)，樁底持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。剛架橋采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) 鐵路等級：城際鐵路。

(2) 正線數(shù)目：雙線。

(3) 正線線間距：5.0 m。

(4) 速度目標(biāo)值：200 km/h。

(5) 設(shè)計(jì)荷載：上部結(jié)構(gòu)采用ZC活載，下部結(jié)構(gòu)采用ZK活載。

(6) 軌道：有砟軌道，P60軌。

(7) 不均勻沉降：5 mm。

長株潭城際鐵路正線最高運(yùn)行速度為160 km/h，每月晚間運(yùn)行速度為200 km/h的綜合檢測車8趟。

1.3 隧道與長株潭城際鐵路剛架橋相互關(guān)系

隧道距離剛架橋樁基水平距離為2.35～7.52 m，隧道底距離長株潭城際鐵路剛架橋樁底垂直距離為1.97～5.14 m(圖1)，隧道采用盾構(gòu)法施工。

圖1 盾構(gòu)隧道與剛架橋立面關(guān)系圖(單位:m)

1.4 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，從上到下依次為人工填土、粉質(zhì)黏土、圓礫土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。盾構(gòu)隧道穿越地層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層狀構(gòu)造較厚、呈泥質(zhì)膠結(jié)狀態(tài)、節(jié)理和裂隙較發(fā)育，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為3.0 MPa。

地下水主要有上層滯水、孔隙水和裂隙水。人工填土層富水性整體較差；孔隙水主要分布在細(xì)圓礫、卵石土等土層中，呈中等富水性，為弱承壓水；泥質(zhì)砂巖裂隙水存量小，逕流條件差。

2 隧道施工對剛架橋的影響分析

盾構(gòu)隧道施工時(shí)，地層受到擾動(dòng)后產(chǎn)生地層損失，使隧道周圍土體受到擾動(dòng)或擠壓產(chǎn)生再固結(jié)，是構(gòu)成地表變形和地面沉降的根本原因。施工過程中盾構(gòu)機(jī)前方和頂部土體會(huì)產(chǎn)生微量的隆起，盾構(gòu)機(jī)部分通過后土體開始下沉，盾尾脫離后土體加快下沉，會(huì)形成一定寬度的沉降槽。隧道施工對長株潭城際鐵路剛架橋的主要影響如下：

(1) 因剛架橋樁基距離隧道較近，盾構(gòu)施工擾動(dòng)周邊土體產(chǎn)生沉降，會(huì)使樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力而影響剛架橋的樁基承載力。

(2) 隧道施工還會(huì)使橋梁樁基產(chǎn)生水平位移，樁基在豎向負(fù)摩阻力和水平位移的作用下會(huì)引起剛架橋結(jié)構(gòu)變位。

(3) 隧道距離各橋墩樁基位置各不相同，各橋墩的沉降也不一樣，相當(dāng)于給剛架橋產(chǎn)生了附加不均勻沉降。

(4) 剛架橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)，附加不均勻沉降會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力，使剛架橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形相對于原設(shè)計(jì)狀況有所改變。

(5) 剛架橋墩臺(tái)基礎(chǔ)的不均勻沉降導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)變形引起軌道變形而影響軌道的平順性。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

完全真實(shí)地模擬土體材料的工程特性是很困難的，需要適當(dāng)簡化分析模型，在三維分析時(shí)進(jìn)行了以下假定和簡化：

(1) 將土體近似假設(shè)為各個(gè)方向性質(zhì)相同、質(zhì)地均勻的彈塑體，土層近似為水平層狀連續(xù)分布的均質(zhì)材料。

(2) 不考慮地下水對初始地應(yīng)力的影響和土體構(gòu)造應(yīng)力，在土體自重作用下達(dá)到平衡后再進(jìn)行隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)施工。

