富水砂层中地铁盾构隧道下穿既有铁路病害桥施工的风险分析及控制措施

李 晔

(中国铁路南昌局集团有限公司,南昌,330002∥正高级工程师)

当新建隧道下穿既有桥梁时,会增加桥梁桩基的侧向变形及沉降,减弱桩基承载力,进而带来安全隐患[1-2]。因此,新建隧道工程需采取针对性的控制措施,以降低工程风险。文献[3]系统地阐述了软弱地层条件下盾构穿越高铁所存在的风险,并提出相应的安全控制体系。文献[4]认为与注浆加固周围土体相比,隔离桩对盾构下穿铁路桥施工的防护效果更佳。文献[5]对盾构下穿引起的隧道纵向及环向结构响应进行了全过程的跟踪及分析。文献[6]探讨了多种隔离桩对盾构下穿高铁桥的防护效果。文献[7]采用数值手段,对盾构穿越引起已运营铁路桥涵的力学行为进行了预测。文献[8]利用数值技术,探讨了隧道下穿高铁工程的控制标准及施工控制措施。

上述研究成果涉及新建工程下穿既有铁路病害桥的情况较少。铁路病害桥纵横向刚度不足、结构整体稳定性差。富水砂层是不稳定地层,受扰动后地层反应灵敏。因此,富水砂层新建的盾构隧道下穿既有铁路病害桥时,会增大风险事故的发生概率。鉴于此,本文针对南昌轨道交通4号线起凤路站—七里站区间(以下简称“起七区间”)下穿京九铁路工程,结合富水砂地层和铁路病害桥的特点,对施工风险产生的原因及造成的危害进行分析,并提出一套较为成熟的风险控制体系。

1 工程概况

起七区间隧道右线(以下简称“右线”)的长度为1 073.288 m,隧道左线(以下简称“左线”)的长度为1 075.633 m,左右线的间距为12～17 m,隧道顶埋深为9.7～18.6 m。该区间隧道沿青山北路敷设,下穿英雄大桥、京九铁路青山路立交桥后进入起凤路站。起七区间隧道与京九铁路青山路立交桥的位置关系如图1所示。京九铁路青山路立交桥的基础为独立浅基础,离现有地面约4.9 m,基础底标高为14.7 m。起七区间隧道与京九铁路青山立交桥基础的最小水平净距约为1.680 m,竖向净距为9.417 m。

图1 起七区间隧道与京九铁路青山路立交桥位置关系示意图

2 施工风险识别

起七区间隧道工程属富水砂层盾构隧道下穿铁路病害桥施工,其风险源主要包括:

1) 铁路病害桥的高敏感性。京九铁路青山路立交桥劣化严重,梁体有多处裂缝,墩身腐蚀剥落,裂缝普遍,且结构出现老化现象。起七区间盾构下穿引起的地层变形可能会导致桥梁裂缝进一步发展,甚至导致桥梁整体结构发生破坏,造成严重的后果。

2) 富水砂层的不稳定性。该隧道洞身全部位于富水的砾砂层中。富水砾砂层具有结构松散、无胶结、孔隙比大、黏合力小及自稳性差等特点。当隧道穿越富水砾砂层时,由于其自稳性较差,地面更容易产生较大的沉降,施工风险性极高。

3) 工期紧张。施工时临近春运,该工程须在春运前完工并通车,施工期只有10 d。

综上所述,为确保该工程施工过程满足沉降控制要求,综合考虑后提出了铁路桥置换及注浆加固的施工方案,即在既有京九上跨桥边孔道路上预制框架,对下穿区域基础范围内的土体进行加固。

3 施工风险影响数值分析

3.1 计算模型建立

采用FLAC3D软件对工程进行建模。考虑到隧道开挖影响范围一般在3～5倍洞径距离内,取75 m(50环管片的累计宽度)作为计算模型的纵向开挖长度,取地面以下40 m作为模型竖向深度。建立的三维数值计算模型如图2所示,其尺寸为80 m(x向)×75 m(y向)×40 m(z向)。

图2 三维数值计算模型

土体材料采取摩尔-库伦本构模型,其参数依据地质勘察报告选取。其余材料均采用线弹性模型,所有单元均为实体单元。模拟计算时,盾构土仓压力和同步注浆压力均取0.1 MPa;铁路列车荷载根据TB 3466—2016《铁路列车荷载图式》取50 kN/m;路面汽车荷载取10 kPa。该数值模型的材料参数如表1所示。

表1 数值模型的材料参数

3.2 掘进过程模拟

初始地应力平衡后,以5环管片的累计宽度(7.5 m)作为1个开挖步,每步开挖后的地层应力释放采用节点反力法(应力释放系数取0.5)。应力释放完成后,立即施作实体单元,以模拟管片的拼装。同时修改周边土体的参数,以模拟同步注浆过程。

