地铁盾构隧道近距离下穿广深铁路影响分析及防护措施研究

郭现钊

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

引言

随着我国城市轨道交通的迅猛发展，隧道下穿既有运营铁路的工程实例越来越多，而因周边建(构)筑物条件的愈加复杂，导致轨道交通工程下穿施工安全风险也越来越大。目前，国内地铁区间隧道下穿铁路的成功案例不断增多：深圳地铁3号线红岭站—老街站盾构区间隧道下穿广深铁路高架桥[1]；南京地铁4号线一期工程徐庄软件园站—正马路站盾构区间隧道下穿京沪高铁联络线路基[2]；西安地铁3号线胡家庙站—石家街站盾构区间下穿陇海铁路[3-4]；成都地铁4号线二期东延线万年场站—东三环站盾构区间下穿成绵乐高铁[5]；北京轨道交通新机场线一期工程折返线矿山法区间下穿京沪高铁桥梁[6]；长沙地铁6号线朝阳村站—东郡站盾构区间下穿京广铁路[7]；沈阳地铁9号线皇姑屯站—北一路站盾构区间下穿铁路框构桥[8]；济南轨道交通R1线玉符河站—王府庄站盾构区间下穿京沪铁路框架桥[9]；长沙轨道交通3号线烈士公园东路—丝茅冲站盾构区间下穿京广铁路框架桥[10-11]。

尽管地铁区间隧道下穿铁路的工程实例较多，为确保既有铁路的正常运营，大多是以盾构区间隧道下穿单线铁路桥梁居多。对于地铁区间隧道近距离下穿密集并行四线铁路桥梁的工程实例比较少，特别是近距离下穿钢构桥的案例更少。本文结合深圳地铁5号线西延工程建设路站—大剧院站盾构区间下穿广深铁路工程案例，对地铁区间隧道近距离下穿密集并行四线铁路(其中有一线是钢构铁路桥)的影响及防护措施开展研究。

1 工程概述

1.1 工程概况

深圳地铁5号线西延工程(黄贝岭站后至大剧院站段)位于深圳市罗湖区核心区，起自5号线一期黄贝岭站，终至大剧院站，线路长2.871 km，全线采用地下敷设。其中建设路站—大剧院站区间下穿既有广深铁路。

深圳地铁5号线下穿段落，广深铁路自东向西依次为深圳特大桥(Ⅳ线)、广深铁路深圳高架桥(Ⅰ线)、深圳高架桥(Ⅱ线)、深圳机备线特大桥(Ⅲ线)，四线均为普速铁路；广深Ⅰ线、Ⅱ线最高运行速度200 km/h，Ⅲ线、Ⅳ线最高运行速度140 km/h；Ⅰ线、Ⅱ线、Ⅲ线桥在地铁下穿段落为四跨连续梁桥，采用φ550 mm混凝土管桩基础，Ⅳ线桥为四跨连续刚构桥，采用φ800 mm混凝土灌注桩基础。区间平面如图1所示。

图1 区间隧道下穿铁路桥总平面示意

1.2 位置关系

建设路站—大剧院站区间隧道设计为双单线，采用复合式盾构施工，结构外径为6.2 m，内径5.5 m，左、右线线间距13 m，隧道覆土约8 m。区间隧道在距离建设路站50 m处以29‰坡度下穿广深铁路桥四线桥，其平面交角约89°，与广深铁路桩基之间的最小水平净距为1.058 m。区间隧道下部为运营地铁2号线。5号线区间隧道与铁路桥梁的位置关系如图2所示。

图2 地铁区间隧道与广深铁路位置关系示意(单位：高程以m计，其余mm)

1.3 工程地质及水文地质

区间隧道沿线地层主要有第四系人工堆积层(Q4ml)、第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)、第四系残积层(Qel)，下伏基岩为燕山期(γ53(1))花岗岩、南华系(Nhb)混合岩。根据地质详细勘察报告揭示，本区间未发现断裂构造，场地构造稳定性总体较好，但受区域构造影响，基岩中节理、裂隙较发育。隧道穿越地层主要有中粗砂，砾质黏性土、全-强风化花岗岩、中微风化花岗岩。

