软弱地层环境下地铁盾构下穿铁路框架桥影响分析及应对措施

2022-05-20郑浩龙

现代城市轨道交通 2022年5期

郑浩龙

（浙江数智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310030）

1 引言

针对盾构下穿铁路框架桥的工程问题，已有诸多学者通过数值模拟[1-7]及现场监测[8-11]等手段开展了相关研究。李谷阳等[12]针对北京地铁8号线盾构在砂卵石地层中下穿铁路框架桥极易导致地表沉降和塌陷的问题，研究了盾构施工引起的地层扰动变形、孔隙水平压力变化及桥梁结构变形等规律，并提出了工程保障措施。汲红旗等[13]以长沙地铁6号线盾构在中风化泥质粉砂岩地层中下穿京广铁路客运线框架桥为例，研究了不同加固条件、注浆压力和土仓压力下盾构下穿对框架桥和轨道变形及其受力的影响，并提出了相应的施工控制对策。以上研究很少涉及华东地区流塑状的软弱地层；因此，针对软弱地层地铁盾构隧道下穿铁路框架桥的影响分析及采用何种有效措施进行防治的研究具有重要的工程意义。本文以杭州地铁9号线一期工程临邱区间下穿沪杭铁路迎宾路铁路框架桥为背景，通过数值模拟分析在软弱地层中盾构施工对铁路框架桥沉降变形的影响，并提出软弱地层中的应对措施；经现场实测数据验证，此举能够确保铁路框架桥的安全运营。

2 工程概况

杭州地铁9号线一期工程临邱区间出临平站后往西北沿迎宾路敷设，下穿迎宾路铁路框架桥、上塘河及西洋桥，进入邱山大街站，左线长1 378.273 m，右线长1 379.561 m，线间距11～15.6 m、埋深9.86～24.5 m，最小平曲线半径700 m，最大纵坡26.7‰。盾构隧道采用2台小松土压平衡盾构机自北向南施工，先施工左线，再施工右线；开挖直径6.43 m，管片外径6.2 m，内径5.5 m，厚0.35 m，幅宽1.2 m，错缝拼装；采用C50混凝土，抗渗等级P10。

沪杭铁路迎宾路铁路框架桥原为5 m + 9 m + 5 m三孔框架，于2006年全部顶出废除，顶进法新建5 m +12 m +12 m + 5 m四孔框架，有砟轨道，国家Ⅰ级电气化铁路，设计速度160 km/h。框架桥边孔5 m框架顶板厚45 cm，底板厚50 cm，边墙厚40 cm；其主孔12 m框架顶板厚70 cm，底板厚90 cm，边墙厚80 cm；其主孔框架和边孔框架基础均采用φ600高压旋喷桩加固；桩长为12.8 m或9.2 m（桩底标高均为-10.9 m）。经现场调查，框架桥表面基本无裂缝，正常使用，状态良好。

盾构隧道分别在里程左DK41 + 138.000～左DK41 +151.000范围（631环～642环）和右DK41 + 147.000～右DK41+160.000范围（629环～640 环）下穿铁路框架桥，两者呈84.6°夹角相交，盾构顶部距旋喷桩桩底最小竖向净距约7.44 m，平面和剖面关系如图1所示。

根据详勘资料，铁路框架桥范围地层从上至下包括填土、黏质粉土、粉土与粉质黏土互层、淤泥质粉质黏土夹粉土、含黏性土碎石、黏土。盾构隧道穿越处地层为淤泥质粉质黏土夹粉土，呈流塑状，含水量 33.5%，为本地区比较典型的软弱地层。

3 盾构下穿框架桥影响分析

3.1 铁路框架桥变形控制标准

既有铁路框架桥控制指标主要受路基、线路、轨道和保养情况等因素的影响。由于工程施工必须保证铁路的安全运营，为确保盾构推进的安全性，同时避免不确定性因素的影响，必须对施工过程同步跟进，实时监测。本工点铁路为非道岔地段，监测报警值根据《普速铁路线路修理规则》（铁总工电[2019]34号）[14]、《上海铁路局工务安全管理办法》（上铁工[2017]382号）[15]等现行标准规范的要求执行，主要标准如表1所示。

