抛填土地层隧道侧穿施工对既有铁路桥墩的影响研究*

谭芝文，戴亦军，陈灯强，雷 军，李水生，赵晨阳

(1.中建隧道建设有限公司，重庆 401320；2.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004；3.中南大学土木工程学院, 湖南 长沙 410075)

本文依托重庆轨道交通9号线何家梁—石盘河区间隧道近距离侧穿相距极近的沪蓉线和郑渝线寸滩特大桥工程，拟采用数值模拟方法分析隧道近距离侧穿施工对相距极近桥梁变形的影响特性，并提出施工控制技术，相关研究成果可为类似工程施工提供指导。

1 工程概况

1.1 工程背景

重庆轨道交通9号线是重庆市轨道交通的重要组成部分，该线路的何家梁—石盘河区间隧道先后下穿多条铁路线，如图1所示。其中，该隧道侧穿沪蓉线寸滩双线特大桥(5跨连续梁)42～44号墩，与3个桥墩的水平最小距离分别为8.65，9.9，7.17m；侧穿郑渝线寸滩双线特大桥(5跨连续梁桥)30～31号桥墩，与2个桥墩的水平最小距离分别为3，14m。沪蓉铁路和郑渝铁路寸滩双线特大桥通行列车较多，受保护程度要求高。

该区间隧道场区为构造剥蚀丘陵地貌，地层主要为素填土、第四系全新统残坡积层、侏罗系中统砂溪庙组砂岩和砂质泥岩。场地周边存在较大汇水区域，大气降雨向场区内沟谷地带汇集，故沟谷地带及裂隙较发育的基岩中地下水较发育。隧道洞身穿越地层主要为人工填土、粉质黏土和强风化基岩，隧顶上覆填土层厚28.0～31.3m，为Ⅵ级浅覆岩隧道。

1.2 支护设计与施工方案

何家梁—石盘河区间隧道侧穿沪蓉线及郑渝线寸滩特大桥区段的隧道支护形式如图2所示。侧穿施工期间，采用台阶开挖预留核心土法进行施工。上台阶施工过程中，采用管棚及注浆导管方式进行超前加固；下台阶施工过程中，采用超前注浆小导管对土体进行加固。隧道底部设置梅花形布置的灌注桩，桩体直径0.5m，横、纵向间距分别为12.25，6.5m，桩体嵌岩深度为3m。

图2 隧道支护结构设计

1.3 控制标准

根据桥梁保护要求，拟定施工期间沪蓉线和郑渝线寸滩特大桥的相关变形控制标准如表1所示。

表1 桥墩位移控制标准 mm

2 侧穿施工对桥墩影响分析

2.1 分析模型

为分析重庆轨道交通9号线侧穿施工对沪蓉线和郑渝线寸滩特大桥变形的影响，结合实际情况建立如图3所示三维有限元模型。模型中各部分均按实际尺寸进行建模，桥墩下方桩基参数如表2所示。

图3 计算模型(单位：m)

表2 桩基参数

2.2 分析方法

模型中，采用等效刚度的方法考虑钢拱架的作用，即将钢拱架的刚度等效折算给喷射混凝土，折算方式为：

(1)

式中：E为折算后混凝土弹性模量；E0为原混凝土弹性模量；Sg为钢拱架截面积；Eg为钢材弹性模量；Sc为混凝土截面积。

采用等效方法考虑超前小导管、锚杆、管棚等加固措施在改善地层性质方面的效果。将桩体与土体2部分视为复合土体，采用复合模量来评价复合土体的压缩性。根据桩土变位相等可得到如下公式：

Ec=mEp+(1-m)Es

(2)

式中：m为复合地基面积置换率；Ec为复合地基弹性模量；Es为土体弹性模量；Ep为桩体弹性模量。

根据地质勘察资料和相关规范，确定模型中主要计算参数取值，如表3所示。

表3 主要计算参数

模型中，采用接触算法模拟各实体间的相互作用。接触可分为切向与法向2个方向。切向采用库仑摩擦定律，临界切应力为：

τcrit=μp

(3)