根据其赋存介质的类型，区间隧道沿线范围内地下水主要为第四系松散地层中的孔隙水和基岩裂隙水，孔隙水主要赋存于冲洪积砂层中，基岩裂隙水主要赋存于强、中等风化基岩中；根据水力性质不同可分为潜水和承压水，其中承压水分布于块状强风化～中等风化带裂隙中，埋深21 m，潜水埋深1.80～4.70 m，主要含水层为砂层。

2 盾构下穿施工对铁路桥的影响分析

2.1 盾构施工对地层的影响分析

盾构隧道施工引起地层变形预测的研究方法主要有理论解析法、经验公式法、现场实测法[12-15]。理论解析法主要为弹性半空间法，魏纲等利用弹性力学的Mindlin解，推导了盾构施工引起地层变形的计算公式；经验公式法也就是Peck曲线法，Peck通过统计分析隧道实测地层沉降数据，首次提出了横向地表沉降计算公式。

根据大量实测资料分析，盾构施工引起的地层沉降大致可分为5个阶段：盾构到达前的沉降、盾构到达时的沉降、盾构通过时的沉降、盾构过后管片脱离盾尾沉降、地层后期固结沉降[13]。地表沉降的主要影响因素为开挖面土体移动、盾构严重超挖(欠挖)、注浆量不足或注浆不及时、盾构推进方向的改变以及对地层产生扰动等。

2.2 下穿施工对桥梁的影响分析

盾构下穿施工影响桥梁结构的安全稳定，进而影响桥梁的运营安全。盾构隧道下穿近邻桥梁时首先影响桥梁的桩基础：随着隧道的开挖，地层原有的地应力平衡状态被打破，盾构开挖面造成地层扰动及应力损失，引起围岩变形，并作用于桥梁桩基上，使得桩基产生不利变形和内力，降低其安全稳定性[16-17]。

盾构下穿施工可能引起桥梁发生沉降或倾斜，及在构件节点处形成转角。严重时造成裂缝的产生及扩展，对结构耐久性及安全性产生较大影响。在不良地层中，影响更为明显[18-19]。

3 地铁下穿施工对铁路影响的模拟计算

为更好地掌握建设路—大剧院站区间盾构隧道下穿广深铁路施工对铁路的影响，根据具体工程技术条件，建立三维有限元模型进行模拟计算分析。

3.1 计算模型

根据区间隧道与广深铁路的位置关系，为减小边界约束对模拟结果的影响，计算模型宽度方向取隧道洞径3～5倍，沿线路纵向方向模型长60 m，上边界取至地面，考虑2号线区间，下边界取至隧道底部以下40 m。三维数值模型尺寸为60 m×90 m×55 m，其中沿隧道线路方向长约60 m，计算高度55 m，共划分108 879个单元，417 922节点。计算模型如图3、图4所示。

图3 整体计算模型

图4 桥桩、承台及区间隧道计算模型

模型上表面为自由边界，下表面为固定约束，四周施加法向约束。地层满足M-C屈服准则。

3.2 计算参数

地层采用实体单元模拟，根据地勘资料，对地层进行合并简化，采用厚度加权平均处理的方法进行力学参数折算。梁体采用实体单元模拟，桩基础采用梁单元模拟，盾构隧道管片衬砌采用板单元模拟。地层参数和结构力学参数如表1、表2所示。

表1 地层物理力学参数

表2 结构物理力学参数

3.3 计算结果分析3.3.1 桥梁沉降分析

选取每个桥梁轴线上的点作为分析对象。在地铁下穿施工过程中，各桥梁沿线路方向的沉降曲线如图5所示。

图5 桥梁最终沉降曲线

从图5可以看出，4座桥梁的沉降变形趋势基本一致，整体沉降呈现“V”形；地铁盾构下穿施工对广深铁路桥梁的影响范围约60 m。左、右线隧道之间的梁部结构沉降最大，4座桥梁的最大沉降值分别为Ⅰ线桥-4.5 mm、Ⅱ线桥-4 mm、Ⅲ线桥-4.3 mm、Ⅳ线桥-12.5 mm，其中，Ⅳ线桥的沉降值最大；4座桥梁的差异沉降值分别为Ⅰ线桥4 mm、Ⅱ线桥3.8 mm、Ⅲ线桥4.5 mm、Ⅳ线桥10 mm，Ⅳ的差异沉降最大。

