新建隧道下穿对既有高速铁路桥墩影响研究

刘 杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

0 引言

随着城市发展,难免出现新建道路下穿或并线既有结构情况[1-5]。高铁桥梁桩基周边开挖施工引起的地层应力和变形是造成附近结构和设施承受附加荷载、产生附加变形的根本原因之一。由于高速铁路运行速度快,对变形要求严格[6-7],有必要针对具体地质状态和施工工况开展新建道路对既有高铁影响研究。本文根据实际工程:新建隧道下穿京沪高铁施工。根据实际地层情况,设计三维数值计算模型,分别计算不同工况下高铁桥墩的变形情况,分析变形原因,可为相关工程提供参考。

1 工程概况

1.1 既有高铁介绍

工程位于江苏省苏州市,隧道下穿京沪高铁。如图1所示,左线盾构隧道从3560#、3561#桥墩间穿越,右线盾构隧道从3559#、3560#桥墩间穿越,桥梁跨度均为32.7 m。下穿段桥下净空约为9.23 m,3559#桥墩承台尺寸10.5 m×6.8 m×2 m,承台底标高为2.871 m,承台下设10根φ1 m钻孔桩,桩长48.5 m,桩底位于④1粉质黏土层,基本承载力120 kPa;3560#和3561#桥墩承台尺寸10.5 m×5.6 m×2 m,3560#承台底标高为-0.371 m,承台下设8根φ1 m钻孔桩,桩长56.5 m,桩底位于⑤1粉砂、土层,基本承载力150 kPa;3561#承台底标高为-0.871 m,承台下设8根φ1 m钻孔桩,桩长59.5 m,桩底位于⑥1粉质黏土层,基本承载力120 kPa。采用CRTSⅡ型板式无砟轨道,与铁路相交位置铁路中心里程为K1239+294。

1.2 新建隧道介绍

如图1所示,新建隧道左、右线分两跨下穿,与京沪高铁高架桥的平面夹角分别约为80°和90°,隧道纵坡14.492%。隧道下穿铁路段采用盾构法施工,采用加泥式土压平衡盾构。单圆盾构衬砌:隧道内径为5 900 mm,外径为6 600 mm,衬砌厚度350 mm。采用单层装配式衬砌,由六块组成。环间采用错缝拼接方式,管片采用M30弯螺栓连接,环宽为1 200 mm。盾构隧道左线管片外边缘与京沪高铁3560#、3561#桥墩桩基的最近水平净距分别为7.02 m和12.66 m;盾构隧道右线管片外边缘与京沪高铁3559#、3560#桥墩桩基的最近水平净距分别为10.44 m和10.55 m。

1.3 防护及加固措施设计

盾构隧道穿越京沪高铁桥梁位置,在桥梁下方进行隔离桩+袖阀管注浆加固。下穿京沪高铁位置盾构隧道采用门式桩进行隔离防护,其两侧采用直径1 m间距1.2 m的钻孔灌注桩,桩顶设置1.0 m×0.8 m的冠梁。冠梁之间采用0.8 m×0.8 m@6.3 m的混凝土支撑连接,隔离桩桩底打入盾构隧道底部以下6 m。隔离桩范围:隔离桩与隧道管片外边缘的净离按1 m控制,隔离桩沿盾构轴线方向伸出桥梁承台边缘10 m。3559#桥墩桩基中心与隔离桩桩基中心最近的间距为9.44 m>6 m(6D=1.0×6),3560#桥墩桩基中心与隔离桩桩基中心最近的间距分别为6.02 m>6 m(6D=1.0×6),3561#桥墩桩基中心与隔离桩桩基中心最近的间距分别为11.65 m>6 m(6D=1.0×6)。

1.4 地层介绍

左线盾构隧道埋深约18.13 m,隧顶上覆土从上到下依次为①黏土(基本承载力150 kPa)、②1粉土(基本承载力90 kPa)、③0粉质黏土(基本承载力100 kPa),盾构隧道穿越地层主要为③0粉质黏土(基本承载力100 kPa)和③粉质黏土(基本承载力180 kPa);右线盾构隧道埋深约10.62 m,隧顶上覆土从上到下依次为①黏土(基本承载力150 kPa)、②1粉土(基本承载力90 kPa),盾构隧道穿越地层主要为②1粉土(基本承载力90 kPa)和③0粉质黏土(基本承载力100 kPa)。