表1 铁路框架桥沉降控制指标

3.2 模型建立

为准确分析地铁盾构隧道下穿施工对铁路框架桥的影响，采用Midas GTS软件对盾构下穿施工全过程建立三维模型进行数值分析；模型分别模拟无洞内注浆加固和有洞内注浆加固（加固厚度2 m）2种工况。铁路框架桥、地层采用实体单元进行模拟，地铁盾构隧道管片采用壳单元进行模拟，考虑边界效应后建立的有限元三维计算模型如图2所示。

桥涵上考虑到的列车荷载取92 kN/m计算。盾构掘进过程采用动态模拟施工，先开挖左线盾构隧道，再开挖右线盾构隧道。分析过程中采用分段掘进的增量法，且考虑同步注浆压力、盾构机掌子面压力等因素影响。

3.3 计算结果分析

在软弱地层环境下进行地铁盾构隧道穿越施工后，既有铁路框架桥主要表现为沉降变形，如图3所示，具体结果分析如下。

（1）地铁盾构隧道下穿施工后，未进行洞内注浆加固时，铁路框架桥主要表现为沉降变形，最大沉降量为6.72 mm，大于5 mm的标准，不均匀沉降为4.22 mm，不能满足铁路部门的沉降控制要求；进行洞内注浆加固时，铁路框架桥最大沉降量为4.76 mm，小于5 mm的标准，不均匀沉降为2.38 mm，加固后能够满足铁路部门的沉降控制要求。这说明在软弱地层中地铁盾构下穿施工后进行洞内注浆对抑制铁路框架桥的沉降变形具有显著效果。

（2）铁路框架桥出现沉降变形较大的范围主要位于中间2孔车行框架桥范围，正好处于盾构隧道沉降槽投影范围；因此，车行框架桥沉降监测是后续施工监测的重点。

（3）铁路框架桥顶板的沉降量及不均匀沉降与底板基本相同，且沉降值较小；这说明铁路框架桥混凝土结构整体性能较好，引起附加应力较小，不会造成框架桥结构的损坏。

4 盾构下穿框架桥应对措施

（1）优化地铁盾构隧道纵断面设计，确保盾构隧道距离框架桥旋喷桩底大于1D（D为洞径）；管片采用超深埋管片，螺栓性能采用8.8级，加强铁路框架桥前后4环范围内的管片环缝防水：采用厚度为6 mm的环向丁腈软木橡胶衬垫，弹性密封垫加贴遇水膨胀橡胶（24 mm×3 mm）。

（2）管片增设注浆孔，预留洞内二次注浆条件。为加强地铁盾构下穿铁路框架桥后的二次注浆和应急处理能力，在穿越段盾构管片增设注浆管，注浆孔由6个增加到16个，即邻接块、标准快均增加到2个注浆孔；洞内二次注浆采用少量多次跳环注浆方式，并每5环用双液浆打环箍，以有效阻隔地下水对浆液的稀释，将注浆压力控制在0.3～0.4 MPa。

（3）在盾构机设计方面，采用土压平衡盾构机，利用中盾预留的4个径向注浆孔，在盾构掘进过程中同步注入克泥效（克泥效 : 水玻璃=20 : 1，克泥效每立方用量400 kg），及时填充刀盘开挖与盾壳间的空隙，减少软弱地层沉降。

（4）按穿越顺序分阶段优化掘进参数。在下穿铁路框架桥前300环范围内设置2个试验段（左线325环～425环和550环～600环，右线405环～505环和550 环～600环）。试验段掘进完成后，对采集的各项掘进参数与地面沉降值进行全面分析并不断优化参数准确度，摸索出在软弱地层⑥2淤泥质粉质黏土夹粉土层中最合理的掘进参数，最终确定地铁盾构下穿铁路框架桥指导性施工参数：推进速度30～40 mm/min，总推力1 400～1 600 t，刀盘转速0.8 rpm，刀盘扭矩140～160 t · m，土压力2.3～2.5 bar，同步注浆量每环5.5～6.0 m3，出土量40～41 m3。