3.1 模型建立

為分析和評估盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生不均勻沉降對剛架橋的結(jié)構(gòu)影響和軌道平順性影響，采用Midas/GTS(NX版)建立三維有限元分析模型，整個(gè)模型計(jì)算范圍為135 m×120 m×46 m(長×寬×高)，模型包括66 742個(gè)單元和14 624個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模型邊界條件采用位移邊界，模型上表面為自由邊界，其他外表面法線方向的位移均約束。地層及路基采用摩爾庫侖(Mohr-Coulonb)彈塑性模型；隧道管片、剛架橋采用彈性(Elastic)模型，其中盾構(gòu)隧道管片、橋面板采用板單元，剛架橋基礎(chǔ)采用樁單元。巖土及結(jié)構(gòu)主要力學(xué)參數(shù)如表1、2所示。

表1 巖土力學(xué)計(jì)算參數(shù)

表2 主要結(jié)構(gòu)物力學(xué)參數(shù)

3.2 荷載

土體及結(jié)構(gòu)物按自重計(jì)取，列車荷載根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，考慮動(dòng)力放大系數(shù)后按靜力荷載加載。

3.3 盾構(gòu)施工過程模擬

為分析隧道掘進(jìn)施工對長株潭城際鐵路剛架橋的影響，按照盾構(gòu)刀盤推進(jìn)的位置按先左線后右線分別劃分為典型的10個(gè)工況，具體位置示意圖見圖2。

圖2 開挖步距示意圖

盾構(gòu)掘進(jìn)施工模擬過程分3步：① 初始地應(yīng)力作用下土體達(dá)到平衡狀態(tài)；② 左線隧道施工，下穿剛架橋；③ 右線隧道施工，下穿剛架橋。

3.4 數(shù)值分析結(jié)果

經(jīng)3個(gè)步驟模擬隧道按先左線后右線的盾構(gòu)掘進(jìn)順序下穿剛架橋后，地表沉降云圖如圖3、4所示。

圖3 左線隧道通過剛架橋后地層豎向位移云圖(單位：m)

圖4 右線隧道通過剛架橋后地層豎向位移云圖(單位：m)

由圖3、4可知：隧道施工掘進(jìn)過程中，地層損失使穿越上方地層產(chǎn)生了豎向變形，其中隧道正上方的土體沉降最大，最大沉降約為8.2 mm，從隧道正上方拱部向兩側(cè)地表逐漸擴(kuò)散，沉降值逐漸減??；隧道底部土體產(chǎn)生了一定程度隆起，向上隆起最大值為3.6 mm。

（1）奉新縣農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)與發(fā)展?fàn)顩r好，目前正處于繁榮發(fā)展的階段。結(jié)合奉新工業(yè)園區(qū)在區(qū)域內(nèi)的輻射影響力，適合發(fā)展林竹木加工、旅游產(chǎn)品制造、特色食品加工等綠色生態(tài)輕工業(yè)產(chǎn)業(yè)，即以第一產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)、利用大都市核心區(qū)的擴(kuò)散效應(yīng)，學(xué)習(xí)核心區(qū)發(fā)展的技術(shù)與理念，發(fā)展縣內(nèi)第二產(chǎn)業(yè)中的輕工業(yè)，從而升級現(xiàn)有工業(yè)園區(qū)使之更符合整個(gè)區(qū)域規(guī)劃。

因地層沉降引起的剛架橋不均勻沉降云圖見圖5。

圖5 盾構(gòu)通過后剛架橋的位移云圖(單位：m)

由圖5可知：盾構(gòu)穿越剛架橋后引起各墩臺(tái)產(chǎn)生沉降，各墩臺(tái)的沉降呈現(xiàn)明顯的不均勻性，距離隧道越遠(yuǎn)的墩臺(tái)沉降越小，距離越近的墩臺(tái)沉降越大，橋墩最大沉降為-1.05 mm，橋臺(tái)最小沉降為-0.28 mm。

