盾构区间近距离下穿铁路桥梁影响分析

王体广

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，102600，北京∥工程师）

盾构区间近距离下穿铁路桥梁影响分析

王体广

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，102600，北京∥工程师）

以深圳地铁7号线某区间工程为分析原型，分别采用经典的peck法和有限元法对盾构近距离下穿浅基础铁路桥梁的沉降进行了研究、分析，介绍了为控制沉降而采取的施工措施，并将计算得到的理论值和现场施工的实际监测值进行了对比研究。验证了施工措施的有效性及设置参数优化试验段的必要性，总结了施工过程的沉降变化特点，得到peck法的参数选择应谨慎、实测应覆盖施工全过程的结论。

地铁盾构施工；下穿铁路桥梁；沉降影响分析

Author＇s address China Railway Fifth Survey And Design Institute Group Co.，Ltd.，102600，Beijing，China

随着地铁工程建设的日益增多，地铁线路与周边建（构）筑物的关系越来越复杂，而地铁区间工程穿越建（构）筑物的工程实例也越来越多。盾构法施工技术以其独有的智能化、安全、快捷、地层适用性广等特点与优势，得到越来越多的推广和应用。虽然盾构法在工程实施中取得了很好的成绩，但其施工过程必然会引起地层损失和土体扰动，从而引起地表变形。具体表现在盾构到达的前方和顶部产生微量的隆起，盾尾脱离以后地表开始下沉，并形成一定宽度的沉降槽，沉降的速率随时间而逐渐衰减，且与盾构所经过的地层、施工工况和地表荷载等有密切的关系，并表现出相当的差异性［1］。当地面沉降和地层移动达到一定程度时，就会影响周围建筑物的安全和正常使用［2］。

本文结合地铁设计、施工实例，分别采用经典的peck法和有限元法计算盾构近距离下穿浅基础铁路桥梁的沉降，并将计算得到的理论值和现场施工的实际监测值进行了对比研究，为将来类似工程的设计、施工提供参考。

1　工程概况

深圳地铁7号线某区间长1.3 km，采用盾构法施工，区间埋深7.5～13.5 m。距车站250 m处区间近距离下穿铁路桥。区间线路中心线与铁路桥梁斜交角度为74°。该铁路线尚未电气化，所有列车均由内燃机车牵引。铁路桥于1991年开工，于1993年竣工。其坡度为7%，曲线半径为800 m，横剖面见图1。其中，0号桥台、1号桥墩、2号桥墩位于缓和曲线上，3号桥墩和4号桥台位于圆曲线上。

铁路桥上部桥梁为4跨不等跨、预制钢筋混凝土简支T形梁。其中，两端2跨为钢筋混凝土梁，中间2跨为先张法预应力梁。桥台和桥墩均采用2级扩大浅基础。

该地铁区间埋深7.5 m，区间线间距16.9 m。因区间线路中心线与铁路桥梁斜交，故桥墩基础与区间隧道距离为变值。区间左线与1号桥墩基础平面距离为1.4～3.0 m，实际距离为5.3～6.3 m，与2号桥墩基础的平面距离为3.5～1.4 m，实际距离为4.1～2.3 m。区间右线距离2号桥墩基础平面距离为1.4～3.6 m，实际距离为2.3 m～4.1 m，与3号桥墩基础平面距离为3.5～1.5 m，实际距离为5.7 m～4.3 m。

根据勘探和室内土工试验测试成果，该地铁区间地基土根据成因类型及物理力学指标的差异可划分为5个工程地质层20个亚层，各土层按由上至下由新到老的顺序分别为①1素填土，①3素填土，④5粉质黏土，⑦1砾质黏土，⑧1全风化花岗岩。区间结构位于⑦1砾质黏性土和⑧1全风化花岗岩地层。场地地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水。地下水位埋深3.7 m，水位变幅0.5～2.5 m。各层土的力学参数指标详见表1。

表1　土的力学参数

2　模拟计算

2.1Peck法

在盾构隧道施工引起地面沉降的预测方面，派克（peck）于1969年提出了地层损失的概念和估算方法。此后经过大量工程实践及修正完善，peck法是目前最简便、应用最为广泛的估算盾构正常施工引起地面沉降的方法。peck法在不考虑土体排水固结与蠕变的条件下，认为盾构推进后地面横向沉降基本为似正态曲线。具体计算式如下

式中：

Sx——距离隧道中心线x处的地表沉降；

x——距离隧道中心线的距离；

i——沉降槽宽度系数；

V1——盾构隧道地层体积损失率，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比，本数值与地质条件和施工条件密切相关；

r——盾构机外径。

文献［3］详细调查、研究了peck公式在我国隧道施工中的适用性，并提供了沉降槽宽度系数、地层损失率的建议值。结合地质条件和深圳地铁实际施工经验，本工程V1取值0.35%，i取值9.5。左右线隧道施工完成后的地面沉降最大值均在隧道正上方，最大沉降值为18.20 mm，左右线叠加后的实际地面沉降最大值位于左右线中间位置，最大沉降值为24.41 mm。peck法计算的左右线各自的沉降曲线和叠加后的实际沉降曲线见图2。

