地鐵盾構隧道下穿鐵路箱涵橋變形響應研究

陳曉偉，王智金，周 恒，周偉娜，王雪紅

(1.神州長城股份有限公司，北京 100176；2.中鐵建工集團裝飾工程有限公司，北京 100071)

0 引言

隨著我國城市地下空間的不斷開發利用，軌道交通得到迅速發展[1-3]。盾構法作為隧道施工的重要方法，在地鐵隧道建設過程中被廣泛應用。受地鐵線路整體規劃影響，盾構隧道的建設往往要穿越大量建(構)筑物。盾構法施工過程造成了鄰域土體的卸荷，改變了土體原有的應力狀態，誘發建(構)筑物產生附加內力和變形，造成建(構)筑物的沉降或傾斜。

國內外不少學者對此問題進行了研究[4-11]，但現有研究主要針對隧道下穿一般建(構)筑物(如商場、立交橋、住宅、教學樓等)展開，對于隧道下穿鐵路箱涵橋的變形響應缺乏分析研究[12-15]，主要表現在以下2個方面：

(1)盾構隧道下穿鐵路箱涵橋過程中，通常對隧道拱頂進行注漿加固，但對注漿加固效果的優劣，缺乏深入研究。

(2)受箱涵跨度限制，同一橋體的不同箱涵之間常存在沉降縫，盾構隧道施工誘發沉降縫左右兩側產生沉降差，不可避免地會影響橋體上方列車的運營安全?，F有研究成果中，缺乏對橋體沉降縫兩側變形機理的研究。

本文以北京地鐵某典型區間隧道下穿鐵路箱涵橋工程為例，采用數值模擬的方法，對盾構隧道下穿鐵路箱涵橋的變形響應進行了研究，研究注漿加固效果的優劣及同一橋體不同箱涵之間沉降縫兩側的變形機理。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京地鐵某區間隧道采用盾構法施工，隧道拱頂覆土深度約為11m。盾構隧道結構采用C50、抗滲等級P10的預制鋼筋混凝土管片，管片外徑6.0m，厚度300mm，內徑5.4m，環寬1.2m。襯砌管片分為6塊，塊與塊、環與環間用螺栓連接，采用錯縫拼裝。盾構隧道所下穿鐵路箱涵橋為該標段范圍內唯一一處特級環境風險源。鐵路箱涵橋為C35鋼混四孔框架橋，由三座并列的箱涵橋組成，從北到南依次為：橋①，單孔箱涵橋，孔徑為12m；橋②，雙孔箱涵橋，孔徑為2×15m；橋③，單孔箱涵橋，孔徑為12m。中間跨與兩邊跨之間，設置有20cm寬的沉降縫。盾構隧道與鐵路箱涵橋相對位置如圖1所示。

圖1 盾構隧道與鐵路箱涵橋相對位置(單位：mm)Fig.1 Relative position of shield tunnel and railway box calvert (unit: mm)

1.2 工程地質與水文地質條件

研究區間工點范圍內地層主要由人工堆積層、第四紀全新世沖洪積層和第四紀晚更新世沖洪積層組成。過橋區段地層自上而下為人工填土、粉土填土、粉細砂、中粗砂、圓礫、粉土、粉質黏土、粉土、局部粉粘土、粉土、中粗砂及圓礫。

研究區間工點范圍內，地貌類型單一，地下水動態類型主要為滲入-徑流型潛水，以大氣降水入滲、地下水側向徑流和“天窗”滲漏補給方式為主，以側向徑流和向下越流方式排泄，含水巖組為第四紀厚層碎石土層，含水巖組富水性較強。根據該區間的巖土工程詳勘報告，在最大鉆孔深度47m范圍內，共發現三層地下水，地下水類型為一層潛水和兩層承壓水。

1.3 注漿預加固方案

盾構隧道穿越鐵路箱涵橋過程中，隧道頂部設置3個注漿孔，徑向打設DN25徑向注漿管進行拱頂注漿預加固。注漿管長為5.5m，漿液擴散半徑設計為0.5m，注漿時應控制在距離開挖面5m以內。漿液采用PO.42.5的普通硅酸鹽水泥，注漿壓力為0.5MPa左右。注漿預加固方案如圖2所示。

