地铁隧道下穿既有高速铁路桥影响分析与施工对策研究

常海亮

（陕西铁路工程职业技术学院 陕西渭南 714000）

1 工程概况

1.1 工程简介

某市地铁1号线在K8+686.730～K8+780.528段下穿既有高速铁路桥，斜交角为16°17′，位置关系见图1、图2，地铁隧道全部位于圆砾层，隧道采用盾构法施工，管片外径6.2 m，厚350 mm，既有高速铁路桥梁为普通混凝土T型梁，桥基础采用4.5x10m扩大基础，扩大基础底部与区间顶最小净距为3.3～4 m。

图1 既有高速铁路桥与区间盾构隧道平面关系图

2.2 控制标准

按照《铁路线路修理规则》（铁运【2006】146号）的要求，结合对国内类似工程控制标准的调查，轨距、水平、高低、轨向动态容许偏差管理值按照线路设计速度对应的Ⅰ级标准控制，由于该高速铁路列车运行时速最高为160 km/h，故静态几何尺寸容许偏差管理值按照线路设计速度160 km/h≥Vmax＞120 km/h对应的经常保养值控制，因此既有高速铁路铁路桥沉降值最大不超过6 mm。

图2 既有高速铁路桥与区间盾构隧道剖面位置关系图

2 计算模型的建立

2.1 建立模型

本工程采用 FLAC3D进行计算分析，根据需要，在满足隧道影响范围要求的基础上，尽量减少模型单元数可以节约计算时间，考虑到区间盾构隧道直径D为6.2m，隧道中心埋深约11.44m，两区间隧道中线距离为12.0m，故计算模型宽度选取75m，长度选取45m，深度选取为38.0m，计算时土体材料选择弹塑性模型，修正摩尔-库伦破坏准则，地层压力按自重应力考虑，由软件根据地层容重自动计算，数值模型及单元划分如图3所示。

图3 数值模型图

2.2 荷载边界条件的确定

考虑到桥墩上支撑有桥梁上部梁结构，数值模拟计算时考虑上部结构的竖向荷载，计算模型视为桥梁对桥墩施加均布荷载，通过计算左右桥墩承受均布荷载为67.48KN/m2，中间桥墩承受均布荷载为134.95 KN/m2，根据实际情况，模型顶部为地表，设为自由边界[3][4]，左右边界条件视为链杆支座，下边边界条件视为铰支座。

2.3 物理力学参数的选取

计算中采用的围岩地层参数，如表1所示。

表1 地基土物理力学参数

构筑物及隧道参数表如表2所示。

表2 构筑物材料参数汇总表

2.4 施工步骤模拟

数值模型中左右线施工步续为：左线先行施工，由于盾构管片实际宽度为1.2m，因此模拟盾构开挖时，盾构隧道按每开挖1.2m推进。在实际施工过程中，左右线施工时间间隔一般为1个月，亦即左、右线掌子面间距约150m～250m左右，但在实际模拟时选取如此大的模型不仅使得计算耗时，也是不现实的，通过前期试算及对比参考类似计算模型，在数值模拟计算时，右线在左线开挖完毕后开挖，其相隔45m，与实际情况接近，误差在工程许可范围内，因此模型中选取45m作为左右线施工间隔距离，即待左线开挖完毕后，右线开始开挖，直至双线开挖完毕。

3 计算结果分析

通过本次模拟计算，得出隧道在整个下穿过程中最大沉降出现在右线末尾顶部，沉降值为22.94mm。计算结果云图如图4所示：

图4 整体沉降计算结果云图

对于既有高速铁路桥墩顶面而言，本次下穿施工过程会导致中间3#、4#桥墩沉降最大，沉降值为11mm，而左右1#、2#、5#、6#桥墩沉降值均为3mm。计算结果云图如图5所示：

图5 既有高速铁路桥墩地面沉降计算云图

为方便数据统计，每5施工步时取各桥墩及桥墩基础的沉降值，并将各阶段沉降值汇总得出各桥墩的沉降曲线图如图6。

图6 各桥墩及基础虽施工推进沉降曲线图

（1）区间盾构左线施工至1#、2#和3#、4#墩影响范围内时，导致1#、2#和3#、4#墩的沉降变形急剧增大，盾构施工过影响范围后，沉降变形逐渐平稳；而且区间盾构施工对3#、4#墩的影响要大于1#、2#墩；左线施工对5#、6#墩的影响很小；区间盾构右线施工至3#、4#墩和5#、6#墩影响范围内时，导致3#、4#和5#、6#墩的沉降变形急剧增大，而且对3#、4#墩的影响明显比5#、6#墩要大；在右线隧道施工至盾构影响范围后，桥墩的沉降变形又趋于稳定。

（2）1#、2#墩主要受区间左线施工的影响比较大，受右线的施工影响比较小；5#、6#墩主要受右线施工的影响比较大，受左线的施工影响比较小；由于3#、4#墩受区间盾构左线和右线的双重影响，而且影响程度比较大，因此，导致最终3#、4#墩的沉降变形也是最大的。最终1#、2#墩和5#、6#墩的沉降变形约为3mm，3#、4#墩的沉降变形约为11mm。

（3）1#、2#墩的基础为1#基础，3#、4#墩的基础为2#基础，5#、6#墩的基础为3#基础，从结果分析也能看出来，各桥墩对应的沉降变形与基础关键点的沉降变形基本一致。

（4）从计算结果云图中可以看出，区间隧道施工过程中，桥墩基础产生了一定的不均匀沉降，中间部位的桥墩沉降值约11mm。

4 施工对策[5-8]

为保证隧道区间下穿段的施工质量，将其对既有高速铁路桥结构的影响降到最小，在施工过程中要注意以下事项：

（1）随时调整盾构施工参数，减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的坍落或挤密现象，降低地基土横向变形施加构建筑物基础上的横向力；盾构推进时，建立土压平衡，平稳、匀速推进，过风险源段严格控制推进速度和出土量。

（2）盾构连续推进，避免在穿越风险工程过程中停机检修或更换刀具，确保在下穿区域前后不少于10环管片范围内不停机。

（3）在区间盾构隧道侧穿桥梁桩基前后各不小于20 m范围内，采用注浆环管片，在盾构中线以上180°范围2.5 m深土体进行注浆加固，并注意注浆的压力及注浆量，控制地层变形，减少隧道盾构施工对桥梁的影响。

（4）加强监测，加密监测点，特别是3#、4#桥墩的监测，如发生较大变形，应及时反馈设计、施工单位及建（构）筑物单位，及时采取措施，确保铁路运营安全。

（5）在盾构穿越既有高速铁路桥前，选取50～100 m作为试验段模拟施工，通过事先计算分析，检测拟定的盾构推进主动技术保护措施的实际效果，总结盾构先期施工经验，指导临近段的施工。

5 结论

（1）以地铁隧道下穿既有高速铁路桥为背景，结合相关资料，确定了本项目的沉降控制标准。

（2）采用FLAC3D软件进行了数值模拟，预测了隧道施工过程与桥梁桥墩的沉降之间的关系，通过分析，得到了3#4#桥墩沉降变形最大，达到了11 mm，超过了6 mm的控制值。

（3）针对模拟模拟结果，提出了施工对策，在盾构施工参数、二次注浆及施工连续性上提出了建议，确保隧道施工时对既有高速铁路桥沉降的是有效控制。