盾构区间下穿铁路框架桥的加固方案研究

刘京

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 工程概况

昆明市轨道交通5号线五华体育馆站～青少年宫站盾构区间右、左线 YDK10+358～YDK10+400（ZDK10+352～ZDK10+394）段落以 90°角度下穿成昆铁路框架桥，相对位置关系如图1所示[1]。

图1 平面相对位置关系

盾构区间位于框架桥底板下方约10m，如图2所示。区间采用土压平衡盾构法施工，管片采用C50混凝土，内径为5.5m，厚度为0.35m，外径为6.2m，管片宽度为1.2m，管片构造分块数为6块。

图2 纵断面相对位置关系

成昆铁路滇池路框架桥横向四跨，总跨度为53.2m，沿滇池路纵向长度21.7m。根据铁路框架桥竣工图，纵向分两段（17.8m+3.9m）建设完成。

图3 第一段框架桥与区间相对位置关系

图4 第二段框架桥与区间相对位置关系

第一段：长度为17.8m，顶板及底板环向受力主筋为φ32钢筋，侧墙及中隔墙环向受力主筋为φ28钢筋。地基采用13m旋喷桩处理。

第二段：长度为3.9m，为后期扩建段。顶板、底板、侧墙及中隔墙环向受力主筋均为φ25与φ22钢筋。地基采用23m旋喷桩处理。

本项目所处地底层岩性主要为：

（1）2层素填土：杂色，灰褐色，松散～稍密，稍湿～潮湿，主要成份为粉质黏土、泥炭质土及建筑垃圾，层厚3.7～9.50m，平均厚度6.30m。

（2）3-3层粉质黏土：灰褐色，可塑，土质较均匀，黏性一般，中等压缩性土；呈透镜状分布，层厚1.10～19.50m，平均厚度6.26m，层面埋深3.0～19.5m；基本承载力σo=100kPa。

（2）4-4层黏质粉土：灰色、灰褐色，密实，潮湿，主要成份以粉粒为主，含少量黏土；呈透镜状分布，层厚1.60～7.60m，平均厚度4.60m，层面埋深5.50～13.40m；基本承载力σo=150kPa。

（3）4-2层粉砂：灰色、青灰色，稍密，饱和，主要成份以石英、云母为主，含少量黏土；层厚1.50～10.40m，平均厚度4.69m，层面埋深11.80～24.80m。

2 理论分析

针对滇池路框架桥这种涵洞构筑物，区间盾构隧道的修建主要影响其结构的基础安全。当拟建地下线临近既有构筑物的基础修建时，由于盾构施工影响地层的应力和变形，必将导致地表发生沉降和隆起。地表变形在三维上表现为一个凹槽，而在隧道横截面上，稳定后的沉降曲线为一个类似于正态分布的Ganss曲线[2]，如图5所示。

图5 沉降槽曲线

2.1 影响范围分析

根据弹性力学理论，在地层中开挖圆形洞室，周边围岩的应力重分布范围一般为3倍洞径，因此，区间的影响范围约为3D（D：开挖洞径）。

图6 隧道影响范围

五青区间与成昆铁路滇池路框架桥的相对位置关系如图6所示。可以看出两洞室同时都对既有铁路框架桥存在一定影响。

2.2 近接度分析

判断洞室开挖卸载对既有建筑基础的影响程度，我们通常根据构筑物基础与新建隧道的位置关系采用近接度进行划分：对于3倍D范围以内的构筑物浅基础可为三个等级，如图7、表1所示。

图7 近接度划分区域

表1 近接施工分类表[4]

根据五青区间与成昆铁路滇池路框架桥的相对位置关系进行判定，如图8所示。

图8 盾构隧道近接区域

区间左右线均位于区域Ⅲ，近接度等级为3，属于应采取措施范围，以保证上方铁路轨道的平顺，确保成昆线昆明枢纽段的安全运营。针对此下穿段落，由于地表为市政主干道，地表处理措施对交通影响较大，经过分析后，方案建议主要采取“洞内注浆”以控制框架结构基础的沉降变形，并对此进行了数值验算。

