盾構(gòu)隧道下穿對既有高鐵橋梁的影響及其加固方案*

耿大新 譚 成 王 寧

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,330013,南昌∥第一作者,教授)

近年來,盾構(gòu)法以其挖掘速度快、效率高、對周圍環(huán)境的影響較小等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于城市地鐵工程建設(shè)中[1-3]。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程常常使周圍土體位置發(fā)生改變,引起周邊既有橋梁整體結(jié)構(gòu)的不均勻沉降,進(jìn)而影響其正常使用功能和列車運(yùn)行安全。目前,對盾構(gòu)施工穿越既有橋梁引起地面位移及樁基變形的因素,以及加固措施已有大量研究[4-6]。但對盾構(gòu)施工穿越砂土地層中高速鐵路(以下簡稱“高鐵”)簡支梁橋的研究仍較少。本文以南昌市軌道交通4號線一期工程某路段隧道工程為例,通過Midas GTS有限元軟件來模擬分析盾構(gòu)左右線先后下穿對既有高鐵簡支梁橋墩頂變形的影響,并對相應(yīng)加固措施進(jìn)行分析,以期為類似項(xiàng)目的處理提供參考。

1 工程概況

1.1 地鐵與橋梁的位置關(guān)系

南昌市軌道交通4號線一期工程(以下簡稱“4號線”)東新站到新洪城大市場站區(qū)間隧道下穿2條平行的高速鐵路(以下簡稱“高鐵”)橋梁——滬昆(上?！ッ?高鐵贛江特大橋與昌福(南昌—福州)鐵路贛江特大橋。昌福鐵路是一條客貨聯(lián)合共線的高速鐵路,其設(shè)計(jì)速度為200 km/h。滬昆高鐵為客運(yùn)專線,其設(shè)計(jì)速度為 350 km/h。地鐵隧道與既有鐵路線路的夾角約為88°。4號線下穿2條高鐵橋梁工程(以下簡稱“4號線下穿工程”)的平面圖如圖1所示。

圖1 4號線下穿工程的平面圖

下穿區(qū)域的鐵路橋均為跨度為32 m的簡支梁橋。地鐵隧道左右線各穿橋梁一跨,其中隧道左線距滬昆高鐵橋梁墩臺下樁體最小凈距為7.46 m,隧道右線距昌福鐵路橋梁墩臺下樁體最小凈距為8.11 m,隧道頂部埋深約為14 m。4號線下穿工程的橫斷面示意如圖2所示。

a) 下穿滬昆高鐵處

1.2 工程地質(zhì)條件

下穿區(qū)域地層自上而下為素填土、粉質(zhì)黏土、中砂、粗砂、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖孔中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。填土層與礫砂層為主要含水層,地面以下30 m之下區(qū)域以中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主。盾構(gòu)隧道主要貫通于礫砂層之間。圍巖地層、橋梁樁基、橋梁墩臺、管片和注漿結(jié)構(gòu)等材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2 模型的建立與簡化

2.1 三維模型建立

使用MIDAS GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)盾構(gòu)隧道、滬昆高鐵贛江特大橋和昌福鐵路贛江特大橋的空間位置關(guān)系,建立4號線下穿工程的三維分析模型,如圖3所示。隧道結(jié)構(gòu)模型尺寸為:橫向(x向)取200 m,豎向(z向)取60 m(約為盾構(gòu)洞徑的5倍),縱向(y向)取100 m。

圖3 4號線下穿工程的三維計(jì)算模型

該三維計(jì)算模型基于摩爾-庫倫準(zhǔn)則對地層進(jìn)行模擬。其中:土體、高鐵橋梁墩臺用實(shí)體單元模擬;橋樁采用梁單元模擬;管片、盾殼及注漿等定義為彈性材料,采用板單元模擬。

2.2 模型簡化

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的影響因素眾多,難以進(jìn)行細(xì)致全面的模擬仿真分析,故需對施工過程中荷載作簡化處理。在模擬盾構(gòu)掘進(jìn)時,作如下處理:為貼近實(shí)際施工情況,需對挖掘部分的土體進(jìn)行鈍化,以保證土體的穩(wěn)定性;在盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)時,管片會受到千斤頂?shù)耐屏?參考盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析[7]及本工程的特點(diǎn),在三維計(jì)算模型中將該推力簡化為作用在管片橫斷面上、大小為4 500 kN/m2的均布荷載;由刀盤對開挖掌子面施加200 kN/m2的荷載模擬掘進(jìn)力;在施工過程中,受管片和盾殼周圍土體及水的作用,管片及盾殼表面會受到一定的壓力,故模擬計(jì)算時將這些壓力分別簡化為作用在管片及盾殼表面、大小分別為1 000 kN/m2和50 kN/m2的法向均布荷載。此外,將墩臺與主梁的接觸節(jié)點(diǎn)設(shè)置為彈性連接。