隧道區(qū)間左線及右線盾構(gòu)掘進(jìn)通過后長株潭城際鐵路剛架橋樁基水平位移云圖如圖6、7所示。

圖6 左線隧道通過后樁基水平位移云圖(單位：m)

由圖6、7可知：左線掘進(jìn)通過后剛架橋樁基最大水平位移為1.8 mm，右線掘進(jìn)通過后剛架橋樁基最大水平位移為2.3 mm，樁身在盾構(gòu)隧道區(qū)域附近位移最大，向上下兩端逐漸減小。

由于上部道床及軌道的豎向剛度較大，近似通過路基及剛架橋的變形來分析軌道沿隧道縱向沉降規(guī)律。盾構(gòu)穿越剛架橋施工過程中，鐵路道床受到了不利影響，當(dāng)盾構(gòu)完全通過后，鐵路道床最大沉降量為-2.05 mm(圖8)。

圖7 右線隧道通過后樁基水平位移云圖(單位：m)

圖8 盾構(gòu)通過后鐵路道床豎向位移曲線

由圖8可知變形總體呈現(xiàn)為盾構(gòu)隧道施工上方沉降較大，到兩側(cè)遞減，基本符合Peck公式的沉降規(guī)律。

由圖8可知：在左右隧道及中間區(qū)域道床變形最大，向兩側(cè)逐漸減小，在隧道中心線40 m以外道床變形基本為0。因此可以確定，盾構(gòu)隧道施工對剛架橋的影響區(qū)為隧道中心兩側(cè)各40 m。

4 剛架橋結(jié)構(gòu)檢算

采用Midas/Civil分析計(jì)算軟件，建立“荷載-結(jié)構(gòu)”模型。采用梁單元桿系結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)采用等效剛度梁單元模擬。邊界條件為：梁端采用豎向約束，樁基按等代梁單元采用固結(jié)約束；橋墩與上部結(jié)構(gòu)連接采用剛性連接。結(jié)構(gòu)斷面參數(shù)按剛架橋?qū)嶋H尺寸選取。計(jì)算模型如圖9所示。

圖9 剛架橋計(jì)算模型

荷載組合按現(xiàn)行TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》取最不利的工況組合，盾構(gòu)通過后的樁基最大沉降-1.05 mm采用強(qiáng)制位移施加到計(jì)算模型，原設(shè)計(jì)不均勻沉降為-5 mm，其他設(shè)計(jì)荷載均按原設(shè)計(jì)取值。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

4.1 梁體截面計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，在隧道掘進(jìn)施工前后剛架橋梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)如表3所示。

表3 梁體截面檢算結(jié)果

由表3可知：剛架橋梁體上緣鋼筋應(yīng)力增加1%～3%，鋼筋最大應(yīng)力為152 MPa(墩頂)，下緣鋼筋應(yīng)力增加1%～4%，鋼筋最大應(yīng)力為137 MPa(跨中)。剛架橋梁體混凝土應(yīng)力增加1%～4%，最大應(yīng)力為7.8 MPa，均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中裂縫寬度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算，剛架橋梁體上緣裂縫增加1%～3%，最大裂縫寬度為0.15 mm，下緣裂縫增加1%～5%，最大裂縫寬度為0.14 mm，均滿足規(guī)范要求。

4.2 剛架橋墩身截面驗(yàn)算結(jié)果

隧道掘進(jìn)前后剛架橋橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)如表4所示。

表4 剛架橋墩身截面計(jì)算結(jié)果

剛架橋墩身最大內(nèi)力發(fā)生在墩底部位，計(jì)算結(jié)果表明：盾構(gòu)施工對剛架橋墩身的豎向力、彎矩、混凝土及鋼筋應(yīng)力均有一定的影響，但結(jié)構(gòu)承載力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4.3 剛架橋樁基驗(yàn)算結(jié)果

