TBM盾构下穿杭深铁路高架桥梁施工的加固方案研究
时间：2023-06-13 08:30:33 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
邹振兴
（福州地铁集团有限公司，福州 350000）
随着城市化规模与交通网的扩大，盾构法施工技术在城市地铁的建设当中应用已屡见不鲜。此外，TBM盾构从既有铁路工程下方穿越的案例同样也不断增多。因TBM盾构掘进将毫无疑问地使临近既有铁路桥梁周边土体扰动变形，进而导致铁路桥梁桩基、桥墩和桥台隆起或沉降。一旦TBM盾构施工引起的铁路桥梁桩基、桥墩和桥台等变形超过其承载极限，将引发铁路轨道结构发生扭转、弯曲变形等后果，对既有铁路的安全和运营带来重大安全隐患，严重情况下将引发列车脱轨、人员伤亡等重大安全事故[1-3]。
新建滨海快线（下称F1线）枕峰山隧道位于F1线祥谦站—首占站区间，为双洞隧道，现阶段设计时速为140 km/h，远期预留160 km/h提速空间。枕峰山隧道左右线隧道长度分别为1 525.175 m、1 528.573 m。隧道采用单向上坡，坡度为22.7‰，共设置2处联络通道。隧道主要采用TBM法施工，洞口局部地段采用铣挖法、矿山法施工。
杭深铁路在我国属于国铁Ⅰ级双线电气化铁路干线，设计时速为250 km/h，采用碎石道床。隧道下穿其桥梁段，临近桥墩基础为直径1.5 m灌注桩，桩底标高为3.641 m。桩基础与隧道水平间距约为6.805 m；
承台顶部标高为21.190 m，杭深铁路高架桥桥面标高35.483 m。两者位置关系如图1所示。
图1 F1枕峰山隧道与杭深铁路高架桥平面位置关系图
隧道采用2台TBM盾构施工，隧道平面整体呈东西走向下穿杭深铁路大顶山大桥，交角约79°，交叉段快线区间左线里程为ZDK27+101.847～ZDK27+145.923，右线里程为YDK27+107.623～YDK27+145.923。下 穿 处 铁 路 里 程 桩 号 为：K889+606.743～K889+766.743（1～3号墩）。区间左线隧道与杭深铁路1#桥墩桩基水平净距约为54.38 m，与杭深铁路2#桥墩桩基水平净距约为6.06 m；
右线隧道与杭深铁路2#桥墩桩基水平净距约为9.22 m，2#桥墩桥下净空约7 m，与杭深铁路3#桥墩桩基水平净距约为48.85 m，区间隧道结构顶部与地面竖向净距约10.27 m。
TBM盾构侧穿杭深铁路铁路桥桩基，桩基础与隧道水平最小间距约为6.06 m，若施工过程操作不当，有可能对桩基周围土体产生扰动，打破原有桩基与土体的受力状态，在桩基与土体重新建立一个新的受力平衡状态时，桩基可能会有细微的位移，进而影响杭深铁路的正常运行。因此，结合本工程案例的实际情况，提出袖阀管+钢花管注浆、隔离桩加固及袖阀管注浆+钢花管注浆+隔离桩3种加固方案。
3.1 袖阀管+钢花管注浆加固方案
为降低区间盾构施工过程中对杭深铁路线的影响，核心穿越区域采用垂直及水平注浆加固，隧道范围内采用袖阀管+钢花管注浆加固，采用间距1 m×1 m梅花形布置；
隧道范围1 m外采用钢花管注浆加固，采用间距2 m×2 m梅花形布置。平面加固范围为隧道两侧5 m，剖面加固范围上至隧道以上5 m，下至中风化岩层。加固体无侧限抗压强度大于0.8 MPa。注浆管管径为89 mm，壁厚4.5 mm，注浆材料采用普通硅酸盐单液浆，水灰比1∶1，注浆压力为0.5～2.0 MPa。如图2所示。
图2 注浆加固平面布置图
3.2 隔离桩加固方案