3.3.2 桥梁承台变形时程分析

为了更好掌握盾构下穿施工对桥梁的具体影响，根据盾构施工工艺，将盾构下穿过程分3个阶段考虑，即盾构通过前、盾构通过时、盾构通过后管片脱离盾尾。选取图6中所示承台上各点进行分析。

图6 桥梁典型点分布示意

模拟计算中，假定左线盾构隧道先施工，左线施工完后再施工右线隧道；考虑计算模型、计算节点及计算步序，每一步序掘进按3 m计算。各点沉降变形的时程曲线如图7～图9所示。

图7 各桥中部承台沉降变形时程曲线

图8 各桥左侧承台2沉降变形时程曲线

图9 Ⅳ线桥各承台沉降变形时程曲线

从图7～图9中可以看出：左线盾构掘进时，通过承台前，承台几乎无扰动，盾构过承台时，承台沉降明显，通过承台后承台沉降趋于稳定。右线盾构掘进时，变化趋势同左线盾构掘进。

以Ⅳ线桥为例，左线盾构通过时，中部承台以及左侧承台2的沉降明显，中部承台最大沉降值约6 mm，左侧承台2最大沉降值约4.5 mm，其余承台均有不同程度的沉降；右线盾构掘进时，中部承台及右侧承台2沉降明显，中部承台最大沉降值约12 mm，右侧承台2的最大沉降值3 mm，左侧承台2的最大沉降值约为5 mm。其余桥趋势同Ⅳ线桥，根据桥梁距离位置关系不同，盾构区间下穿点不同，各桥承台趋势体现出延迟性。

随着盾构掘进，相邻承台之间的差异沉降越来越大，待右线盾构下穿时差异沉降达到峰值，Ⅰ～Ⅲ线桥约为4 mm，Ⅳ线桥约为9 mm，在盾构下穿阶段承台的沉降最大，约占下沉总量的90%。并且Ⅳ线桥的沉降明显大于其他桥。

3.3.3 桩变形分析

选取距离盾构隧道比较近的几个桩，分析其水平位移；根据各桥的技术特点，选取Ⅳ线桥中距离区间隧道较近的桩，桩编号如图10所示。

图10 Ⅳ线桥桩位编号示意

在盾构施工过程中，各桥桩最终的水平位移及时程变化如图11、图12所示。

图11 Ⅳ线桥各桩的水平位移曲线

图12 Ⅳ线桥各桥桩的水平位移时程曲线

从图11、图12可以看出，盾构下穿施工引起桥桩发生不同程度的水平位移。从竖向范围看，盾构下穿范围内的桥桩发生远离隧道的位移，其他部位发生反方向的位移，整个桩的水平向位移呈“S”形。

左线盾构掘进施工时，盾构左侧桥桩产生向左的位移，最大值为1.5 mm，右侧桥桩产生向右水平位移，最大值为2.6 mm；其余桥桩水平位移较小。右线盾构掘进通过时，盾构左侧桥桩向右的水平位移减小，盾构右侧桥桩向右的位移逐渐增大，其最大值为1.5 mm。左、右线盾构隧道两侧桥桩的水平位移变化比较明显，其他桥桩的位移变化较小；左、右线隧道之间的桥桩先发生向右的水平位移，再发生向左的水平位移。

4 防护措施研究

为确保既有铁路的安全运营，地铁区间隧道下穿铁路时，需根据具体的工程技术条件采取有针对性的安全防护措施。诸如武汉地铁6号线唐家墩站—石桥路站区间隧道下穿汉孝城际铁路府河特大桥采取了隔离桩防护措施[20]，北京地铁14号线侧穿京津城际铁路采取了桥桩预加固措施[21]，深圳地铁3号线红岭站—老街站区间隧道下穿广深铁路采取了主动支顶措施[1]。

结合上述工程案例，根据深圳地铁5号线西延线建设路站—大剧院站区间隧道下穿广深铁路的具体技术条件，对广深铁路桥梁采取相应的防护措施，拟对桩基预注浆加固、桥梁桩基主动拖换、桩基补强3个防护措施方案进行比选研究。

