淤泥质软塑地层盾构下穿客运专线设计研究

2016-04-13郭靓

铁道勘察 2016年1期

关键词：盾构注浆桥梁

郭　靓

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津　300308)

淤泥质软塑地层盾构下穿客运专线设计研究

郭靓

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300308)

Research of Shield Tunnel Underpassing the Passenger Dedicated Line in Soft-Plastic Silt Area

GUO Liang

摘要天津滨海B1线盾构隧道所处淤泥质软塑地层具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、易变形等不良工程特性，该隧道下穿津秦客专无砟轨道高架桥，沉降控制要求高。为控制该地层盾构施工引起的高架桥沉降，采用工程类比、理论数值分析的方法对几种加固方案进行分析，提出“盾构注浆加固+隔离桩”的加固方案，并采用桥梁 “顶升法”作为应急预案，可预防盾构下穿铁路施工中的各种风险。

关键词盾构隧道客运专线注浆加固隔离桩顶升法

针对城市轨道交通下穿铁路的研究很多，并取得了一定的成果：文献[1，2]对天津地铁6号线盾构下穿既有铁路进行数值分析，提出加强洞内注浆，调整施工工艺，采用旋喷桩加固及压密注浆加固对铁路路基进行处理等措施；文献[3]对南京地铁2号线盾构下穿宁芜铁路(路基、有砟轨道)进行全断面分区注浆及旋喷加固，并对轨道结构架设D型便梁进行防护；文献[4]从施工角度对盾构下穿高速铁路的掘进参数控制、监测以及管理进行研究；文献[5]对软土地区盾构隧道下穿铁路的影响进行分析，结合现场实测数据，总结出软土地层盾构下穿铁路的变形规律；文献[6]以宁高城际盾构隧道下穿高铁桥梁为例，认为在岩层中盾构施工对高铁桥桩影响很小；文献[7]对卵石地层中盾构隧道下穿京沪高铁高架桥进行研究，确定防护措施以及盾构施工的土仓压力、出土量等施工参数；文献[8] 对沈阳地铁10号线盾构下穿既有桥梁群桩基础进行理论分析及数值模拟计算，提出采用扩大板基础托换方案；文献[9]利用有限元模拟对上海9号线下穿沪杭铁路地基加固的施工参数进行优化；文献[10]利用有限差分程序对南昌地铁1号线下穿京九铁路箱涵进行分析，建议检测框构桥底板脱空程度，及时进行注浆加固处理，以保证地铁隧道安全顺利穿过运营铁路桥；文献[11]介绍地铁采用“钻孔灌注桩+混凝土支撑+止水帷幕”支护体系下穿既有铁路。综上所述，目前对于盾构下穿铁路路基段或有砟道床的研究居多，通过轨道防护以及路基处理等手段可保证铁路运营安全；对于下穿高铁桥梁的研究仅有岩层中的宁高城际盾构下穿京沪高铁、卵石地层北京地铁盾构下穿京沪高铁的实例。以滨海淤泥质软塑地层盾构隧道下穿津秦客专高架桥为例，通过对各种加固方式进行研究，提出“盾构注浆加固+隔离桩”的方案，并采用桥梁 “顶升法”作为应急预案，可预防盾构下穿铁路施工中的各种风险。

1工程概况

天津滨海B1线盾构隧道下穿津秦客专高架桥，采用复合式土压平衡盾构机，盾构隧道内径5.9 m，外径6.6 m，分别从115号墩的两侧穿过，下穿处盾构隧道的覆土为6.2 m，盾构隧道与铁路夹角为80.01°和82.08°。为减小盾构施工对铁路桥的影响，盾构隧道位于两桥墩中间位置，与桥墩最小水平净距为9.7 m。盾构隧道下穿津秦客专高架桥的平面、剖面位置关系如图1、图2所示。

图1　盾构隧道与铁路桥平面(单位：m)

盾构隧道下穿处津秦客专高架桥为32.7 m跨预应力钢筋混凝土标准梁，采用群桩基础，桥墩埋深约3 m。每个桥墩的基本承载力为28 800 kN，每个桥墩下为8根直径1 m、长度为54 m的桩基，桩类型为摩擦桩。铁路桥下净高约5.5 m，满足小型机械施工空间。

图2　盾构隧道与铁路桥剖面(单位：m)

2工程地质情况

天津滨海地层为陆、海相交互沉积地层，主要以淤泥质黏性土为主，为软—流塑状态，具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高等不良工程特性。本工程土层主要由黏土、粉质黏土、粉砂、粉质黏土夹粉砂、粉砂夹粉质黏土、淤泥质粉质黏土等构成。其中盾构穿越土层为淤泥质粉质黏土及粉砂夹粉质黏土层。影响本工程的地下水为潜水，主要赋存于填土和浅层砂性土中，潜水水位埋深约为1.1 m。

各土层物理力学参数如表1所示。

表1　土层物理力学参数

3工程特点分析

3.1地质条件差

场地地貌属海积—冲积滨海平原，工程影响深度范围内主要由人工填土层，全新统陆相、海相交叠淤积层组成。其中⑥2层淤泥质粉质黏土(呈流塑状态，局部以淤泥为主)、第⑦层粉质黏土(呈流塑—软塑状态，局部含泥炭土)，具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高等特点，同时软土还有低渗透性、触变性和流变性等特点。盾构施工过程中地层的应力释放易造成土体位移，从而对铁路桥桥桩产生影响。