为降低区间TBM盾构施工过程中对杭深铁路线的影响，于既有杭深铁路大顶山铁路桥2#桥墩四周设置隔离桩进行保护。隔离桩与杭深铁路线大顶山铁路桥2#桥墩桩心最小水平净距5.36 m，采用人工挖孔灌注桩，共70根，桩径为φ1 000 mm@1 500 mm，桩长以进入中风化岩不小于1 m控制，且不得小于6 m，挖孔桩孔径1.3 m，经计算，孔深6.8～15.4 m不等，钢筋笼最长15.2 m，质量为0.908 t，设计混凝土总量为519.1 m3，混凝土强度为C30，抗渗等级为P6。人工挖孔桩顶部由冠梁连接整体，桩头钢筋锚入冠梁内，冠梁设计尺寸1.1 m（宽）×0.8 m（高），总长107 m，顶标高与杭深铁路大顶山铁路桥2#墩承台顶平齐。
首根桩基开挖选择有代表性的地层，并抽取10根桩进行试桩，以保证干作业的环境。此外，选3根桩进行效果检测，检测合格后再进行下一步大面积施工；
同时，严格根据规范和设计图纸要求采用分级分层开挖，开挖一层支护一层，每层层高不超过1 m，且必须待上层护壁达到一定强度后方可开挖下层，如图3所示。
图3 人工挖孔桩平面布置图
3.3 组合加固方案
为降低区间TBM盾构施工过程中对杭深铁路的影响，采用方案一+方案二组合方式，即核心穿越区域隧道范围内采用袖阀管+钢花管注浆加固，以及在既有杭深铁路大顶山铁路桥2#桥墩四周设置隔离桩进行保护。
根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》标准和相关规范，结合《F1线祥谦站—首站站区间TBM隧道段》设计说明，并根据南昌路局辖区的城际铁路穿越铁路相关经验，此次评估采用的变形控制标准如下：桥梁周边地表沉降：控制值隆起+10 mm，沉降-20 mm；
桥梁墩顶结构沉降：3 mm；
相邻墩台差异沉降：2 mm；
桥墩水平位移：3 mm；
桥墩纵向位移：3 mm。
5.1 计算模型
F1线枕峰山隧道和杭深铁路高架桥相互关系及计算模型如图4所示。
图4 F1枕峰山隧道和杭深铁路高架桥相互关系及计算模型
5.2 参数选取
根据地勘报告中的地质参数及TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》，并参考类似工程，进行了力学计算参数的取值。各层厚度根据地质纵断面图选取，具体参数见表1。
表1 相关材料力学参数
5.3 模拟过程
按“右线TBM隧道先施工、左线TBM隧道后施工且右线隧道领先左线隧道不少于100 m”的原则对左、右线隧道TBM掘进施工对杭深铁路高架桥梁的影响进行了连续的数值仿真模拟，并着重对以下5种工况进行研究分析。
工况一：右线TBM掘进到达杭深铁路高架桥前方；
工况二：右线TBM掘进穿过杭深铁路高架桥；
工况三：右线TBM掘进到达杭深铁路高架桥，左线完全通过；
工况四：左线隧道掘进穿过杭深铁路高架桥；
工况五：左线隧道完全通过。
5.4 计算结果与分析
5.4.1 地层位移分析
在F1枕峰山隧道左右线TBM施工过程中，各方案地层竖向位移、水平位移和纵向位移最大值如图5所示。可知，在无加固措施的情况下，隆起、沉降位移值均超过控制值（隆起+10 mm，沉降-20 mm），不符合要求。此外，方案一、方案二和方案三均在控制值以内，方案二比方案一对土层沉降控制效果好，但方案一比方案二对土层隆起控制效果优，且两者均临近控制值。可见，两种单独方案虽有一定效果，但均不建议推荐。
图5 土层最大位移图
最为理想的是方案三，可知随着枕峰山隧道TBM掘进施工的进行，土层竖向位移处于一个不断递增的过程，当隧道开挖结束时，应力释放到稳定阶段，出现了开挖面最大竖向沉降为2.889 mm，最大隆起为2.570 mm；
土体会产生水平方向的位移，最大水平位移1.820 mm；
周围的土体会产生轴向方向的位移，最大水平位移1.878 mm。因此，方案三对土层位移控制甚好，为本次工程优选推荐方案。
5.4.2 杭深铁路高架桥桥墩位移分析
