盾構隧道下穿既有鐵路框架橋工程安全性分析

晏 成

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

隨著我國軌道交通工程的迅速發展,地鐵結構與周邊建(構)筑物的相互影響將愈來愈成為工程施工中的重大風險源因素。結合天津地鐵3號線下穿國鐵陳塘莊支線工程,對新建地鐵盾構隧道施工對既有鐵路框架橋的影響進行分析預測,評估工程安全性,對施工中采用的工程措施及對策提出建議。

1 工程概況

1.1 既有地道橋情況

本工程位于天津市,國鐵陳塘莊支線在K13+272附近呈西北—東南走向,現狀為單線,預留復線條件。為實現迎水道下穿鐵路立交,1998年修建(8-16-8)m頂進式3孔框架橋1座,框架上通行鐵路、孔內通行機動車和非機動車。該橋投入使用情況良好,橋體結構工作正常。

1.2 地鐵區間情況

天津地鐵3號線華苑站—王頂堤站區間下穿國鐵陳塘莊支線的基本情況。

(1)地鐵區間西南—東北走向,基本在迎水道下順行,區間長度約為895 m。

(2)區間采用盾構法施工,盾構機為單圓盾構機,盾構管片外徑6.20 m,管片內徑為5.50 m。

(3)盾構推進方向：右線自西南向東北,左線自東北向西南。

(4)盾構隧道與既有鐵路框架橋的平面、橫斷面關系及地層特征鉆孔資料見圖1、圖2。

圖1 工程平面

1.3 工程地質及水文地質情況

(1)工程地質情況

盾構隧道主要穿越⑤1粉質黏土、⑥1粉質黏土及⑥2粉土層。⑤1、⑥1層位穩定,土層均勻,呈可塑～軟塑狀態；⑥2層位穩定,土層均勻。地層物理參數見表1。

表1 地層物理參數

(2)水文地質情況

場地地下水類型為第四系孔隙潛水,賦存于黏性土、粉土及砂類土中。潛水地下水位埋藏較淺,水位埋深約為0.3～3.0 m。潛水主要依靠大氣降水和地表水體入滲補給,水位具有明顯的豐、枯水期變化,受季節影響明顯。

圖2 盾構隧道與既有框架橋橫斷面(單位:mm)

2 地鐵施工中主要風險及機理分析

2.1 工程風險分析

(1)地鐵隧道施工會引起地層的應力釋放,導致地層松弛、沉降,由此導致框架橋產生沉降或傾斜(包括整體沉降和基礎的差異沉降)以及在構件節點處形成轉角。

(2)沉降和傾斜將產生既有結構的附加荷載,引起框架橋本體的應力重新分布,當應力大于既有結構的應力時,將形成裂縫的擴展,危及結構安全和耐久性。

(3)框架橋產生新的沉降后,對列車運營安全產生一定的影響。

(4)地鐵盾構施工過程中,鐵路列車通過時產生較大附加荷載,將對地層產生再次擾動,影響盾構施工的安全。

(5)左、右線隧道2次通過地道橋,造成地層多次應力重分布,對既有結構耐久性產生影響。

2.2 盾構施工引起地層變形機理分析

(1)盾構施工引起地層變形的特征

根據對地層大量實測資料的分析,按地層沉降曲線的變化情況,地層變形大致可分為5個階段：盾構到達前的變形、盾構到達時的地面變形、盾構通過時的地面變形、盾構通過后的盾尾空隙沉降及地層后期固結變形。

(2)盾構施工引起地層變形的因素

①開挖面土體移動。這主要是由于盾構機具推進時,推進參數(如推進速度、正面土壓力、出土速度、盾構總推力等)匹配不合理。盾構掘進時,如果出土速度過快而推進速度跟不上,開挖面土體則可能出現松動和崩塌,破壞了原來土層應力平衡狀態,導致地層隆起或沉降。盾構機的后退也可能使開挖面塌落松動引起地層沉降。

②盾構嚴重超挖(欠挖)引起的地面沉降(隆起)。

③注漿量不足或注漿不及時,使土體擠入盾尾空隙,引起地面沉降。

④盾構推進方向的改變、盾尾糾偏、仰頭推進、曲線推進都會使實際開挖面形狀偏大于設計開挖面,引起地層損失。

⑤盾構施工對地層產生擾動,使地層次固結沉降持續較長時間,引起較大沉降。

⑥由于盾構隧道下穿鐵路,鐵路列車荷載及沖擊荷載也可能使地層產生較大的變形；同時列車通過時會對地層產生較大的擾動,會使變形進一步加大,對變形控制產生顯著影響。

3 沉降數值計算及內力分析

3.1 分析計算的思路及原則

(1)采用連續介質模型,模擬盾構2次穿越框架橋基礎的情況,分析盾構通過后地層沉降變化,以及框架橋的變形(沉降或傾斜)。

(2)結合框架橋使用階段的各種作用,考慮因框架橋的變形造成的附加應力,計算構件的總應力,檢算框架橋各構件的強度、裂縫控制等參數。

(3)結合既有橋檢測的情況,分析橋體的安全狀況,提出必要的工程措施。

3.2 連續介質模型計算地層變形、結構位移

(1)計算模型

計算采用MIDAS/GTS軟件建立二維“地層-結構”模型。模型分析區域為：水平方向-52～+52 m,垂直方向+6.9～-27.50 m,其中(0,0)點位于中跨底板跨中底部。分析計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