3 数值试验分析

针对洞内注浆的加固措施，在进行数值分析时，本文分别对比研究了“半断面注浆”和“全断面注浆”两种注浆方案的数值计算结果。

3.1 模型的建立

根据区间与铁路框架桥的相对位置关系建立数值模型。盾构区间外径约为6.2m，考虑到隧道的影响范围一般为3～5倍洞径同时，区间右线往右取25m，区间左线往左取50m，模型横向尺寸约94m，如图9～图10所示。

3.2 既有框架桥的位移对比分析

盾构法施工由于地层损失所造成的地表变形通常以竖向沉降为主，其水平向变形一般比竖向变形小1～2个数量级，其影响一般可忽略。两种注浆方案下框架结构的竖向位移如图11～图14所示。

由图11～图14可以看出：受隧道开挖卸载的影响，框架结构竖向变形主要集中发生在右侧两跨框架，其余区域的竖向变形较小。

图9 半断面注浆方案数值模型

图10 全断面注浆方案数值模型

图11 半断面注浆措施框架结构变形

图12 半断面注浆措施结构基础底板位移线

图13 全断面注浆措施框架结构变形

图14 全断面注浆措施结构基础底板位移线

由图11～图14可以看出：两种注浆加固方案下，框架结构的沉降变形均主要发生在右侧两跨的中隔墙位置，框架结构整体倾斜十分微小约为0.1‰。当采用半断面注浆方案时，结构底板的最大沉降变形约为6.34mm，相邻两中隔墙的最大差异沉降约为2.6mm。

可以看出，采用全断面注浆方案时，底板的最大沉降比采用半断面注浆方案时减少约24.6%。

3.3 既有框架桥的内力对比分析（见图15～图18）

由图15～图18可以看出：两种加固措施引起的既有结构内力变化差异很小。根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》和《铁路隧道设计规范》相关规定，并结合上图内力数值计算结果进行计算：

图15 半断面注浆措施框架结构轴力

图16 半断面注浆措施框架结构弯矩

图17 全断面注浆措施框架结构轴力

图18 全断面注浆措施框架结构弯矩

两种加固措施引起的既有结构的安全系数及裂缝计算结果如表2、表3所示。

由表2、表3可以看出，两种加固措施下，框架桥各特征点安全系数比较接近且均满足规范的要求，混凝土的裂缝宽度也小于0.2mm。说明两种方案引起的结构内力变化情况均相对较小。

4 结论

（1）盾构区间穿越滇池路框架桥期间，由于地层的扰动，框架结构会产生一定程度的变形，但由于昆明枢纽滇池路框架桥在建设初期已经进行过地基加固处理，盾构通过处，地层的刚度本身较大。

表2 半断面注浆措施框架结构裂缝及安全系数

表3 全断面注浆措施框架结构裂缝及安全系数

（2）理论分析结果表明：区间左右线与既有框架结构基础的近接度等级均为3级，属于需采取措施范围。其中，隧道正上方两跨中隔墙区域处于两盾构隧道双重影响范围，此处存在一定的风险。

（3）根据铁路桥涵设计规范及地铁工程监控量测技术规程一般要求，框架结构的整体沉降控制标准值一般为15～20mm，相邻墩台差异沉降控制值一般可取2mm。数值分析结果显示：采取上半断面注浆措施时，框架结构底板最大沉降变形约为6.34mm，小于结构整体沉降变形控制标准值。

（4）内力数值计算结果表明：两种注浆加固方案下，框架结构各特征点的安全系数均及裂缝宽度均满足安全要求，说明采用盾构法施工下穿既有框架桥引起的结构内力变化情况相对较小，一般并不会造成既有结构强度上较大的降低。