剛架橋樁基驗(yàn)算結(jié)果見表5。

表5 樁基計(jì)算結(jié)果

表5表明：盾構(gòu)施工對剛架橋的樁基結(jié)構(gòu)有一定影響，樁基豎向軸力、樁身混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力均有所增加。原設(shè)計(jì)橋臺(tái)樁基承載力容許值[P]=3 870 kN、橋墩樁基承載力容許值[P]=5 704 kN，混凝土容許應(yīng)力[σb]=16.9 MPa，鋼筋容許應(yīng)力[σs]=230 MPa，計(jì)算結(jié)果均未超過容許值，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 安全性分析及對策

該剛架橋于2016年12月正式建成通車，根據(jù)竣工驗(yàn)收各項(xiàng)資料顯示，剛架橋的使用狀況良好。盾構(gòu)隧道施工對剛架橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)有一定的影響，但是變化量相對較小，剛架橋抗力有一定的儲(chǔ)備，考慮隧道施工引起的不均勻沉降后，剛架橋各設(shè)計(jì)指標(biāo)仍滿足規(guī)范要求。

5.1 沉降控制指標(biāo)

區(qū)間隧道下穿長株潭城際鐵路剛架橋時(shí)，地面沉降控制要求較嚴(yán)格，軌道沉降按200 km/h靜態(tài)臨時(shí)補(bǔ)修管理值控制標(biāo)準(zhǔn)：軌面沉降值不超過8 mm，軌道高低值不超過8 mm，相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過8 mm，相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過6 mm，剛架橋相鄰橋墩沉降差不超過5 mm。

5.2 施工控制措施

該區(qū)間盾構(gòu)隧道與長株潭城際鐵路剛架橋樁基水平距離為2.35～7.52 m，盾構(gòu)隧道頂部為人工填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。雖然三維數(shù)值模擬分析和剛架橋結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果表明影響可控，但考慮到施工工藝等未知影響因素，仍需要采取相應(yīng)的保護(hù)方案及施工控制措施。

(1) 根據(jù)相關(guān)研究，減小盾構(gòu)隧道對既有結(jié)構(gòu)物的影響常用的有效辦法是增設(shè)隔離樁，但該隧道與橋梁樁基最小凈距僅2.35 m，不滿足設(shè)置隔離樁的條件，建議對剛架橋樁側(cè)進(jìn)行靜力壓漿，改善巖層頂面土層的特性，盡可能減小沉降對剛架橋的不利影響。

(2) 利用盾構(gòu)掘進(jìn)鐵路剛架橋下方前50 m作為試驗(yàn)段，通過對試驗(yàn)段的掘進(jìn)參數(shù)及地面沉降情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，預(yù)測盾構(gòu)機(jī)通過鐵路時(shí)可能出現(xiàn)的沉降值，以最優(yōu)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)通過剛架橋段。

(3) 盾構(gòu)穿越鐵路前，建立系統(tǒng)、完善的監(jiān)測網(wǎng)，施工中進(jìn)行變形監(jiān)測并及時(shí)反饋信息，并進(jìn)行跟蹤注漿或補(bǔ)充注漿，以減少地層損失。

(4) 在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過長株潭城際鐵路剛架橋前，建議參照“橋涵頂進(jìn)施工慢行”限速60 km/h。

6 結(jié)論

(1) 通過三維數(shù)值模擬分析了隧道施工對剛架橋的影響，建立“荷載-結(jié)構(gòu)模型”對剛架橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明：盾構(gòu)施工對剛架橋的結(jié)構(gòu)安全性和軌道平順性有一定的影響，但仍處于規(guī)范允許范圍，盾構(gòu)下穿剛架橋的設(shè)計(jì)方案總體可行。

(2) 考慮到盾構(gòu)穿越巖層仍存在巖石軟硬不均等不確定因素，盾構(gòu)下穿時(shí)應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)注漿并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤注漿，有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的地層損失，抑制盾構(gòu)掘進(jìn)過程中長株潭城際鐵路剛架橋樁基的變形。