盾构隧道下穿施工对铁路桥梁影响分析

盾构隧道下穿施工对铁路桥梁影响分析

李强

中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430000

摘要：盾构隧道施工对周边土体产生扰动，引起土体变形，影响周边建构筑物。以市域铁路盾构隧道穿越既有城际铁路桥梁为依托，结合有限元分析软件MIDAS探讨盾构隧道施工对铁路桥桩的影响。分析结果表明，隔离桩加固能有效减小盾构隧道施工对铁路桥梁的影响，桥梁变形满足相关规范要求。

关键词：盾构隧道、桥桩、隔离桩、变形

近年来，城市轨道交通工程快速发展，居民出行越来越便利。随着城市建设和轨道交通建设的不断扩大，城市可利用空间越来越小，周边环境越来越复杂，将不可避免出现轨道交通盾构隧道穿越铁路桥梁等重要建构筑物的情况^[1]。盾构隧道穿越施工产生地层损失，造成地表沉降，对周边土体产生扰动，引起周边土体变形，对既有桥梁基础产生影响，进而使桥梁结构产生变形，对铁路安全运营带来隐患^[2]-[3]。

因此本文以某地市域铁路隧道下穿既有城际铁路桥梁为依托，以有限元模拟为手段，研究盾构隧道过程中采用隔离桩加固措施对铁路桥梁结构变形的影响，以期对后续类似工程提供借鉴。

1 工程背景

某市域铁路工程区间隧道下穿城际铁路（设计最高时速为200km/h）桥梁，区间隧道采用盾构法施工，衬砌外径6200mm，内径5500mm，衬砌环宽度1500mm，厚度350mm。穿越处城际铁路桥梁为32.6m预应力混凝土简支箱梁，下部结构为双线圆端型实体桥墩，承台为双层承台，台下桩基为φ1m的钻孔灌注桩（摩擦桩），桩长40～44m。区间左右线隧道分别从两跨32.6m跨的简支梁桥孔中穿过，左线从216#～217#墩间穿过，交叉角度为52°，隧道埋深约20.44m；右线从215#～216#墩间穿过，交叉角度为55°，隧道埋深约20.34m；市域铁路隧道与铁路桥梁位置关系如下表1-1。

表1-1 隧道外边缘与铁路桥桩基最小净距表（m）

图1-1 盾构隧道与城际铁路平面位置关系图

图1-2 盾构隧道与城际铁路剖面位置关系图

根据勘察资料，本区间勘探深度内所揭露土层均为第四系地层。在垂直方向60.0m范围内分布有第四系全新统人工堆积杂填土（Q4ml）、第四系上更新统冲积物（Q3al）及冲洪积物（Q3al+pl）和第四系中更新统冲积物（Q2al），区间隧道穿越郑机城际铁路处隧道所处地层主要为③22层粉质黏土（棕红色～棕黄色，硬塑为主，干强度高，韧性高，切面较光滑，见黑色锰质斑点及锈黄色条纹，含少量钙质结核，核径0.5～5.0cm，局部富集呈层或块状，属中等压缩性土）、④21D层细砂（黄褐色，湿～饱和，密实，矿物成分以长石、石英、云母为主，石英、长石含量约占94%左右，含有黏粒，局部含少量卵砾石，粒径0.5～4.0cm，局部细砂胶结成柱状，属中等压缩性土）。本区间附近无河流或湖泊等地表水系，地下水埋深大，区间隧道掘进范围无水。

为控制盾构隧道侧穿郑机城际铁路桥桩所造成的影响，在隧道与桥墩之间采用隔离桩（φ250@400，C30钢筋细石混凝土）进行加固，隔离桩共两排，梅花型布置，桩长为32.4～32.8m（按地面标高至隧道底部以下6m考虑），隔离桩外侧边缘距离盾构隧道外侧边缘的保护间距为1m，隔离桩沿线路方向设置范围应超出桥梁承台两端各1.5倍隧道宽度。如下图所示。

图1-3 隔离桩加固平面图

2 盾构隧道下穿铁路桥梁数值模拟分析

本次计算采用MIDAS-GTS有限元计算软件对盾构隧道穿越城际铁路进行了实际施工工况的三维模拟，分析盾构施工对铁路桥梁的影响。

2.1 参数选取

考虑盾构通过过程中对5倍洞径以外的土体基本无影响，即5倍洞径以外的土体基本无变形。以此确定各模型尺寸，同时，考虑此范围外的土体无变形，故限制选取模型各面垂直面方向的位移。

