盾构隧道下穿既有铁路框架桥工程安全性分析

晏 成

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

随着我国轨道交通工程的迅速发展,地铁结构与周边建(构)筑物的相互影响将愈来愈成为工程施工中的重大风险源因素。结合天津地铁3号线下穿国铁陈塘庄支线工程,对新建地铁盾构隧道施工对既有铁路框架桥的影响进行分析预测,评估工程安全性,对施工中采用的工程措施及对策提出建议。

1 工程概况

1.1 既有地道桥情况

本工程位于天津市,国铁陈塘庄支线在K13+272附近呈西北—东南走向,现状为单线,预留复线条件。为实现迎水道下穿铁路立交,1998年修建(8-16-8)m顶进式3孔框架桥1座,框架上通行铁路、孔内通行机动车和非机动车。该桥投入使用情况良好,桥体结构工作正常。

1.2 地铁区间情况

天津地铁3号线华苑站—王顶堤站区间下穿国铁陈塘庄支线的基本情况。

(1)地铁区间西南—东北走向,基本在迎水道下顺行,区间长度约为895 m。

(2)区间采用盾构法施工,盾构机为单圆盾构机,盾构管片外径6.20 m,管片内径为5.50 m。

(3)盾构推进方向：右线自西南向东北,左线自东北向西南。

(4)盾构隧道与既有铁路框架桥的平面、横断面关系及地层特征钻孔资料见图1、图2。

图1 工程平面

1.3 工程地质及水文地质情况

(1)工程地质情况

盾构隧道主要穿越⑤1粉质黏土、⑥1粉质黏土及⑥2粉土层。⑤1、⑥1层位稳定,土层均匀,呈可塑～软塑状态；⑥2层位稳定,土层均匀。地层物理参数见表1。

表1 地层物理参数

(2)水文地质情况

场地地下水类型为第四系孔隙潜水,赋存于黏性土、粉土及砂类土中。潜水地下水位埋藏较浅,水位埋深约为0.3～3.0 m。潜水主要依靠大气降水和地表水体入渗补给,水位具有明显的丰、枯水期变化,受季节影响明显。

图2 盾构隧道与既有框架桥横断面(单位:mm)

2 地铁施工中主要风险及机理分析

2.1 工程风险分析

(1)地铁隧道施工会引起地层的应力释放,导致地层松弛、沉降,由此导致框架桥产生沉降或倾斜(包括整体沉降和基础的差异沉降)以及在构件节点处形成转角。

(2)沉降和倾斜将产生既有结构的附加荷载,引起框架桥本体的应力重新分布,当应力大于既有结构的应力时,将形成裂缝的扩展,危及结构安全和耐久性。

(3)框架桥产生新的沉降后,对列车运营安全产生一定的影响。

(4)地铁盾构施工过程中,铁路列车通过时产生较大附加荷载,将对地层产生再次扰动,影响盾构施工的安全。

(5)左、右线隧道2次通过地道桥,造成地层多次应力重分布,对既有结构耐久性产生影响。

2.2 盾构施工引起地层变形机理分析

(1)盾构施工引起地层变形的特征

根据对地层大量实测资料的分析,按地层沉降曲线的变化情况,地层变形大致可分为5个阶段：盾构到达前的变形、盾构到达时的地面变形、盾构通过时的地面变形、盾构通过后的盾尾空隙沉降及地层后期固结变形。

(2)盾构施工引起地层变形的因素

①开挖面土体移动。这主要是由于盾构机具推进时,推进参数(如推进速度、正面土压力、出土速度、盾构总推力等)匹配不合理。盾构掘进时,如果出土速度过快而推进速度跟不上,开挖面土体则可能出现松动和崩塌,破坏了原来土层应力平衡状态,导致地层隆起或沉降。盾构机的后退也可能使开挖面塌落松动引起地层沉降。

②盾构严重超挖(欠挖)引起的地面沉降(隆起)。

③注浆量不足或注浆不及时,使土体挤入盾尾空隙,引起地面沉降。

④盾构推进方向的改变、盾尾纠偏、仰头推进、曲线推进都会使实际开挖面形状偏大于设计开挖面,引起地层损失。

⑤盾构施工对地层产生扰动,使地层次固结沉降持续较长时间,引起较大沉降。

⑥由于盾构隧道下穿铁路,铁路列车荷载及冲击荷载也可能使地层产生较大的变形；同时列车通过时会对地层产生较大的扰动,会使变形进一步加大,对变形控制产生显著影响。

3 沉降数值计算及内力分析

3.1 分析计算的思路及原则

(1)采用连续介质模型,模拟盾构2次穿越框架桥基础的情况,分析盾构通过后地层沉降变化,以及框架桥的变形(沉降或倾斜)。

(2)结合框架桥使用阶段的各种作用,考虑因框架桥的变形造成的附加应力,计算构件的总应力,检算框架桥各构件的强度、裂缝控制等参数。

(3)结合既有桥检测的情况,分析桥体的安全状况,提出必要的工程措施。

3.2 连续介质模型计算地层变形、结构位移

(1)计算模型

计算采用MIDAS/GTS软件建立二维“地层-结构”模型。模型分析区域为：水平方向-52～+52 m,垂直方向+6.9～-27.50 m,其中(0,0)点位于中跨底板跨中底部。分析计算模型如图3所示。