圖2 注漿預加固措施(單位：mm)Fig.2 The measure of grouting pre-reinforcement (unit: mm)

2 數值分析模型

2.1 模型尺寸及網格劃分

本文應用MIDAS/GTS軟件進行數值計算，網格劃分采用定義線性梯度(長度)的方法，通過輸入起始單元線和結束單元線的長度，按線性插值，自動設置節點位置，使得鐵路箱涵橋和盾構隧道周圍網格相對密集，邊界處網格相對稀疏。計算模型區域長寬高為260m×144m×40m，有限元模型網格劃分如圖3所示。

圖3 有限元模型網格劃分(單位：m)Fig.3 Mesh generation of FEM model(unit：m)

2.2 模型材料參數

本模型中地基土體選用Mohr Coulomb本構模型，以實體單元建立，具體取值依據相應的地質勘查報告數據，詳見表1。橋體結構、盾殼及襯砌管片采用彈性本構模型，橋體結構及襯砌管片以實體單元建立，盾殼應用板單元建立。結構部分物理力學參數見表2。

表1 地層物理力學計算參數表

表2 結構部分物理力學參數表

2.3 計算方案

依據設計要求，盾構隧道下穿鐵路箱涵橋前，通過布置徑向注漿管對盾構隧道進行注漿預加固。為評價注漿加固效果，針對兩種方案進行數值模擬：方案1，不考慮注漿加固措施；方案2，考慮注漿加固措施，如圖4所示。

圖4 數值模擬計算方案Fig.4 Calculation program of the numerical simulation

2.4 盾構隧道施工過程模擬

本文采用單元網格激活—鈍化的方式模擬盾構隧道動態開挖過程，盾構隧道施工數值模擬步驟如下所示：

(1)建立地層—盾構隧道—鐵路箱涵橋三維數值分析模型，計算土體在自重應力下的初始應力場，并將位移清零；

(2)“激活”鐵路箱涵橋結構單元，計算鐵路箱涵橋施做完成后的應力場分布，并將位移清零；

(3)定義盾構隧道施工步序，每環土體開挖為1.2m。盾構機推進按照3個施工階段進行，分別為土體開挖、盾殼推進、管片安裝及盾尾注漿，通過計算應力釋放比例分別為30%、30%、40%；

(4)依次循環第(3)步，先進行左線隧道施工，后進行右線隧道施工，直至開挖完成，本文土體開挖及盾構隧道支護共計242步；

(5)計算及結果后處理分析。

3 監測點布置與變形控制標準

為深入分析地鐵盾構隧道施工對鐵路箱涵橋變形的影響，沿隧道掘進方向，在橋體兩側及中部設置3個監測斷面，即斷面1、斷面2、斷面3，每個監測斷面上設置7個典型監測點，典型監測點位于橋體邊緣、中部及沉降縫左右兩側。典型監測斷面及典型監測點布置如圖5所示。

圖5 鐵路箱涵橋典型監測點布置Fig.5 Arrangement of monitoring points of railway box culvert

根據工程評估報告，鐵路箱涵橋結構沉降及差異沉降控制值為+5mm～-5mm。在盾構穿越鐵路箱涵橋期間，要加強監測，并及時觀察橋體的變形情況。

4 計算結果與分析

4.1 數值計算準確性驗證

為驗證數值計算結果的準確性，提取橋體中部斷面2沉降量與實測數據進行對比分析，如圖6所示；同時，提取監測點JGC-08和監測點JGC-11的沉降時程數值計算結果，將其與相應位置的監測曲線進行對比分析，如圖7所示。分析圖6及圖7可知，數值計算結果與實測結果相近，二者在變化趨勢上高度相似，可互為驗證，數值計算結果有效地彌補了實測數據監測點較少的不足，應用數值模擬方法，可以較好地模擬盾構隧道下穿鐵路箱涵橋施工過程中產生的沉降。