图2　peck法计算的隧道沉降槽

2.2有限元分析法

为了进一步分析研究盾构隧道施工对铁路桥梁的影响，利用MIDAS-GTS软件建立三维有限元数值分析模型。在三维建模中，取盾构隧道开挖方向为Y轴，将Z轴垂直于岩层设置，将X轴沿盾构隧道横向设置，且与Y轴和Z轴满足右手法则。

计算区域主要根据盾构隧道及既有桥墩的布置情况，并满足一定边界效应的要求来确定。铁路桥梁为简支梁，为简化模型，仅选取距离盾构隧道较近的1号桥墩、2号桥墩和3号桥墩进行分析。地铁区间底部埋深13.5 m，根据影响线分析，地铁区间完成后地表沉降槽宽度应大于13.5 m+16.9 m+ 13.5 m=43.9 m。计算模型选取范围为：左右线隧道中心各向外20 m即横向取56.9 m；盾构隧道沿纵向取24个盾构施工步，共36.0 m；隧道底面以下取25.0 m，模型顶面至土体表面。对盾构上部土体和下部土体参数均取加权平均值计算。本三维模型及相互关系详见图3。

图3　有限元分析三维模型

本模型的移边界条件为：侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界。根据施工方案，先施工左线后施工右线。

左线贯通后，地面最大沉降为6.95 mm，1号桥墩基础底面沉降为7.21 mm，2号桥墩基础底面沉降为10.28 mm，3号桥墩基础底面沉降为0.77 mm，左线贯通后土层变形云图和桥梁变形云图见图4及图5。

左右线均贯通后，地面最大沉降为9.06 mm，1号桥墩基础底面沉降7.46 mm，2号桥墩基础底面沉降13.35 mm，3号桥墩基础底面沉降12.19 mm，左右线均贯通后土层变形云图和桥梁变形云图见图6及图7。

3　施工控制措施

下穿处铁路列车的最大运行速度为80 km/h。根据《铁路线路修理规则》（2006年版），线路轨道的轨距、水平、高低、轨向等静态几何尺寸容许偏差管理值可按照12.00 mm控制。但现在得到的计算值已超过控制值，因此需要采取施工控制措施。根据轨道交通下穿既有铁路设计流程，设计方案和施工方案经过与铁路产权单位沟通，并经过多次专家咨询和评审会，最终确定了控制沉降的施工专项措施。

图4　左线贯通后土层变形云图

图5　左线贯通后桥梁变形云图

图6　左右线均贯通后土层变形云图

图7　左右线均贯通后桥梁变形云图

3.1外部措施

（1）因桥梁使用多年，施工前应对该地段进行详细调查，以确认桥墩基础形式、实际位置及标高。工程实施前应对桥梁进行安全评估，并对简支梁进行支顶，对左右线结构边线外各30 m范围内的铁路线采取扣轨措施，同时建议铁路产权单位在盾构通过前对铁路进行一次养护。

（2）虽铁路线行车密度较小，但为减少施工对桥梁的影响，施工还应尽量在行车间隔中完成。

（3）预先在桥墩上设置千斤顶，当桥墩沉降大于控制值时，在桥梁支座处垫设钢板。若沉降不能通过其他措施解决，则替换桥梁支座。

（4）在1—3号桥墩周边4 m范围内预先施做袖阀管。在桥墩周边2 m范围内预先注浆加固，其余范围注浆根据施工监控量测情况确定。加固范围详见图8。

图8　铁路桥加固范围示意图

3.2洞内措施

（1）盾构始发端距离铁路桥250 m这一段设为参数优化试验段，施工时应结合地质、周边环境优化盾构掘进参数、控制土仓压力、出土量和掘进速度，减少盾构隧道地层体积损失率，以保持开挖面稳定，使盾构匀速、慢速通过铁路段。

（2）加强同步注浆和二次补浆。桥墩前后共20环范围内的注浆采用1∶1的水泥、水玻璃双液浆。

（3）加强监控量测，做到信息化施工。盾构施工直至通过后，都要加强对桥梁及桥墩的监控量测，区间隧道过铁路段前后50 m需加强、加密监测，隧道2倍洞径范围内对桥梁、轨道、路基等项目采用自动化监测。