3.3 施工工况设置

本文设置了3种施工工况:①工况一,不进行预加固;②工况二,地层注浆加固;③工况三,地层注浆加固+框架涵加固,其中地层注浆加固的区域为:z向取双线隧道底部以下3.4 m至隧道结构顶部以上9.4 m,y向取隧道结构左右各6 m。

3.4 监测点布置

图3为施工时地面及桥面监测点平面布置图。根据施工监测要求,沿既有铁路上下行方向各布置2个地面监测断面(DB1、DB2),这2个监测断面与铁路中心线的距离均为7 m。2个断面上均设11个地面监测点(DB1-1—DB1-11、DB2-1—DB2-11),相邻地面监测点的间距为5 m。在既有铁路中心线(立交桥桥面上)设1个桥面监测断面QM0(其中QM0-5为既有铁路中心线和起七区间隧道中心线的交点),在该断面上设置10个监测点(QM0-1—QM0-10),相邻桥面监测点的间距为5 m。

图3 地面及桥面监测点平面布置图

4 模拟结果分析

图4为盾构贯通后模型在工况一下的隧道围岩竖向位移云图。由图4可知:盾构隧道施工导致上覆地层在一定范围内形成了“碗形”沉降区;既有高架桥与地面接触范围内的围岩变形尤为明显,最大沉降(沉降量为18.08 mm)发生在拱顶处。

图4 盾构贯通后模型在工况一下的竖向位移云图

4.1 地面沉降分析

选取地面在y=50 m处的监测断面进行分析。该断面不同工况下的地面沉降曲线如图5所示,横轴取QM0-5至QM0-1的方向为正方向。由图5可知:工况一下地面的最大沉降量约为6.21 mm;采取预加固措施(工况二及工况三)后,地面沉降量有所减少;工况二及工况三对地面沉降的影响差别不大,最大沉降值约为3.18 mm,较工况一约减少48.8%。

图5 不同工况下y=50 m处监测断面的地面沉降曲线

4.2 既有铁路路基沉降分析

选取既有铁路路基中心所在的横断面(y=50 m)为监测断面,该监测断面与隧道轴线方向垂直。该断面不同工况下的地面沉降曲线如图6所示,横轴取QM0-5至QM0-1为正方向。由图6可知:工况一下既有铁路路基的最大沉降量达5.92 mm;工况二下既有铁路路基的最大沉降量明显减少,其最大沉降值量为3.71 mm;工况三对既有铁路路基的沉降控制效果最为显著,其最大沉降量为2.18 mm;相比工况一和工况二,工况三下既有铁路路基的最大沉降量分别减少了63.2%和41.2%。

图6 不同工况下y=50 m处既有铁路路基的地面沉降曲线

根据上述的数值模拟结果,本文采用工况三作为施工控制措施。

5 施工实测分析

基于上文的数值模拟结果,实际施工时采用工况三的控制措施,即在盾构穿越京九铁路青山路立交桥前,对地层进行了注浆加固,对桥梁进行了框架涵加固。基于此制定实际施工的监测方案,并对实测数据进行分析。

依据相关规范的要求,结合施工的具体情况,本工程的地面变形控制值取-20～10 mm,桥面沉降控制值取6 mm,桥梁不均匀沉降控制值取5 mm。

取右线隧道正上方的监测点DB1-8、DB2-8、QM0-6进行分析,其实测的地面竖向变形时程曲线如图7所示。由图7可知:地面测点的竖向变形量随时间的变化较为明显,这是由于掌子面与监测断面距离随时间变化而变化导致的;监测点DB1-8、DB2-8的地面竖向变形随时间推移而增大,直到隧道下穿通过后,竖向变形量才开始趋于稳定;桥面监测点QM0-6的竖向变形量远小于2个地面监测点的最大竖向变形量。

图7 地面、桥面部分测点的实际竖向变形时程曲线

图8是隧道下穿完成后5 d(即2021年1月20日)地面、桥面监测断面内各测点的累计竖向变形曲线。由图8可知:铁路桥两侧的地面累计竖向变形量差异不大,累计竖向变形的最大值出现在双线隧道中心线附近,其累计竖向变形量为7.63 mm,桥面整体的累计竖向变形量在3.0～4.2 mm之间,满足变形监测要求。

图8 地面、桥面监测断面内各测点的累计竖向变形曲线

6 结论

1) 采用地下基础注浆加固及现浇框架加固桥梁的方式,可以很好地解决铁路病害桥敏感性高、整体稳定性差等问题,进而降低隧道下穿的施工风险。

2) 通过对盾构机下穿时的各项参数进行合理设计,可有效地降低隧道施工风险,保证隧道安全、快速穿过铁路病害桥。

3) 从控制效果看,在盾构隧道下穿过程中采用本文所述的各项控制方法后,地面沉降量较小,桥梁变形满足控制要求,且盾构通过时间小于预期。