地铁隧道下穿津秦客专桥梁安全性分析

马 晓 磊

(天津滨海新区轨道交通投资发展有限公司，天津　300000)

0　引言

随着国内地铁工程的快速发展，高速铁路的加快建设，地铁工程与既有铁路交叉在所难免，由于高铁工程运营对于结构沉降、变形要求极为严格，几乎要求为“零沉降”，所以对于地铁隧道邻近或者穿越既有高铁路基桥梁变形控制较为困难，现国内存在不少类似工程，但本工程地质较差，属于滨海沉积软土层，侧穿既有高铁桥梁对其影响难以忽略，本文根据工程实际特点对其进行安全性分析，并提出相应控制措施及建议。

1　工程概况

天津市滨海新区轨道交通B1线一期工程欣嘉园东站—欣嘉园站区间，区间右线长1 399.814 m，纵断面为V形坡，隧道覆土5.22 m～15.34 m，盾构法施工。盾构区间下穿津秦客专，既有线路运营里程为59+700，盾构区间左、右线分别从津秦客专的115号墩～116号墩和116号墩～117号墩间穿过。区间结构外皮距桥墩承台底约2.695 m，距离桥桩水平净距为8.26 m～9.07 m。下穿铁路主要参数如表1所示。

表1　铁路主要参数表

2　工程地质与水文地质

根据地勘报告，该区间自上而下分别为①1杂填土、①2层素填土、④1层灰黄色粘土、⑥1层灰色粉质粘土、第⑥1-1层灰色粉砂夹粉质粘土、⑥2-4层灰色淤泥质粉质粘土、⑥3层灰色含粘性土粉砂、⑥4层灰色粉质粘土、⑥5层灰色粘质粉土、⑦层灰色～黄灰色粉质粘土、⑧2层草黄～灰色粉砂夹粉土、⑨1层灰黄色粉质粘土、⑩1层灰色粉质粘土、第1层灰黄～浅灰色粉质粘土夹粉土、2层灰黄色粉砂夹粉土、3层灰黄色粉质粘土，其中淤泥质层厚度约7 m～12 m。地下水类型分为潜水含水岩、承压水层，地下潜水初见水位多不明显，局部测得埋深2.60 m，相当于标高0.26 m；静止水位埋深0.80 m～3.00 m，相当于标高-0.12 m～-0.50 m。潜水水位一般年变幅在0.50 m～1.00 m左右。第一承压含水层：全新统第Ⅱ陆相河床～河漫滩相沉积层粉砂、粉土(地层编号⑧2)为第一承压含水层；第二承压含水层：上更新统第Ⅲ陆相河床～河漫滩相沉积层粉土、粉砂(地层编号⑨2)为第二含水层，该含水层分布不稳定；第三承压含水层：上更新统第Ⅱ海相滨海～潮汐带相沉积层粉砂为主(地层编号⑩4)、上更新统第Ⅳ陆相河床～河漫滩相沉积层粉砂(地层编号2)为第三承压含水层，整个场地内均基本有分布，含水层累计厚度大，该含水层顶板、底板埋深均有所变化。上更新统第Ⅲ海相浅海—滨海相沉积层粉质粘土(地层编号1)可视为第三承压含水层与其下含水层相对隔水层。

3　既有铁路影响及变形控制标准

既有铁路控制指标主要受路基、线路、轨道及线路养护情况等因素的影响，工程施工必须保证既有铁路的安全运营。既有铁路控制指标主要包括路基沉降、位移平均速率、位移最大速率、轨道几何尺寸容许偏差及轨道坡度允许控制值。

根据监测数据显示，自2016年1月和2016年7月113号～120号桥墩的差异沉降量值(即相邻两个桥墩之间的高差变化)在0.2 mm～1.1 mm之间，差异沉降变化较小。

本段线路为无砟轨道，按照《高速铁路无砟轨道线路维修规则》(铁运[2012]83号)要求的线路轨道静态和动态几何尺寸容许偏差管理值作为控制标准。结合既有设计施工经验，既有铁路路基、轨道控制指标参考数值见表2。

表2　轨道动态质量容许偏差管理值

4　施工过程数值模拟

4.1　计算思路及原则

采用“地层—结构”模型，模拟两次盾构下穿铁路桥梁，分析盾构通过后铁路桥梁的沉降、桥墩倾斜以及桥梁变形。依据大型有限元软件Midas GTS-NX，对B1线侧穿津秦客专高架桥结构影响建立三维模型进行数值模拟，通过对比不同工况来分析确定隔离桩的桩长和隔离桩桩间距，确保在不影响津秦客专高架桥桩结构安全性的前提下B1线能够顺利施工。