图3 计算模型

(2)计算采用的荷载简图如图4所示。

图7 荷载计算简图

图4 荷载计算简图

(3)盾构通过后框架桥位移

①右线、左线通过框架桥地层变形云图见图5、图6。

图5 右线通过框架桥地层变形云图

图6 左线通过框架桥地层变形云图

②盾构通过后框架桥基础沉降统计见表2。

(4)框架桥沉降反应分析

①盾构右线(第1次)通过框架桥区域,最大沉降为19.5 mm(位于框架左侧边墙和底板角隅处),最小沉降为6.9 mm(位于框架右侧边墙和底板角隅处),差异沉降12.6 mm。

表2 框架桥基础沉降统计 mm

②盾构左线(第2次)通过框架桥区域,最大沉降为21.0 mm(位于框架左侧边墙和底板角隅处),最小沉降为12.0 mm(位于框架右侧边墙和底板角隅处),差异沉降9.0 mm。

③两侧施工过程,底板沉降比较均匀,没有突变点。

④第2次通过地道桥区域后桥梁基础沉降得到协调,差异沉降变小。

3.3 “荷载-结构”模型分析结构受力

(1)计算模型

计算采用SAP软件建立“荷载-结构”模型。框架桥基础按照弹性地基梁考虑,依据地层参数将基底、侧墙的地层约束转化为“土弹簧”。

各构件空间位置以轴线简化,纵向取1.0 m进行计算,断面参数按照框架桥实际构件尺寸选取。

(2)荷载

①荷载简图如图7所示。

②荷载组合取最不利的工况组合,其中强制位移为盾构通过后的工况。

(3)截面强度验算

①控制截面如图8所示。

图8 控制截面示意

②控制截面内力计算结果见表3。

③控制截面验算结果见表4。

表3 控制截面内力计算

表4 控制截面验算结果 MPa

④经验算,各关键构件的抗弯、抗拉、抗压、抗剪指标均满足强度指标。

4 安全性分析及工程措施对策

4.1 既有框架桥安全评价及抗力储备

(1)依据既有框架桥检定报告,目前结构状态良好。

(2)既有框架桥具有一定的结构抗力储备,在盾构正常施工,地层稳定的条件下,能够满足盾构下穿过程中、通过后的结构安全。

4.2 盾构通过框架桥区域的可行性及控制指标

(1)盾构技术目前已成为构筑地铁区间隧道的主要施工方法,适用地层范围宽,安全、可控性强。本工程的地质条件比较稳定,适合盾构施工。

(2)为保证施工中的可控性,并考虑铁路工务的可操作性,应设定盾构施工过程中、通过后的框架桥沉降及差异沉降限值,依据工程经验和计算分析,建议绝对沉降最大限值为18 mm,差异沉降最大限值为10 mm。

(3)尚应控制各指标的变化速率不应过大,各指标应变化平稳。框架桥沉降速率应≤1 mm/d。

4.3 施工过程控制

为保证在盾构施工过程中铁路的正常运营,应确定合理的盾构施工参数,采用同步注浆及二次注浆技术,加强监控量测,建立“数据收集-信息处理-工程评价反馈”系统,发现危险征兆且难以控制时,应立即启动应急预案。

4.4 后期处理措施

(1)地铁施工完成后至少3个月内,仍应保持监测；确定地层变形收敛完成后,方可解除监测,否则应延续监测并采取措施。

(2)地铁施工完成后,应结合监测情况,对线路下的道砟进行调整,保证线路的平顺。

(3)根据监测情况,必要时进行洞内二次注浆或对框架桥进行注浆加固。

(4)地铁施工完成后,应对铁路框架桥再行检定,比照前后检定指标,必要时进行系统加固,以确保既有铁路框架桥运营安全。

5 结语

(1)采用盾构法下穿铁路框架桥时,为保证既有构筑物安全,需制定合理的变形控制指标及盾构推进参数。

(2)本文得出的框架桥沉降及差异沉降限值对类似的工程具有借鉴意义。

[1] 中华人民共和国建设部,国家质量监督检验检疫总局.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2002．

[2] 中华人民共和国铁道部.铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005．

[3] 李世华.道路桥梁维修技术手册 [M].北京：中国建筑工业出版社,2003．

[4] 张凤祥，等.盾构隧道 [M].北京：人民交通出版社,2004．

[5] 何 川,曾东洋.盾构隧道结构设计及施工对环境的影响 [M].成都：西南交通大学出版社,2007．

[6] 徐永福.盾构推进引起地面变形的分析 [J].地下工程与隧道,2000(1)．

[7] 郑向红.盾构隧道下穿既有城市铁路施工技术 [J].铁道标准设计,2008(12).