在F1枕峰山隧道左右线TBM施工过程中，各方案桥墩竖向位移、水平位移、纵向位移和相邻墩台差异最大值如图6所示。可知，在无加固措施的情况下，桥墩水平和纵向位移未超过控制值（3 mm），符合要求，但桥梁墩顶结构、相邻墩台差异位移值均超过控制值（-3 mm，-2 mm），不符合要求。此外，方案一、方案二和方案三均在控制值以内，但方案二比方案一对墩顶结构、相邻墩台差异位移控制效果好，且两者相邻墩台差异沉降均临近控制值。考虑到工程的复杂性及施工精度等实际情况，为保证工程安全，两种单独方案均不建议推荐。
图6 桥墩最大位移图
最为理想的是方案三，可知，桥梁墩顶结构最大沉降为1.733 mm，符合桥梁墩顶结构沉降小于3 mm的控制要求；
相邻墩台差异最大为1.26 mm，符合相邻墩台差异沉降小于2 mm的控制要求；
各墩台顶部水平位移最大值为0.392 mm，符合桥墩水平位移小于3 mm的控制要求；
各墩台顶部纵向位移最大值为0.078 mm，符合桥墩纵向位移小于3 mm的控制要求。因此，方案三对杭深铁路高架桥桥墩位移控制甚好，为本次工程优选推荐方案。
5.4.3 杭深铁路高架桥桥桩受力分析
通过计算分析，随着F1枕峰山隧道TBM盾构掘进的进行，各方案应力最大变幅如图7所示。可知，杭深铁路既有高架桥桩的轴力处于一个不断变化的过程，无加固措施情况下轴力变化幅度最大，其次是方案一和方案二。考虑到工程的复杂性及施工精度等实际情况，为保证工程安全，两种单独方案均不建议推荐。
图7 桥墩受力最大变幅图（单位：mm）
方案三桥墩产生的最大轴力为678.8 kN，桥墩轴力变化幅度较小，几乎没有变化。高架桥桩的剪力也处于一个不断变化的过程，无加固措施情况下剪力变化幅度最大，其次是方案一和方案二，方案三桥墩产生的最大剪力为151.64 kN，桥墩剪力变化幅度较小，几乎没有变化。此外，杭深铁路桥桩的弯矩一样处于一个不断变化的过程，无加固措施情况下弯矩变化幅度最大，其次是方案一和方案二，方案三桥墩产生的最大弯矩为454.93 kN·m，桥墩弯矩变化幅度较小，几乎没有变化。
本文以枕峰山隧道TBM下穿杭深高铁高架桥梁施工为工程背景，分析所采取的不同措施的加固效果，主要结论为：
1）TBM盾构下穿铁路高架桥梁提出3种施工加固方案，分别对方案一：袖阀管+钢花管注浆加固；
方案二：隔离桩加固方案；
方案三：袖阀管+钢花管注浆加固+隔离桩预加固方案的设计做详细介绍，并对既有桥墩结构受力变形影响及桥梁周边地表沉降变化进行分析。
2）利用MIDAS/GTS软件进行三维模拟，分析3种加固方案的加固效果，计算结果表明单独采用袖阀管+钢花管注浆加固方案和单独采用隔离桩的加固效果有限；
同时设置袖阀管+钢花管注浆加固和隔离桩的加固方案能很好地控制周边地表沉降、桥墩竖向沉降、水平位移、纵向位移及墩台的差异沉降，加固效果较好，本工程推荐该加固方案。
3）综合考虑现场的具体情况、现场施工条件、工程地质条件及作业空间等因素，并结合杭深铁路大顶山特点，明确施工工艺试验、过程控制要点和监控量测的要求，制定切实可行的施工措施，合理安排施工进度，可以对本文提出的3种预加固方案在实际工程中灵活选用，确保桥梁安全。
猜你喜欢 高架桥桥墩盾构 某高架桥水上钻孔灌注桩施工及质量控制建材发展导向(2021年15期)2021-11-05水泥回填土技术在盾构出洞加固中的应用及改善方法建材发展导向(2021年11期)2021-07-28桥墩加固方案分析研究山东交通科技(2020年1期)2020-07-24基于ABAQUS自复位桥墩与现浇桥墩性能对比四川建材(2020年2期)2020-03-14新型盾构机刀圈用6Cr5Mo2V钢力学性能研究模具制造(2019年7期)2019-09-25福州高架桥上的“红色飘带”海峡姐妹(2019年5期)2019-06-18拆除高速路特别健康·上半月(2017年10期)2017-09-22小净距盾构隧道开挖相互影响分析中国工程咨询(2015年9期)2015-02-25低周反复荷载下高速铁路桥墩损伤评估中国铁道科学(2014年6期)2014-06-21桥墩附近流场分布及对通航船舶的影响中国航海(2014年1期)2014-05-09
