盾構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

(華東交通大學土木建筑學院,330013,南昌∥第一作者,教授)

近年來,盾構法以其挖掘速度快、效率高、對周圍環境的影響較小等優勢被廣泛應用于城市地鐵工程建設中[1-3]。盾構隧道掘進過程常常使周圍土體位置發生改變,引起周邊既有橋梁整體結構的不均勻沉降,進而影響其正常使用功能和列車運行安全。目前,對盾構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,并對相應加固措施進行分析,以期為類似項目的處理提供參考。

1 工程概況

1.1 地鐵與橋梁的位置關系

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合共線的高速鐵路,其設計速度為200 km/h。滬昆高鐵為客運專線,其設計速度為 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 工程地質條件

下穿區域地層自上而下為素填土、粉質黏土、中砂、粗砂、礫砂、強風化泥質粉砂巖孔中風化泥質粉砂巖。填土層與礫砂層為主要含水層,地面以下30 m之下區域以中風化泥質粉砂巖為主。盾構隧道主要貫通于礫砂層之間。圍巖地層、橋梁樁基、橋梁墩臺、管片和注漿結構等材料的物理力學參數如表1所示。

表1 材料的物理力學參數

2 模型的建立與簡化

2.1 三維模型建立

使用MIDAS GTS有限元軟件進行數值模擬分析。根據盾構隧道、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。隧道結構模型尺寸為:橫向(x向)取200 m,豎向(z向)取60 m(約為盾構洞徑的5倍),縱向(y向)取100 m。

圖3 4號線下穿工程的三維計算模型

該三維計算模型基于摩爾-庫倫準則對地層進行模擬。其中:土體、高鐵橋梁墩臺用實體單元模擬;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

盾構掘進過程中的影響因素眾多,難以進行細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。在模擬盾構掘進時,作如下處理:為貼近實際施工情況,需對挖掘部分的土體進行鈍化,以保證土體的穩定性;在盾構實際掘進時,管片會受到千斤頂的推力,參考盾構掘進參數分析[7]及本工程的特點,在三維計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點設置為彈性連接。

3 墩臺中心點變形分析

3.1 施工步及測點布置

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

表2 4號線下穿工程的施工步設置及說明

對于雙線盾構隧道掘進施工引起高鐵橋梁墩臺中心點位移變化情況,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#),以墩臺中心點為對象進行分析。4號線下穿工程的墩臺中心點俯視圖如圖4所示。

圖4 4號線下穿工程的墩臺中心點俯視圖

3.2 墩臺中心點變形分析

3.2.1 沉降

模擬計算可得,4號線下穿工程的墩臺中心點沉降變化如圖5所示。

a) 1#—5#墩臺中心點

由圖5可以觀察既有橋梁墩臺的沉降變化特點。在盾構左線掘進期間(施工步1—施工步6):盾構機掘進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生沉降,且沉降值隨著施工的進行不斷增加,最大沉降約為3 mm,發生在施工步3時的滬昆高鐵2#墩臺中心點處;隨著盾構繼續掘進至左線貫通(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。

右線盾構掘進期間(施工步7—施工步12):右線掘進初階段整體沉降值有所減小,可能與盾構右線掘進壓力有關;隨著右線盾構的掘進,沉降值繼續增大,沉降最大值約為3.4 mm,發生在(施工步8)滬昆高鐵8#墩臺中心點;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縱向位移變化如圖6所示。在盾構左線掘進期間(施工步1—施工步6)中,在盾構剛掘進時盾構的掘進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,發生在施工步5時昌福鐵路2#墩臺中心點;盾構左線完全貫通后,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

右線盾構掘進期間(施工步7—施工步12):各墩臺中心點縱向位移繼續增大;當右線貫通(施工步12)時,靠近盾構右線掘進側的墩臺中心點產生最大的縱向變形,變形量為2.9 mm;在右線掘進后期(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。在盾構掘進整個階段(施工步1—施工步12),盾構掘進施工與既有高鐵或鐵路的列車運行對墩臺中心點的橫向位移變化影響較小。橫向位移變化主要發生在盾構初始掘進階段:最大橫向變形值為1.9 mm左右,出現在左線盾構掘進通過承臺(施工步3)時的滬昆高鐵3#墩臺中心點。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

3.2.4 墩臺整體變形特征

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

4 加固方案

根據區間隧道與高鐵橋梁的相互關系、側穿處的工程地質和水文地質等情況,提出隔離樁+注漿加固的保護方案:在原有的地層注漿措施基礎上,沿隧道穿越墩臺以外方向,在不小于9 m距離范圍內設置隔離樁;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,與區間隧道結構邊線凈距為1 m。根據隔離樁+注漿加固保護方案建立加固后盾構隧道模型如圖8所示。

a) 整體模型

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

a) 墩臺中心點沉降(左線盾構通過)

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(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準(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(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準(3.00 mm)要求,且留有一定的變形裕量,較安全。

5 結論

本文針對盾構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的豎向、縱向和橫向變形規律以及注漿加隔離樁加固前后兩種工況下的變形進行了三維數值模擬分析,得到主要結論如下:

1) 盾構先后掘進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;隨著盾構后期管片安裝及注漿的實施,盾構掘進對墩頂變形的影響逐漸減小。

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

3) 采取隔離樁加地層注漿后,橋梁墩臺中心點產生的最大沉降約為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準(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) 高鐵橋梁一般設計要求高、速度快,對變形控制要求嚴格,盾構掘進時應加強施工監測根據監測情況對隧道進行洞內的相應處理,確保鐵路正常運營的要求。