地铁盾构区间隧道连续穿越既有铁路桥影响研究
2023-02-21黄松
黄 松
(贵阳市公共交通投资运营集团有限公司,贵州贵阳 550081)
1 引言
目前,地铁在城市公共交通中发挥着越来越大的作用,我国地铁建设一直保持高速发展势头[1]。但由于城市空间开发资源紧张,地下情况较为复杂,地下管线综合错综密集,给地铁施工带来较大影响。在修建地铁时不可避免穿越房屋、管线、桥梁基础等既有建(构)筑物,如何有效控制隧道开挖引起的既有建(构)筑物沉降、开裂甚至坍塌,保障既有建(构)筑物安全,是目前地铁施工中的重点[2],特别是盾构隧道下穿既有铁路桥时,已有不少学者从施工工序优化、采用不同加固措施等方面进行了探索和研究。本文以某地铁盾构区间隧道连续下穿既有铁路桥为例,对动态施工过程进行模拟,分析不同净距下桩基沉降及相邻桩差异沉降变化,相关研究可为其他类似工程提供参考和借鉴。
2 工程背景
某地铁区间自小里程至大里程连续下穿既有铁路桥,为减小对既有铁路桥的影响,在该段区间隧道左右线分别从桥梁相邻跨穿越,下穿段区间隧道线间距23~27.8 m,隧道顶埋深约23~25 m。与区间隧道的平、剖位置关系如图1、图2、表1所示。该场地主要为黏质粉土层,地下水位较低。区间隧道采用盾构法施工,单层装配式平板型钢筋混凝土衬砌管片。
表1 既有铁路桥基础与区间隧道净距表
图1 区间隧道与既有铁路桥平面位置关系图
图2 区间隧道与既有铁路桥剖面关系图(单位:mm)
3 控制标准
3.1 铁路轨道变形控制标准
根据TG/GW 115-2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》、TG/GW 102-2019《普速铁路线路修理规则》等养护要求[3-4],同时考虑一定安全阈值,建议不同时速铁路道床、轨道分别按表2进行控制。
表2 铁路道床、轨道变形限制 mm
3.2 桥梁结构变形控制标准
桥梁承载不同时速铁路线路,因此桥梁结构变形按照TB 10621-2014《高速铁路设计规范》、TB 10623-2014《城际铁路设计规范》的要求综合考虑进行控制[5-6],如表3所示。
表3 静定结构墩台基础工后沉降限值 mm
综上要求,考虑线路正常使用和保养要求,确定变形控制标准:200 km/h以上线路轨面沉降值最大不超过5 mm,即限定隧道开挖引起的墩顶均匀沉降值不超过5 mm,相邻墩台沉降差不超过5 mm;200 km/h及以下的线路轨道几何尺寸容许偏差按照常规检修要求,轨面沉降值最大不超过6 mm,即限定隧道开挖引起的墩顶均匀沉降值不超过6 mm,相邻墩台沉降差不超过6 mm。
4 区间隧道下穿既有铁路桥施工优化仿真模拟
4.1 地表沉降理论
地表沉降可以按照PECK预测公式(1)进行计算,最大沉降值Smax与地层损失Vi的关系见公式(2)。
式(1)、式(2)中,S(x)为距离隧道中心轴线为x处的地表沉降值;Smax为隧道中心线处地表最大沉降量;Vi为施工引起的隧道单位长度地层损失;i为地表沉降槽宽度系数,即隧道中心线至沉降曲线反弯点的距离:
式(3)中,H为覆土厚度;R为计算半径;φ为内摩擦角。
4.2 计算模型
根据现场实际情况,采用地层结构法对盾构下穿既有铁路桥进行实际施工工况的开挖模拟,分析盾构隧道施工对既有铁路桥梁及周边环境的影响。根据圣维南原理,整个模型宽度为80 m,高度为60 m,隧道纵向100 m,管片采用liner衬砌单元分析,边界条件采用两侧约束其水平位移,底部约束其竖向位移,盾构管片与围岩之间空隙同步注浆及二次注浆采用控制应力释放进行模拟。隧道共穿越5座桥梁,按照从西向东进行编号为桥1、桥2……桥5。模型简图如图3所示,其地层物理力学参数指标如表4所示。
图3 计算模型图
表4 地层物理力学参数指标
4.3 模拟工况
按照实际施工要求,左右线先后通过下穿段的工况进行模拟:
(1)计算每开挖步开挖进尺1.5 m,管片厚度0.35 m;
(2)先左线掘进通过5座既有铁路桥桩基群15 m以上,再进行右线掘进通过;
(3)计算在初始地应力平衡后,对模型位移和速度进行清零,在进行隧道的施工模拟。
4.4 施工模拟及数据分析
由于隧道开挖引起的地层扰动,导致一定范围内土层发生了变形。
(1)当左线盾构隧道施工通过既有铁路桥段超过15 m后,既有铁路桥及基础变形情况如图4所示。
图4 左线隧道施工完成沉降云图 (单位:m)
(2)待左线隧道穿过既有铁路桥段15 m后,右线隧道掘进施工,桥桩变形结果如图5所示。
4.4.1 地层位移分析
由于隧道开挖引起的地层扰动,盾构隧道纵向所在区域正上方一定范围内土层发生了变形。当左线盾构隧道贯通时,地层最大竖向沉降约为3.2 mm。当右线盾构隧道贯通时,地层最大竖向沉降约为3.5 mm。左线隧道开挖完成后引起地表发生沉降,最大沉降位置位于右线盾构隧道正上方,地表沉降曲面大致为“V”形,由于左、右线盾构隧道的线间距较大,右线盾构隧道开挖完成后,地表沉降的数值和范围都有一定程度的增加,地表最大沉降位置位于左线盾构隧道的上方,说明右线施工对左线有一定影响,但是由于线间距加大,相互影响很小。
4.4.2 桩基变位分析
经统计比较,盾构隧道通过桥梁,桥梁桩基变位情况统计如表5所示。
表5 桥梁桩基变位结果统计表 mm
隧道开挖对既有桩基的影响,随着桩基距隧道线路中线距离的增加而减小。左右线隧道的施工主要对临近的桥桩影响较大,即两线中间的桥桩产生较大影响,对远离隧道的桥桩影响很小,并且影响程度大小基本与隧道桥桩间净距的大小成正比关系。桩基的变形特征,在隧道拱顶以上部位,由于土体滑移,主要表现为沉降和趋于隧道的水平位移;在隧道范围内及底部约1~2D(D为洞径)范围内由于盾构掘进推力及注浆压力的影响,主要变现为远离隧道方向的变形,但变形量较小;隧道底部1~2D以下至桩底的范围内,桩基变形也基本以趋向隧道的水平位移为主。
4.4.3 墩顶变位分析
在数值模拟中,提取桥墩顶部中心点处位移,得到盾构下穿铁路桥梁桥墩顶部的位移,如表6所示。
由表6可知,墩台沉降是由盾构机开挖土体造成地层损失所引起的,左右盾构隧道穿越铁路桥梁时,距离隧道近的桥墩沉降值较大,而远离隧道的桥墩沉降值较小。近侧盾构隧道开挖引起的沉降值占绝大部分,远侧开挖施工时影响稍小。墩台横向位移是由盾构机开挖土体造成地层损失所引起的,其值在盾构通过墩台位置之前不断增加,而远离墩台后,横向位移值又不断减小。横向位移主要由近侧隧道开挖所引起的,远侧隧道开挖几乎可以忽略。盾构正常掘进穿越铁路桥梁时,铁路桥梁的墩顶沉降指标均小于4 mm,满足前述的变形控制标准。
表6 墩顶位移统计表 mm
5 结论
临近既有建(构)筑物修建工程时,对既有结构的安全保护十分重要,特别是造成破坏后经济损失和社会影响大,通过对地铁盾构施工连续下穿既有铁路桥动态施工过程进行模拟,分析不同净距下桩基沉降及相邻桩差异沉降变化,预测盾构施工对既有铁路桥的影响,合理选择穿越位置和施工的安全保护措施,从而有效控制沉降指标,本文主要研究结论如下。
(1)左右线线间距较大,施工期间的相互影响较小,当隧道与桥桩距离大于1倍洞径即6.2 m时,盾构正常掘进穿越铁路桥梁,盾构施工对铁路桥梁产生的墩顶沉降指标均小于4 mm,满足相关变形控制标准。
(2)以通过桥梁之前的100 m区段作为盾构施工试验段,不断优化盾构推进参数控制地表变形,减少对铁路桥的影响,根据正面土压力,紧密结合地表变形监测,及时调整盾构掘进参数,从而将施工后地表变形量控制在最小范围内。
(3)加强信息化施工,控制地层损失量控制,加强施工监测,严格控制同步注浆、二次注浆和浆液质量,盾构穿越铁路施工期间同步注浆要做到及时、均匀、足量,确保其建筑空隙得到及时和足量的充填,将地面变形和管片偏移控制到最小,盾构掘进后应及时通过同步注浆及二次注浆填充盾尾间隙,严格控制土层损失量。