3 墩臺中心點(diǎn)變形分析

3.1 施工步及測點(diǎn)布置

在隧道開挖過程中選取12個典型施工步,并在盾構(gòu)開挖完成典型施工步時提取相應(yīng)的墩臺變形數(shù)據(jù)。4號線下穿工程的施工步設(shè)置及說明見表2。

表2 4號線下穿工程的施工步設(shè)置及說明

對于雙線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工引起高鐵橋梁墩臺中心點(diǎn)位移變化情況,從滬昆高鐵贛江特大橋與昌福鐵路贛江特大橋各取5個墩臺(1#—10#),以墩臺中心點(diǎn)為對象進(jìn)行分析。4號線下穿工程的墩臺中心點(diǎn)俯視圖如圖4所示。

圖4 4號線下穿工程的墩臺中心點(diǎn)俯視圖

3.2 墩臺中心點(diǎn)變形分析

3.2.1 沉降

模擬計(jì)算可得,4號線下穿工程的墩臺中心點(diǎn)沉降變化如圖5所示。

a) 1#—5#墩臺中心點(diǎn)

由圖5可以觀察既有橋梁墩臺的沉降變化特點(diǎn)。在盾構(gòu)左線掘進(jìn)期間(施工步1—施工步6):盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)造成的地層損失和既有線的列車荷載共同作用使得墩臺整體均發(fā)生沉降,且沉降值隨著施工的進(jìn)行不斷增加,最大沉降約為3 mm,發(fā)生在施工步3時的滬昆高鐵2#墩臺中心點(diǎn)處;隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)至左線貫通(施工步6),受后期管片安裝和注漿影響,沉降量整體有所減小。

右線盾構(gòu)掘進(jìn)期間(施工步7—施工步12):右線掘進(jìn)初階段整體沉降值有所減小,可能與盾構(gòu)右線掘進(jìn)壓力有關(guān);隨著右線盾構(gòu)的掘進(jìn),沉降值繼續(xù)增大,沉降最大值約為3.4 mm,發(fā)生在(施工步8)滬昆高鐵8#墩臺中心點(diǎn);后期隨著右線管片安裝和注漿,豎向沉降整體呈減小趨勢。

3.2.2 縱向位移

4號線下穿工程的墩臺中心點(diǎn)縱向位移變化如圖6所示。在盾構(gòu)左線掘進(jìn)期間(施工步1—施工步6)中,在盾構(gòu)剛掘進(jìn)時盾構(gòu)的掘進(jìn)力和列車荷載的共同作用下,既有橋梁墩臺的縱向位移變化趨勢與沉降變化趨勢類似:最大縱向位移值約為2.5 mm,發(fā)生在施工步5時昌福鐵路2#墩臺中心點(diǎn);盾構(gòu)左線完全貫通后,受注漿和管片影響,既有高鐵橋梁的墩臺縱向位移整體略有減小。

a) 1#—5#墩臺中心點(diǎn)

右線盾構(gòu)掘進(jìn)期間(施工步7—施工步12):各墩臺中心點(diǎn)縱向位移繼續(xù)增大;當(dāng)右線貫通(施工步12)時,靠近盾構(gòu)右線掘進(jìn)側(cè)的墩臺中心點(diǎn)產(chǎn)生最大的縱向變形,變形量為2.9 mm;在右線掘進(jìn)后期(施工步10—施工步12),既有橋梁的墩臺縱向位移整體有所減小。