4.1 预注浆加固方案

根据隧道与广深铁路桥的位置关系，对左、右线隧道两侧的桩采用袖阀管预注浆加固，对桩周土体加固改良，提高土体抗变形能力、桩周摩擦力，以减少盾构下穿施工对桥梁的影响。具体如图13所示。

图13 预注浆加固方案示意(单位：mm)

4.2 主动托换方案

地铁区间隧道距离铁路桥梁桩基比较近，盾构掘进施工对桥梁桩基承载力影响比较大。在盾构下穿施工期间，考虑桥梁桩基承载力体系的转化，即采取桩基托换的方式确保其承载力：盾构隧道下穿施工前，在既有桩基附近、避开地铁区间隧道施作托换新桩及承台，采取主动托换方式将桥梁托换至新施作的承台和桩基上，并在施工过程中采用临时支顶加固措施。如图14所示。

图14 托换支架示意

4.3 桩基补强方案

根据周边环境条件，在既有桩基周围施作补强桩基，施作承台并与既有承台连接，增强桥梁整体性。在盾构下穿施工中，即便既有桩基承载力降低较大，补强桩基仍能满足桥梁承载力要求。如图15所示。

图15 桩基补强方案示意

4.4 方案对比分析

为合理确定桥梁安全防护措施，对上述3个方案进行综合比选分析。具体如表3所示。

表3 桥梁安全防护方案比较分析

通过比选分析，综合考虑施工工期、工程投资、交通疏解、具体工程技术条件，为确保既有广深铁路运营安全，推荐选用桩基补强方案。

5 防护措施实施效果

5.1 防护措施实施方案

在地铁下穿施工前，在区间隧道两侧、在承台方向，在既有桩基周边施作补强桩，施作承台并与既有承台连接。由于广深铁路桥下净空比较低，为满足补强桩施工要求，在桥下开挖比较浅的基坑，分节吊装钢筋笼；在钻孔桩钢筋笼周边预埋注浆管，以备盾构下穿施工期间实施跟踪补偿注浆；补强桩桩顶承台采用植筋与既有承台连接，最后回填基坑、恢复道路交通。实施方案如图16所示。

图16 桩基补强设计方案示意(单位：高程以m计，其余mm)

5.2 防护措施实施效果

在盾构掘进施工前，完成上述防护措施的实施;待盾构掘进通过时，对铁路桥梁承台及梁部结构实施自动化监测，并根据监测数据及时启动跟踪补偿注浆。监测数据如表4所示。

表4 各桥监测数据统计 mm

由表4可知，采取防护措施后，盾构区间隧道下穿施工后，各桥的变形比较小，小于2 mm的沉降要求，能够满足广深铁路的正常运营。防护措施实施效果良好。

6 结论与建议

通过对深圳地铁5号线区间隧道近距离下穿广深铁路桥的计算分析、铁路桥梁安全防护措施的研究，得出以下结论。

(1)区间盾构隧道近距离下穿广深铁路桥梁引起桥梁及承台发生较大的变形主要因素是沉降，水平位移比较小，桥梁沉降呈“V”形，最大沉降12 mm，位于左、右线隧道之间的桥梁位置，对隧道两侧的梁影响相对小一些；在盾构施工引起沉降的5个阶段中，盾构掘进通过阶段引起的沉降最大，占总沉降值的90%。

(2)区间隧道从桥梁桩基之间穿过会引起桥梁桩基同时发生沉降变形和水平位移，从竖向范围，盾构隧道穿越范围内的桩基发生远离盾构隧道的水平位移，其他部位发生偏向隧道的水平位移，对两隧道之间的桩基变形影响最大。

(3)为减少地铁盾构区间穿越施工对广深铁路的影响，通过对桥梁桩基预注浆加固、主动托换桥梁桩基、桩基补强3个方案的综合比选分析，桩基补强方案安全防护效果最明显，实施该措施后桥梁最大沉降大幅度降低，最大值仅为1.3 mm，能够保证广深铁路的正常运营。

(4)在后续类似的地铁盾构区间隧道下穿铁路桥梁工程中，建议在不破坏桥梁结构、不扰动桥梁受力状态情况下，根据具体工程技术条件，在隧道穿越施工前，对既有桥梁桩基采取相应的补强措施，同时加强对铁路的监控量测，确保既有铁路正常运营。