式中：τcrit为临界切应力；μ为摩擦系数；p为法向接触压强。

采用罚函数模型模拟接触面间的法向作用：

(4)

式中：p为接触法向应力；h为嵌入量；kin为接触面嵌入惩罚刚度；f为惩罚函数。

模型中，简支梁上部荷载以均布荷载形式施加于桥墩顶支座处。支座反力的计算考虑梁体自重、二期恒载及列车活载的组合作用。列车荷载参照TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》中的中华人民共和国铁路标准活载进行计算，包括最不利静活载和动力冲击系数。

动力冲击系数计算式为：

(5)

式中：L为桥跨长度；h为路基填充高度，h取0.5m。

结合郑渝线及沪蓉线寸滩特大桥的设计图纸，确定各桥墩支座反力如表4，5所示。模型中列车纵向制动力根据规范要求按车辆静载的10%进行计算。除上表面外，土体其他边界面采用法向位移约束。

表4 郑渝线寸滩特大桥墩顶支座反力 kN

表5 沪蓉线寸滩特大桥墩顶支座反力 kN

2.3 桥墩位移

模型中，顺桥向为x轴、横桥向为y轴、竖向为z轴，坐标原点为相应线路分析桥墩位移时墩台的中心位置，具体方位和正负关系如图4所示。图5～6分别给出何家梁—石盘河区间开挖过程中，沪蓉线及郑渝线寸滩特大桥5个桥墩顶部的位移变化情况。

图4 坐标系统

图5 沪蓉线寸滩特大桥桥墩位移曲线

图6 郑渝线寸滩特大桥桥墩位移曲线

从中分析可知：

1)顺桥向水平位移主要产生于施工至距桥墩群桩前后约2D(D为隧道洞径)范围内，31号桥墩施工期间的顺桥向水平位移最大，约4.3mm，未超过允许值。

2)施工面到达桥墩结构群桩基础时，横向位移达到最大，变形曲线呈U形分布。43号桥墩横向变形最大，为3.6mm，未超过允许值。

3)各桥墩的竖向位移变化量均≤1mm，竖向相对沉降满足施工控制要求。

3 施工控制措施建议

1)隧道开挖至距桥墩±2D范围时，应加强对桥墩变形的监测。新建隧道左、右洞施工纵向间距应控制在5倍单洞跨度以上。

2)施工监控量测中，应制定严密的监测方案和实施计划，并重点加强顺桥向水平位移指标的监测。具体线下监测指标宜包括桥梁墩顶、墩底及墩台附近土体三维位移。

3)建议采用较大外插角或全环增加长3.0m的φ25中空注浆锚杆以加固围岩和封堵地下水，加固圈厚度宜≥3.0m。

4)在确保单层初期支护能有效控制围岩松弛变形的前提下，建议将双层初期支护调整为单层初期支护，以使得施工效率更高。

5)侧穿施工期间，严格遵循既有的“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”施工原则。应注意加强既有铁路桥梁桩基和中间岩柱的保护。加强超前注浆施作与质量检验，严格控制循环进尺和超欠挖，禁止爆破。

4 结语

1)重庆轨道交通9号线下穿沪蓉线及郑渝线寸滩特大桥期间，郑渝线寸滩特大桥31号桥墩顺桥向水平位移最大，约4.3mm，变形未超出容许值，满足施工控制要求。

2)顺桥向水平位移主要产生于施工至距桥墩群桩前后约2D范围，该范围内施工时应加强对桥墩变形的监测。新建隧道左、右洞施工的纵向间距应控制在5倍单洞跨度以上。

3)建议采用较大外插角或全环增加长3.0m的φ25中空注浆锚杆以加固围岩和封堵地下水，加固圈厚度宜≥3.0m。在确保单层初期支护能有效控制围岩松弛变形的前提下，建议将双层初期支护调整为单层初期支护。