3.2.3 橫向位移

4號線下穿工程的墩臺橫向位移如圖7所示。在盾構(gòu)掘進(jìn)整個階段(施工步1—施工步12),盾構(gòu)掘進(jìn)施工與既有高鐵或鐵路的列車運(yùn)行對墩臺中心點(diǎn)的橫向位移變化影響較小。橫向位移變化主要發(fā)生在盾構(gòu)初始掘進(jìn)階段:最大橫向變形值為1.9 mm左右,出現(xiàn)在左線盾構(gòu)掘進(jìn)通過承臺(施工步3)時的滬昆高鐵3#墩臺中心點(diǎn)。此外,隨著注漿和管片安裝,橫向位移也呈減小趨勢。

a) 1#—5#墩臺中心點(diǎn)

3.2.4 墩臺整體變形特征

綜上所述,盾構(gòu)掘進(jìn)對高鐵橋墩頂部沉降影響最大,對橫向變形影響最小。此外,隨著盾構(gòu)管片安裝及注漿的施工,盾構(gòu)掘進(jìn)對既有高鐵橋梁墩頂變形影響的逐漸減小。

4 加固方案

根據(jù)區(qū)間隧道與高鐵橋梁的相互關(guān)系、側(cè)穿處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等情況,提出隔離樁+注漿加固的保護(hù)方案:在原有的地層注漿措施基礎(chǔ)上,沿隧道穿越墩臺以外方向,在不小于9 m距離范圍內(nèi)設(shè)置隔離樁;隔離樁為φ800 mm@1 000 mm布置,樁頂選用混凝土冠梁連接,隔離樁樁尖位于隧道底板以下3 m,與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)邊線凈距為1 m。根據(jù)隔離樁+注漿加固保護(hù)方案建立加固后盾構(gòu)隧道模型如圖8所示。

a) 整體模型

為探究隔離樁+注漿保護(hù)方案的可行性,對盾構(gòu)左右線分別通過橋樁時,滬昆高鐵墩臺中心點(diǎn)(1#—5#墩臺)和昌福鐵路墩臺中心點(diǎn)(6#—10#墩臺)變形情況,按是否加固進(jìn)行模擬分析,結(jié)果如圖9所示。

a) 墩臺中心點(diǎn)沉降(左線盾構(gòu)通過)

從圖9中可知,在未采取隔離樁+注漿加固方案的工況,橋梁墩臺頂中心點(diǎn)(1#—10#墩臺)最大沉降約為3.40 mm,最大縱向位移為2.90 mm,最大橫向位移為2.10 mm,最大沉降差為0.60 mm。此時,最大墩頂變形不能滿足高鐵橋梁墩頂沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)(3.00 mm)要求,且變形裕量較小。

采取了隔離樁+注漿加固方案后,在此工況中,墩臺頂部中心點(diǎn)(1#—10#墩臺)的最大沉降約為1.54 mm,最大沉降差為0.34 mm,最大橫向位移為0.61 mm,最大縱向位移為1.41 mm。此時,最大墩頂沉降能滿足高鐵橋梁墩頂沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)(3.00 mm)要求,且留有一定的變形裕量,較安全。

5 結(jié)論

本文針對盾構(gòu)先后下穿既有高速鐵路橋梁施工,采用Midas GTS軟件對橋梁墩臺中心點(diǎn)的豎向、縱向和橫向變形規(guī)律以及注漿加隔離樁加固前后兩種工況下的變形進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析,得到主要結(jié)論如下:

1) 盾構(gòu)先后掘進(jìn)對橋墩頂部沉降影響最大,最大沉降約為3.00 mm,對墩頂橫向變形影響最小,最大橫向位移約為1.00 mm;隨著盾構(gòu)后期管片安裝及注漿的實(shí)施,盾構(gòu)掘進(jìn)對墩頂變形的影響逐漸減小。

2) 雙線先后施工時,后施工盾構(gòu)隧道對先施工隧道引起的沉降有一定的補(bǔ)償作用,墩臺的變形會呈現(xiàn)減小趨勢。

3) 采取隔離樁加地層注漿后,橋梁墩臺中心點(diǎn)產(chǎn)生的最大沉降約為1.54 mm,其最大墩頂沉降能滿足高鐵橋梁墩頂沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)(3.00 mm)要求,且留有一定的變形裕量,較安全。因此采取隔離樁+注漿加固措施效果良好。

4) 高鐵橋梁一般設(shè)計(jì)要求高、速度快,對變形控制要求嚴(yán)格,盾構(gòu)掘進(jìn)時應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測根據(jù)監(jiān)測情況對隧道進(jìn)行洞內(nèi)的相應(yīng)處理,確保鐵路正常運(yùn)營的要求。