3.2无预留条件

客运专线行车速度高，对轨道变形要求极严，在铁路建设时没有预留穿越措施的状态下，一般不允许地铁隧道下穿施工。目前已实施的穿越高铁工程主要集中在高铁有砟轨道区段或者高铁施工时已经预留下穿条件的区段，如北京地铁14号线盾构隧道下穿京津城际铁路段(有砟路基)，天津地铁5号线下穿京津城际延长线(有砟路基，城际施工时在盾构穿越区段的两端设置桩基础及托梁)。目前，国内在陆、海相交替沉积软土地层下穿无预留条件的无砟高速铁路尚无先例。

3.3沉降控制指标严格

津秦客专设计最高时速为300 km/h，要求线路具有较高的平顺性和稳定性，两桥墩之间的差异沉降不得大于5 mm。盾构隧道在施工过程中会引起地层损失，造成桩基沉降和桥梁变形，进而导致轨道不平顺，影响轨道结构的稳定性。

4设计方案

4.1设计思路

根据国内盾构隧道下穿高等级铁路桥梁的调研结果，结合本工程软塑地层的特殊性，按照本工程附加措施的多少，依次研究以下方案：①盾构隧道正常施工状态下对桥梁的影响(方案一)；②采用盾构隧道洞内注浆加固的条件下对桥梁的影响(方案二)；③在方案二的基础上，增加盾构隧道两侧“隔离防护桩+横向板撑”的条件下对桥梁的影响(方案三)；根据研究结果选择合理的加固措施，确保对桥桩的影响控制在允许范围内。

4.2数值模拟及计算结果

为研究盾构隧道施工对铁路桥梁的影响，采用MIDAS GTS有限元计算软件建模，对盾构施工过程进行三维数值模拟分析。计算模型宽度方向取210 m，深度方向取120 m，沿隧道方向取50 m；隧道围岩本构模型采用摩尔-库伦模型，考虑围岩的非线性变形。桥梁桩基、隔离桩按照桩单元建模，考虑其与土体之间的摩阻力；管片结构采用弹塑性各向同性的直梁材料模拟(如图3所示)。桥梁地上部分结构采用集中荷载替代，并施加在承台顶部，盾构隧道施工顺序为先施工完成左线，后施工右线。

由于刀盘与盾壳之间、盾壳与管片之间存在空隙，管片脱尾后同步注浆浆液硬化存在时间差，因此在盾构掘进过程中存在一定的荷载释放，引起土体位移，影响津秦客专桥桩承载能力；在本计算模型中，将盾构开挖、管片支护、后期工序的应力释放系数设为0.3∶0.3∶0.4。

图3　计算模型(方案三)

隧道施工完成后地层竖向位移如图4～图6所示，并提取三个方案的沉降数据，得到如图7所示的地表沉降曲线及表2所示的桥桩桩顶沉降情况。

图4　方案一施工完成后地层竖向位移云图

图5　方案二施工完成后地层竖向位移云图

图6　方案三施工完成后地层竖向位移云图

图7　三个方案地表沉降曲线

方案方案一方案二方案三桥桩最大沉降/mm13.28.63.5

数据显示，采用隔离桩效果比较明显，方案三中桥桩沉降为3.5 mm，能满足对铁路运营的保护要求。

4.3设计方案

分析盾构施工中各阶段引起的地层沉降，重视刀盘与盾体、盾体与管片之间的空隙，可采用如“克泥效”等盾构施工辅助材料，以减少盾构挖掘面的沉降；采用加大同步注浆量以减少盾构通过时的沉降[12]；采用加强二次注浆以减少后期沉降。

(1)加大盾构同步注浆量，填充系数不小于2.0；浆液采用速凝、快硬、后期不发生降解的注浆材料。

(2)根据计算结果，需采用“盾构隧道洞内二次注浆+隔离桩方案”。盾构洞内二次注浆采用2.0 m长导管，浆液采用超细水泥-水玻璃，注浆压力0.3～0.6 MPa。为达到二次注浆效果，此处管片采用特殊设计，每环管片预留20个注浆孔。

(3)“隔离桩+水平板撑”的隔离方案平面布置如图8、图9所示。

图8　加固措施平面布置(单位：m)

图9　加固措施剖面(单位：m)

(4)盾构隧道施工过程控制尤为重要。在盾构穿越铁路桥前要做试验段，通过试验段优化并最终确定施工控制参数，如土压力、出土量、浆液配合比、注浆量及注浆压力等。

(5)在施工过程中采用自动监控系统，观测点在施工期间可达到每15 min一次的监测频率，施工监测工作应延续至施工结束三个月后或变形稳定后停止。

5顶升法

顶升法的主要思路为：在桥墩位置架立钢管柱，并在柱顶部设置操作平台，将千斤顶架立在平台与桥梁之间，当桥梁的沉降超过其允许限值，可利用千斤顶及时将桥梁顶升，并调整桥梁支座，达到不影响桥梁安全及运营的目的。顶升法一般用于桥梁保护的应急预案，已成功应用于北京地铁穿越花园桥、广安门桥等工程中(如图10所示)。