(2)計算采用的荷載簡圖如圖4所示。

圖7 荷載計算簡圖

圖4 荷載計算簡圖

(3)盾構通過后框架橋位移

①右線、左線通過框架橋地層變形云圖見圖5、圖6。

圖5 右線通過框架橋地層變形云圖

圖6 左線通過框架橋地層變形云圖

②盾構通過后框架橋基礎沉降統計見表2。

(4)框架橋沉降反應分析

①盾構右線(第1次)通過框架橋區域,最大沉降為19.5 mm(位于框架左側邊墻和底板角隅處),最小沉降為6.9 mm(位于框架右側邊墻和底板角隅處),差異沉降12.6 mm。

表2 框架橋基礎沉降統計 mm

②盾構左線(第2次)通過框架橋區域,最大沉降為21.0 mm(位于框架左側邊墻和底板角隅處),最小沉降為12.0 mm(位于框架右側邊墻和底板角隅處),差異沉降9.0 mm。

③兩側施工過程,底板沉降比較均勻,沒有突變點。

④第2次通過地道橋區域后橋梁基礎沉降得到協調,差異沉降變小。

3.3 “荷載-結構”模型分析結構受力

(1)計算模型

計算采用SAP軟件建立“荷載-結構”模型?？蚣軜蚧A按照彈性地基梁考慮,依據地層參數將基底、側墻的地層約束轉化為“土彈簧”。

各構件空間位置以軸線簡化,縱向取1.0 m進行計算,斷面參數按照框架橋實際構件尺寸選取。

(2)荷載

①荷載簡圖如圖7所示。

②荷載組合取最不利的工況組合,其中強制位移為盾構通過后的工況。

(3)截面強度驗算

①控制截面如圖8所示。

圖8 控制截面示意

②控制截面內力計算結果見表3。

③控制截面驗算結果見表4。

表3 控制截面內力計算

表4 控制截面驗算結果 MPa

④經驗算,各關鍵構件的抗彎、抗拉、抗壓、抗剪指標均滿足強度指標。

4 安全性分析及工程措施對策

4.1 既有框架橋安全評價及抗力儲備

(1)依據既有框架橋檢定報告,目前結構狀態良好。

(2)既有框架橋具有一定的結構抗力儲備,在盾構正常施工,地層穩定的條件下,能夠滿足盾構下穿過程中、通過后的結構安全。

4.2 盾構通過框架橋區域的可行性及控制指標

(1)盾構技術目前已成為構筑地鐵區間隧道的主要施工方法,適用地層范圍寬,安全、可控性強。本工程的地質條件比較穩定,適合盾構施工。

(2)為保證施工中的可控性,并考慮鐵路工務的可操作性,應設定盾構施工過程中、通過后的框架橋沉降及差異沉降限值,依據工程經驗和計算分析,建議絕對沉降最大限值為18 mm,差異沉降最大限值為10 mm。

(3)尚應控制各指標的變化速率不應過大,各指標應變化平穩?？蚣軜虺两邓俾蕬? mm/d。

4.3 施工過程控制

為保證在盾構施工過程中鐵路的正常運營,應確定合理的盾構施工參數,采用同步注漿及二次注漿技術,加強監控量測,建立“數據收集-信息處理-工程評價反饋”系統,發現危險征兆且難以控制時,應立即啟動應急預案。

4.4 后期處理措施

(1)地鐵施工完成后至少3個月內,仍應保持監測；確定地層變形收斂完成后,方可解除監測,否則應延續監測并采取措施。

(2)地鐵施工完成后,應結合監測情況,對線路下的道砟進行調整,保證線路的平順。

(3)根據監測情況,必要時進行洞內二次注漿或對框架橋進行注漿加固。

(4)地鐵施工完成后,應對鐵路框架橋再行檢定,比照前后檢定指標,必要時進行系統加固,以確保既有鐵路框架橋運營安全。

5 結語

(1)采用盾構法下穿鐵路框架橋時,為保證既有構筑物安全,需制定合理的變形控制指標及盾構推進參數。

(2)本文得出的框架橋沉降及差異沉降限值對類似的工程具有借鑒意義。

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