（5）穿越期间对铁路框架桥采用自动化监测，并根据监测数据实时调整盾构掘进参数，以控制结构隆起状态，将隆起值控制在3 mm以内；穿越后根据监测结果及时有效地采取管片洞内注浆。

（6）为确保列车运营安全，向铁路运营管理部门申请列车通过该区域时限速至45 km/h；同时在铁路框架桥地面预备道砟，当沉降过大时及时通过填筑道砟来调整轨道至合适位置。

5 监测分析

对铁路框架桥（孔1～孔6）进行沉降监测，采用自动化数据采集，每孔框架结构分别布置东西方向2个监测点位共计12个监测点。监测周期为：盾构机刀盘进入铁路框架桥30 m范围内开始至盾尾离开铁路30 m后，直至监测数据趋于稳定时结束。

地铁左线盾构在下穿进入框架桥前，铁路框架桥整体变形趋势呈现微隆起状态。本文重点研究下穿至收敛稳定期间铁路框架桥沉降时程曲线变化情况，如图4、图5所示。

（1）左线盾构下穿铁路框架桥期间（2020年7月7日— 7月14日），数据较稳定，框架桥呈现微隆起状态，隆起值不大于3 mm。

（2）左线盾构穿越工后约1周内（2020年7月15日— 7月20日），左线盾构沉降槽范围的孔1～孔4沉降监测点以相对较大但未超过预警值的速率（平均速率约-0.4 mm/天）持续下降，且最大累计沉降值为2.8 mm，未超过预警值（3 mm）。随后不定期进行盾构洞内注浆，遵循少量多次原则，尽量减少对软弱地层的扰动，持续至沉降收敛为止。

（3）在盾构间歇期（2020年7月20日— 9月13日），铁路框架桥沉降变化缓慢。

（4）右线盾构下穿框架桥期间（2020年9月14日— 9月21日），框架桥孔1～孔3沉降变形较小，框架桥孔4～孔6沉降变形约1～1.5 mm，累计变化量均未超过预警值，但沉降趋势明显。

（5）双线盾构下穿框架桥后，框架桥持续沉降。截至10月8日，铁路框架桥孔4西监测点沉降累计值为3.5 mm，首次超过预警值3 mm；10月19日铁路框架桥孔3西监测点沉降累计值为4.5 mm，首次超过报警值 4 mm。

（6）进行洞内注浆后的一段时间内（2020年10月19日— 2020年12月10日），框架桥沉降监测点仍以较小的速率（平均速率约-0.1 mm/3天）持续下降。11 月11日监测到的铁路框架桥孔3西监测点沉降累计值为5.1 mm，首次超过控制值5 mm；根据专家评审及路局要求，超过控制值后及时增加人工监测点，并延长监测周期。

（7）截至2021年1月22日，各监测点经过一段时间工后沉降，变形逐渐趋于稳定，数据达到收敛标准。左线盾构上方框架桥孔3西监测点最大沉降量为6.9 mm。

6 数值模拟与监测分析结果对比

（1）对于地铁盾构下穿铁路框架桥后洞内注浆工况，数值分析的最大沉降量为4.76 mm，工程实测的最大沉降量为6.9 mm。虽然数值分析和工程实测数据存在一定的偏差，但数值分析可以较清晰地反映地铁盾构隧道在软弱土层环境下掘进对上方铁路框架桥的影响。

（2）综合以上数值分析与工程实测结果可知，左线盾构下穿后，铁路框架桥最大沉降值基本稳定在2.8 mm；右线盾构下穿后，铁路框架桥最大沉降达到6.9 mm（位于左线盾构上方）；盾构右线施工对框架桥的沉降变形影响大于左线。虽然铁路框架桥的沉降值超过控制值，但管片拼装后及时进行洞内注浆措施，可有效控制框架桥的持续沉降变形，将施工造成的沉降变形限制于可接受的范围，使铁路框架桥处于安全可控状态。数值模拟和实际施工得到的变形规律基本一致，只在数值上略有差异；可能由于数值模拟同步注浆时没有考虑地层孔隙对浆液的吸收而发生收缩变形，计算的沉降量才小于实际量。另外，在软弱地层环境下如何选择最优的盾构掘进参数使得穿越施工后对周边地层扰动最小的问题仍需探索。