2 数值计算模型及工况设计

2.1 计算模型

本次计算采用Flac3d有限差分软件,计算模型坐标系遵循右手法则,X正向指向高铁大里程方向,Y正向垂直于高铁方向,Z为铅垂线方向,正向指向上。模型X方向长140 m,Y方向长140 m,Z方向长100 m。计算过程中土体、桥墩、承台等均采用实体单元模拟,桩基础结构采用结构单元模拟。采用结构化和非结构化混合网格划分技术对模型进行网格划分,共计464 192个单元,294 215个节点。模型的边界条件顶面为自由面,两侧水平约束,底面取竖向和水平向约束(图2)。

图2 数值计算模型

2.2 参数及工况

通过岩土工程勘察,取样,室内试验,得到相关地层力学参数,其取值如表1所示。

表1 土层力学参数

本次计算主要包括4个计算工况:①隔离桩及注浆加固施工;②隧道左线施工;③隧道右线施工;④隧道运营荷载。

3 数值计算结果分析

不同工况下,桥墩位移云图如图3所示。从图3可知,隔离桩及注浆加固施工时,主要位移集中在中间3560#桥墩,且主要为竖直方向沉降变形,符合3560#两侧受力特征。隧道左线施工时,最大位移集中在右侧的3561#桥墩,其次是3560#桥墩,主要表现为中间沉降变形。隧道右线施工时,位移主要集中在3559#和3560#桥墩,主要表现为中间沉降变形。隧道运营荷载施加时,最大位移集中在右侧的3560#桥墩。

图3 变形位移云图

不同工况下,对应墩顶监测点位移增量如表2所示。隔离桩及注浆加固施工时,在水平方向上,3561#桥墩变形值相对较大,最大值出现在X方向,最大变形值为-0.168 mm。在竖直方向上3560#桥墩变形值相对较大,最大变形值为-0.218 9 mm。隧道左线施工时,在水平方向上,3560#桥墩变形值相对较大,最大值出现在X方向,最大变形值为0.121 9 mm。在竖直方向上,3560#桥墩变形值相对较大,最大变形值为-0.054 9 mm。隧道右线施工时,在水平方向上,3560#桥墩变形值相对较大,最大值出现在Y方向,最大变形值为-0.163 8 mm。在竖直方向上,3559#桥墩变形值相对较大,最大变形值为-0.064 2 mm。隧道运营荷载施加时,在水平方向上,3560#桥墩变形值相对较大,最大值出现在Y方向,最大变形值为-0.163 8 mm。在竖直方向上,3559#桥墩变形值相对较大,最大变形值为-0.064 2 mm。

表2 隔离柱及注浆加固施工墩顶附加变形值 单位:mm

总位移中,3560#桥墩的竖向沉降最大,最大沉降值为-0.412 6 mm。主要原因是:3560#桥墩在两隧道中间,4个工况单独施工均为对3560#桥墩产生较大影响。总位移中,3561#桥墩水平X方向变形最大,最大值为-0.315 7 mm。主要原因是, 3561#桥墩的靠近左侧隧道,而3559#桥墩靠近右侧隧道。左侧隧道先施工,隧道施工后会引起应力释放。其次,左侧隧道比右侧隧道埋深更大,从而影响范围也更大。从而导致3561#桥墩的水平位移大于3559#桥墩。从隧道与铁路的空间位置可知,水平X方向比Y方向更加容易变形。因此,最终3561#桥墩水平X方向变形最大。

4 结束语

新建隧道下穿京沪高铁施工过程中引起高铁桥墩墩顶最大水平累计位移在3561#桥墩的X方向,值为-0.315 7 mm;最大竖向累计位移在3560#桥墩Z方向,值为-0.412 6 mm。最大水平位移和最大竖向位移均小于0.5 mm,变形较小,说明该施工方式满足安全要求。然而,隧道盾构工程施工范围在3560#桥墩两侧,受施工影响大,累计水平位移和沉降均较大,建议在高铁桥墩正下方施工时放缓施工速度,同时加强监测,出现位移突变,应立即停止施工。