3.3采取施工控制措施后的模拟计算结果

采取上述措施后，注浆后土体参数采用表1中注浆加固体的相关参数。重新采用上述有限元方法进行计算，结果如下：左线贯通后，地面最大沉降为3.19 mm，1号桥墩基础底面沉降为3.62 mm，2号桥墩基础底面沉降为5.52 mm，3号桥墩基础底面沉降为0. 42 mm；左右线均贯通后，地面最大沉降为4.35 mm，1号桥墩基础底面沉降为3.77 mm，2号桥墩基础底面沉降为7.00 mm，3号桥墩基础底面沉降为6.40 mm。上述结果均满足12.00 mm的控制标准。

4　实测数据

施工中对桥梁裂缝、桥墩沉降（测点设置在墩柱上）、地面沉降、隧道收敛等项目进行了监测。监测地面沉降时在横断面上每隔5～8 m设置1个测点，共设置9个测点。桥墩测点设置于地面位置的桥梁墩柱上，其中2号桥墩设置测点2个，其他桥墩和桥台设置测点1个。采取控制沉降施工措施后，实测地面沉降最大值为8.60 mm；0号桥台最大沉降为1.00 mm，1号桥墩最大沉降为2.45 mm，2号桥墩2个测点的最大沉降分别为3.15 mm和2.80 mm，3号桥墩最大沉降为2.60 mm，4号桥台最大沉降为1.40 mm。本区间左线先施工，右线后施工，左线通过铁路时间为2014年4月25日，右线通过铁路时间为2014年5月30日。左右线隧道贯通后隧道的实际沉降槽和2号桥墩的沉降与时间的关系曲线详见图9和图10。

图9　实测的隧道沉降槽

5　结论

目前，下穿铁路的地铁区间已经贯通，施工期间铁路线路运营未受影响，且铁路桥的后续沉降基本稳定。结合计算和实测数据，总结此次地铁盾构区间近距离下穿浅基础铁路桥梁设计和施工经验如下。（1）比较沉降的计算值和实测值可以看出，地铁盾构下穿铁路采取的加固土体、加强同步注浆和二次注浆、控制土仓压力、出土量、掘进速度等控制措施效果明显，使地面沉降得到了很好的控制。

图10　2014年某地铁桥2号桥墩沉降与时间的关系曲线

（2）盾构施工阶段引起地面沉降的主要因素是施工导致的地层损失。区间穿越的地层砾质黏土为深圳地层中较好的地层，非常适合复合式土压平衡盾构机的穿越。文献［4］中提及的深圳不良地层本段均未遇到。设置250 m的试验段来不断优化施工技术参数是必要的、有效的。

（3）从文献［3］可以发现，在peck法计算过程中，i的取值范围较窄（一般为隧道埋深的0.6～0.8倍），且对计算结果影响很小（上限与下限对结果影响6%左右）；而V1对计算结果影响较大，且取值范围很宽。根据深圳地铁施工经验，砾质黏土和粉土等地层若无地下水和上软下硬地层的影响，则实际施工过程中的V1较小。根据实测值反算，V1可以控制在0.18%左右。因此，在利用peck公式计算地面沉降时，应结合当地地质情况和施工经验，谨慎选取系数的数值方可得到有价值的计算结果。

（4）通过实测沉降值与时间的关系曲线可以看出，盾构下穿铁路桥施工期间，地面土体和桥墩经历了盾构未到达时稳定、盾构到达前沉降、盾构到达时沉降减小或轻微隆起、盾构穿越时沉降、盾构穿越后继续沉降、后续稳定等几个过程。盾构隧道通过后沉降达到最大值，最后趋于稳定。因此，应在施工前、施工中、施工后对桥梁进行全过程监测。

［1］ 吕培林，周顺华.软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析［J］.中国铁道科学，2007，28（2）：12.

［2］ 王占生，王梦恕.盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施［J］.中国安全科学学报，2002，12（2）：45.

［3］ 韩煊，李宁，STANDING J R.peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用分析［J］.岩土力学，2007，28（1）：23.

［4］ 刘建国.深圳地铁盾构隧道施工技术与经验［J］.隧道建设，2012，32（1）：72.

［5］ 余才高，韩圣铭.地铁盾构隧道在岩层下穿高速铁路桥梁时的施工参数研究［J］.城市轨道交通研究，2015（6）：90.

Influence of Shield Tunnel Crossing under Railway Bridge within Close Distance

Wang Tiguang

Accroding to the engineering of a certain range on Shenzhen Metro Line 7，the settlement of shallow railway bridge foundation crossed by the shield tunnel within close distance is analyzed，in which the classic peck method and finite element method are used.The control measures are introduced，the theoretical value and the actual monitored value of the site construction are compared.The fisibility of the engineering and the setting up of parameter optimization test section are verified.Through summarizing the settlement changes in construction，it is concluded that theselection of peck method shall be cautious and the measured data shall cover the full process of metro engineering.

metro shield-driven construction；crossing underrailway bridge；settlemen influence analysis

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.03.021

（2015-07-04）