圖6 橋體斷面沉降曲線對比Fig.6 Comparison of settlement curves of the bridge cross-section

圖7 監測點沉降時程曲線對比Fig.7 Comparison of the subsidence time-history curves of monitoring points

4.2 鐵路箱涵橋斷面沉降響應分析

鐵路箱涵橋斷面沉降曲線如圖8所示。分析圖8可知：地鐵盾構隧道施工對鐵路箱涵橋影響最大的區域為橋②，最大沉降量均出現在橋②中部，在不采用注漿預加固措施時，橋體最大沉降量約為5.8mm，不能滿足工程要求；采用注漿預加固措施后，橋體最大沉降量約為4.0mm，可滿足工程要求。沉降縫左右兩側存在明顯沉降差，在不采用注漿加固方案時，最大沉降差約為1.3mm；采用注漿預加固方案后，最大沉降差約為1mm，沉降縫的存在使得相鄰箱涵上方鐵軌不能同步沉降，易對列車的運營安全造成影響。采用注漿預加固措施，可在一定程度上降低沉降縫兩側差異沉降。

圖8 橋體斷面沉降曲線Fig.8 Settlement curves of the bridge cross-section

4.3 鐵路箱涵橋沉降時程響應分析

圖9 橋②典型監測點沉降時程曲線Fig.9 Subsidence time-history curves of monitoring points of the railway box culvert bridge ②

鐵路箱涵橋橋②跨度較大，又為盾構隧道主要穿越區域，所受影響最大，故主要分析橋②的沉降時程響應，響應曲線如圖9所示。本工程中，左線盾構隧道先行施工，在左線盾構隧道開挖面離開橋區保護段3天后，右線盾構隧道開挖面開始進入橋區保護段。分析圖9可知，橋②沉降時程曲線呈兩段式分布：監測點JCJ-07、JCJ-08和JCJ-09沉降量受左側盾構隧道影響大而受右線盾構隧道影響??；監測點JCJ-10、JCJ-11和JCJ-12沉降量受左右兩線影響基本相同；監測點JCJ-13、JCJ-14和JCJ-15沉降量受右線盾構隧道影響大而受左線盾構隧道影響小。左線盾構隧道施工過程中，在開挖面距離監測點18m時，開始逐步產生沉降；在開挖面位于監測點正下方時，橋體沉降速率最快；在開挖面遠離監測點18m后，沉降量趨于穩定。右線盾構隧道施工過程中，監測點沉降規律與左線盾構隧道基本相同。盾構隧道下穿鐵路箱涵橋過程中，對沉降監測點產生影響的縱向水平區間約為監測點前3D(D為盾構隧道直徑)至監測點后3D，在開挖面位于監測點正下方時，橋體沉降速率最快。工程實踐中，在開挖面距離監測點3D及遠離監測點3D范圍內，應加密監測。

5 結論

本文通過對北京地鐵某典型區間下穿鐵路箱涵橋工程的地質條件、施工工藝、工況步序等的調研，結合數值模擬計算結果，研究了盾構隧道下穿對鐵路箱涵橋的變形響應規律。主要結論包括以下3點：

(1)盾構隧道下穿鐵路箱涵橋過程中，橋體沉降縱向影響范圍為監測點前3D(D為盾構隧道直徑)至監測點后3D，工程實踐過程中，應對其沉降進行加密監測；在開挖面位于監測點正下方時，橋體沉降速率最快，工程實踐過程中，應注意控制橋體沉降速率。

(2)盾構隧道下穿鐵路箱涵橋過程中，橋體最大沉降量約為5.8mm，沉降縫兩側箱涵會出現較大差異沉降，約為1.3mm，橋體上部鐵軌會發生不均勻沉降，易對橋體上方列車的運營安全造成影響。

(3)盾構隧道穿越鐵路箱涵橋前，對盾構隧道拱頂進行注漿預加固，可在一定程度上控制橋體沉降及沉降縫左右兩側差異沉降。采用注漿預加固措施后，橋體最大沉降量約為4.0mm，最大沉降差約為1.0mm，滿足工程要求。