假设围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb 屈服准则，围岩单元类型全部采用8 节点六面体三维实体单元和4 节点四面体三维实体单元。

围岩均采用实体单元模拟，计算中赋予弹塑性材料的属性。盾构隧道管片采用板结构单元模拟，桩基采用桩单元模拟。

取下表土层参数作为数值计算模型的土层参数：

表2-1 模型计算参数

2.2 工况模拟

根据工程的施工顺序，计算时按两个工况模拟如下：

工况一（无隔离桩）

工况二（设置隔离桩）

2.3 盾构下穿郑机城际铁路高架桥桥桩模型

图2-1给出了盾构下穿郑机城际铁路三维模型，模型尺寸为170×150×70（长×宽×高,单位：m），除考虑盾构隧道两侧三个桥墩（215#、216#、217#）外，两侧各向外扩一个桥墩（214#、218#），共五个桥墩。

图2-1 盾构下穿城际铁路三维数值模型

2.4 数值计算结果分析

1）工况一（无隔离桩）结果分析：

在数值模拟中，提取桥墩顶部中心点处位移，得到了盾构下穿214#～218#五个桥墩顶部的位移，如下表所示。

表2-1 工况一桥墩顶部中心点的位移（mm）

由上表可知，左线隧道贯通时，引起郑机城际铁路214#墩台、215#墩台、216#墩台、217#墩台、218#墩台最大沉降值为1.95mm，最大横桥向位移为0.04mm，最大顺桥向位移为1.80mm；右线隧道贯通时，引起郑机城际铁路214#墩台、215#墩台、216#墩台、217#墩台、218#墩台最大沉降值为3.16mm，最大横桥向位移为0.05mm，最大顺桥向位移为2.19mm。最大变形3.16mm，不满足技术规程^[4]要求的变形限值（3mm）。

2）工况二（设置隔离桩）结果分析：

在数值模拟中，提取桥墩顶部中心点处位移，得到了盾构下穿214#～218#五个桥墩顶部的位移，如下表所示。

表2-2 工况二桥墩顶部中心点的位移（mm）

由上表可知，设置隔离桩后，左线隧道贯通时，引起郑机城际铁路214#墩台、215#墩台、216#墩台、217#墩台、218#墩台最大沉降值为1.36mm，最大横桥向位移为0.27mm，最大顺桥向位移为-0.80mm；右线隧道贯通时，引起郑机城际铁路214#墩台、215#墩台、216#墩台、217#墩台、218#墩台最大沉降值为2.05mm，最大横桥向位移为0.24mm，最大顺桥向位移为0.90mm。最大变形2.05mm，满足技术规程规定^[4]的变形限值（3mm）要求。

综合上述两种工况的计算结果，在不设置隔离桩时，盾构完全通过郑机城际铁路时，墩台的最大沉降约为3.16mm（大于于控制值3mm），横桥向位移为0.05mm（小于控制值3mm），顺桥向位移为2.19mm（小于控制值3mm）；设置隔离桩后，盾构完全通过郑机城际铁路时，墩台的最大沉降约为2.05mm，横桥向位移为0.24mm，顺桥向位移为0.90mm（均小于控制值3mm）。由数值计算结果可以看出，设置隔离后盾构施工过程中对桥梁结构产生的影响明显减小，更好的满足城际铁路既有线运营管理及相关规范规程的要求。

3 结论

1）盾构隧道施工扰动地层，使桥梁桥墩产生以沉降为主的变形，沉降变形最大的是左右线隧道中间的桥墩。

2）在盾构隧道与桥墩之间设置隔离桩加固后，隔离桩能在一定程度上阻隔盾构隧道施工对地层的扰动，由此减小了盾构隧道施工引起的桥梁结构变形。

参考文献：

[1].孙雪兵.盾构隧道下穿施工对临近铁路桥梁的影响分析[J].铁道建筑，2018，58（4）：73-77

[2].王霆，韩高孝，郑军.盾构下穿施工对高铁连续梁桥沉降和变形的影响［J］． 城市轨道交通研究，2016，19(4) .

[3].刘记.盾构隧道下穿对高铁桥梁稳定性影响分析［J］．铁道建筑技术，2018(4)：56-58 .

[4].国家铁路局.公路与市政工程下穿高速铁路技术规范 [S].TB-10182-2017.