盾构穿越公铁立交桥施工技术

盾构穿越公铁立交桥施工技术

摘要：本文以宁波市轨道交通1号线泽民站～大卿桥站盾构区间为对象，详细介绍了盾构穿越铁路桥的技术要点和注意事项，有效控制地表和铁路桥轨面沉降，保证盾构顺利穿越，同时为类似工程提供施工参考。

关键词：盾构；穿越；铁路桥；沉降控制

中图分类号：u455.43文献标识码： a 文章编号：

0 引言

随着近几年地下工程建设的不断发展，国内外盾构施工技术已越来越成熟，盾构法施工在城市轨道交通建设中更显示出其优越性。但是，对于盾构施工过程中穿越铁路桥的施工还缺少相应的工程实例，经验相对也较少，施工过程中所面临的风险也越来越大。萧甬铁路公铁立交桥为宁波对外的主要交通干道，一旦盾构施工影响其正常运营，将造成难以估量的损失。因此，盾构施工中严格控制地表和铁路桥轨面沉降，是确保铁路桥正常运营和盾构顺利施工的重要保证。

1 工程概况

宁波市轨道交通1号线一期工程tj-ⅱ标位于宁波市海曙区，含三站三区间，标段全长约2.8公里。其中，【泽民站～大卿桥站】区间盾构须穿越萧甬铁路桥箱涵。

1.1 盾构筹划及穿越段基本情况

【泽民站～大卿桥站】区间线路沿中山西路自西向东布设，区

间线路在里程（右）k8+345.000（中心）处下穿萧甬公铁立交桥。

泽～大区间左、右线盾构均从泽民站东端头始发同向掘进，到达大卿桥站后站内转场，继续掘进下一区间。

本区间从泽民站东端头（右k7+919.438）始发至铁路桥中心里程（右k8+345.000）处距离约426米，盾构穿越时影响段距离始发端头约393～456米，328～381环为铁路桥影响范围，其中350～358环（右线351～359环）为铁路桥范围，见图1。

图1 【泽～大】盾构掘进顺序示意图

萧甬铁路桥桥体为三孔箱型框架结构，箱型结构高度7.4米，净空5米，三孔的宽度分别为8、16、8米，箱体长度为10米，基底预制方桩，满堂红布置，桩长度4米，见图2。

图2萧甬公铁立交桥

箱体上方为南北向的萧甬铁路，复线，线间距5米，下方为垂直相交的中山西路（双向5车道）。

盾构隧道沿中山西路布置，隧道顶部距桩底约8.5米，见图3。

图3桩基础与隧道位置关系

平面位置：中山西路立交桥中心里程位于萧甬铁路k144+852，其中心线与既有铁路法线交角为 10°25′36″（10.43°），见图4。

图4区间线路与铁路桥位置关系及周边情况

1.2穿越段工程水文、地质概况

穿越铁路桥处主要地层为③2层粉质粘土、④1-1层淤泥质粉质粘土、⑤1层硬土层，以上地层除⑤1硬土层外，均由流塑～软塑

状粘性土为主，较适宜盾构掘进，见图5。⑤1层掘进较困难，过程中需要添加泡沫剂进行改良，各地层特性见表1。

本段盾构掘进范围内无承压水。

表1穿越段地质特性表

层序地层名称层厚(m) 土层描述

③2 粉质粘土 0.8～4.2 灰色、流塑、厚层状构造，粘塑性中等，性质不均匀，夹粉土团块较多，韧性中等，干强度中等，无摇震反应。具高压缩性，物理力学性质较差。

④1-1 淤泥质粉质粘土 1.1～6.9 灰色、流塑、鳞片状构造，含粉团块，土质不均。韧性中等，干强度中等，无摇震反应。具高压缩性，物理力学性质差。

⑤1 粘土 1.7～11.6 灰绿色、灰黄色、可塑、局部硬塑，少数呈软塑状，厚层状构造，含铁锰质结核，韧性高，干强度高，无摇震反应，岩性以粉质粘土为主，局部为粘土。具中等压缩性，物理力学性质较好。

图5穿越段地质情况

2 盾构施工对铁路桥影响预测

2.1 地层横向位移预测

利用peck公式（peck，1969）和一系列修正的peck公式，peck 假定施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的，所以沉降槽体积等于地层损失的体积。地层损失在隧道长度上是均匀分布的。地面沉降的横向分布类似正态分布曲线，见图6。

图6沉降槽示意图

地面沉降横向分布计算：

式中: s(x)为距离隧道中心线处的地表沉降(m)；smax为隧道中心线处最大地面沉降(m)；x为距隧道中心线的距离(m)；i为沉降槽宽度系数(m)；vs为盾构隧道单位长度地层损失(m3/m)。

本标段盾构隧道外径为 6.2 m, 土内摩擦角取为 11.3°,隧道顶部覆土厚度有16.5m,运用peck公式计算可得沉降槽半宽

w/2=23.3m,地面沉降横向分布见图7。

图7地表沉降横向分布图

2.2 地面沉降预测

刘建航院士在 peck 法的基础上,提出了负地层损失概念,并将地层损失分成开挖面和盾尾后的地层损失两部分,得出了地面沉降量的纵向分布预测公式:

式中: s(y)为距原点距离 y 的地面沉降量, 负值为隆起量, 正值为沉降量(m)；vl1为盾构开挖面引起的地层损失,欠挖时为负值(m3/m) ；vl2为盾构开挖后, 以盾尾空隙压浆不足及盾构改变推进方向为主的所有施工因素引起的地层损失 (m3/m)。

随着盾构隧道的推进,地表沉降发展过程如图8、9所示。可知, 盾尾空隙沉降和长期延续沉降占总沉降的比例为 50%～80%。

图8地表沉降纵向分布图

图9隧道横向沉降模拟

2.3 铁路桥变形模拟

采用地层结构法，用ansys软件进行计算，以实体单元模拟土层，以壳模拟桩、管片以及箱涵的结构。对于土层与各结构之间的接触采用共用节点的方式进行模拟，对隧道上方的建筑物则通过估算建筑物荷载的方式，采用实体单元模拟其重力荷载作用。

对土层，采用mohr-coulomb本构关系进行模拟，对桩、管片、箱涵及建筑物则按照线弹性本构关系进行模拟。相关土层物理力学参数遵照岩土物理力学建议之表选取。

开挖的土体采用生死单元的模式进行模拟，即对目标单元的刚度矩阵乘以极小值，使其对系统刚度矩阵的贡献降到最低以模拟土体被开挖后的凌空效果。类似的对该部位的隧道管片则取消该极小值，恢复其对系统刚度矩阵的贡献以模拟隧道衬砌的支护。开挖期间由于超量出土及注浆不密实所带来的土层损失，以及地层变形所带来的应力释放则通过调整管片所在节点位置进行模拟。见图10、11。

图10计算模型

图11隧道贯通后地层沉降分布图

模拟分析表明左右线隧道贯通后铁路桥的结构变形较小而桩基处的地层变形较明显，证明盾构施工对铁路桥的影响不能忽略，但影响不是非常大，可通过盾构隧道施工时采取适当措施，如加密监测，结合监测成果实时调整刀盘转速、推力、出土量等盾构推进参数，加强同步及二次注浆等方式确保盾构的顺利通过。

2.4 铁路桥对地表变形适应能力评估