4.2　保护方案设计

结合现场施工经验，工程采用φ800@900隔离桩+洞内注浆加固，施工采用对土体扰动较小的工法，如旋挖钻施工、钻孔灌注桩施工。

1)隔离桩中心距离既有桩基较远，最近处约为5.8 m，根据桥梁工程经验，隔离桩中心距离既有桩基不小于2.5d(d为隔离桩直径)，隔离桩施工对既有桩基的影响极小；

2)既有铁路桩基长约52 m，隔离桩长度15.22 m，隔离桩长度小于既有桩基长度的1/3，施工对既有桩基影响范围小；

3)隔离桩施工期间不需要施工降水，对既有桩基沉降影响较小；

4)欣嘉园站施工期间为保护临近图书馆(桩基础)，打设隔离桩，监测结果显示，施工隔离桩本身对既有桩基影响较小。

综上所述，本工程隔离桩施工期间，对既有桩基沉降影响可忽略不计。因此采用φ800@900隔离桩+洞内注浆加固对桥桩进行保护。

4.3　计算模型

建立三维模型计算结构变形，计算采用Midas GTS分析软件建立整体三维有限元模型进行计算分析。以津秦客专轴线方向为Y轴，其垂直方向为X轴，竖直方向为Z轴建立三维模型计算分析，为消除模型边界效应，X轴方向取80 m，Y轴方向(津秦客专线路方向)取120 m，Z轴(深度)方向取80 m。模型计算采用4节点四面体单元和8节点六面体单元，共划分单元46 267个，节点17 247个。模型中具体几何关系和空间位置根据实际关系建立(见图1)。

4.4　结果分析

本次计算区间分别施工左线和右线，采取隔离防护桩配合洞内注浆加固对既有结构进行保护，隔离桩为φ800@900钻孔灌注桩，与区间隧道外皮净距为2.0 m，隔离桩伸入隧道底3 m，保护长度为沿隧道线路方向超出桩基2倍洞径。

通过以上分析结果来看，采用隔离+洞内注浆措施对铁路进行保护，桥梁的各项变形指标均满足要求(见图2，图3)。

4.5　隔离桩施工要求

1)提高护筒埋设效果，护筒埋设深度不小于1.5 m。埋设护筒时对护筒外侧由底向上浇筑500 mm厚混凝土护圈，护筒周边用粘土分层夯实，保证护筒稳定。护筒内泥浆应高出地下水位1.5 m以上。

2)控制钻机进尺速度，钻进速度不宜过快，防止塌孔。在泥浆中适当掺入水泥浆，保护孔壁，泥浆比重控制在1.05～1.15之间。

3)泥浆的制备应选用高塑性粘土或膨润土，灌注混凝土前，孔底500 mm以内的泥浆相对密度应小于1.25，含砂率不得大于8%，黏度不得大于28 s。

4)清孔时严格控制泥浆比重，并不断置换泥浆，直至灌注水下混凝土，防止泥浆比重过低，首罐混凝土量适当加大，吊装钢筋笼时避免与孔壁发生剐蹭。

5)钻孔过程中发生斜孔、塌孔和护筒周围冒浆、失稳等现象时，应停钻，采取相应措施。

5　盾构施工方案

在开始掘进的前100 m宜作为盾构施工的试验段，并对试验段地面沉降等进行监测，对盾构机的掘进控制参数、地层的沉降规律进行分析比较，以确定盾构机在不同地层中的掘进参数，把施工对周边环境的影响控制在允许范围内，同时，左右线盾构掘进至少间隔30 m。配合地面量测及时进行壁后注浆和二次注浆。严格控制盾尾同步注浆量和浆液质量，并及时进行二次注浆。区间盾构穿越过程中，在津秦客专框架桥两侧各30 m范围内施作二次深孔加强注浆加固以提高管片强度和稳定性，减少后期沉降。

6　结语

1)盾构隧道施工前，通过数值模拟计算盾构隧道施工，评估其对铁路桥梁的影响，可相对准确采取辅助工程措施保证铁路运营安全，降低工程风险。

2)针对软土地层侧穿铁路桥桩，进行隔离+洞内注浆措施可有效控制变形，保证铁路运营安全。

3)对于穿越铁路，存在一定的施工风险，针对有可能发生的一些突发事件，从管理、技术和组织等方面分析，制定相应的应急预案。