盾構區間下穿鐵路框架橋的加固方案研究

劉京

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 工程概況

昆明市軌道交通5號線五華體育館站～青少年宮站盾構區間右、左線 YDK10+358～YDK10+400（ZDK10+352～ZDK10+394）段落以 90°角度下穿成昆鐵路框架橋，相對位置關系如圖1所示[1]。

圖1 平面相對位置關系

盾構區間位于框架橋底板下方約10m，如圖2所示。區間采用土壓平衡盾構法施工，管片采用C50混凝土，內徑為5.5m，厚度為0.35m，外徑為6.2m，管片寬度為1.2m，管片構造分塊數為6塊。

圖2 縱斷面相對位置關系

成昆鐵路滇池路框架橋橫向四跨，總跨度為53.2m，沿滇池路縱向長度21.7m。根據鐵路框架橋竣工圖，縱向分兩段（17.8m+3.9m）建設完成。

圖3 第一段框架橋與區間相對位置關系

圖4 第二段框架橋與區間相對位置關系

第一段：長度為17.8m，頂板及底板環向受力主筋為φ32鋼筋，側墻及中隔墻環向受力主筋為φ28鋼筋。地基采用13m旋噴樁處理。

第二段：長度為3.9m，為后期擴建段。頂板、底板、側墻及中隔墻環向受力主筋均為φ25與φ22鋼筋。地基采用23m旋噴樁處理。

本項目所處地底層巖性主要為：

（1）2層素填土：雜色，灰褐色，松散～稍密，稍濕～潮濕，主要成份為粉質黏土、泥炭質土及建筑垃圾，層厚3.7～9.50m，平均厚度6.30m。

（2）3-3層粉質黏土：灰褐色，可塑，土質較均勻，黏性一般，中等壓縮性土；呈透鏡狀分布，層厚1.10～19.50m，平均厚度6.26m，層面埋深3.0～19.5m；基本承載力σo=100kPa。

（2）4-4層黏質粉土：灰色、灰褐色，密實，潮濕，主要成份以粉粒為主，含少量黏土；呈透鏡狀分布，層厚1.60～7.60m，平均厚度4.60m，層面埋深5.50～13.40m；基本承載力σo=150kPa。

（3）4-2層粉砂：灰色、青灰色，稍密，飽和，主要成份以石英、云母為主，含少量黏土；層厚1.50～10.40m，平均厚度4.69m，層面埋深11.80～24.80m。

2 理論分析

針對滇池路框架橋這種涵洞構筑物，區間盾構隧道的修建主要影響其結構的基礎安全。當擬建地下線臨近既有構筑物的基礎修建時，由于盾構施工影響地層的應力和變形，必將導致地表發生沉降和隆起。地表變形在三維上表現為一個凹槽，而在隧道橫截面上，穩定后的沉降曲線為一個類似于正態分布的Ganss曲線[2]，如圖5所示。

圖5 沉降槽曲線

2.1 影響范圍分析

根據彈性力學理論，在地層中開挖圓形洞室，周邊圍巖的應力重分布范圍一般為3倍洞徑，因此，區間的影響范圍約為3D（D：開挖洞徑）。

圖6 隧道影響范圍

五青區間與成昆鐵路滇池路框架橋的相對位置關系如圖6所示。可以看出兩洞室同時都對既有鐵路框架橋存在一定影響。

2.2 近接度分析

判斷洞室開挖卸載對既有建筑基礎的影響程度，我們通常根據構筑物基礎與新建隧道的位置關系采用近接度進行劃分：對于3倍D范圍以內的構筑物淺基礎可為三個等級，如圖7、表1所示。

圖7 近接度劃分區域

表1 近接施工分類表[4]

根據五青區間與成昆鐵路滇池路框架橋的相對位置關系進行判定，如圖8所示。

圖8 盾構隧道近接區域

區間左右線均位于區域Ⅲ，近接度等級為3，屬于應采取措施范圍，以保證上方鐵路軌道的平順，確保成昆線昆明樞紐段的安全運營。針對此下穿段落，由于地表為市政主干道，地表處理措施對交通影響較大，經過分析后，方案建議主要采取“洞內注漿”以控制框架結構基礎的沉降變形，并對此進行了數值驗算。

3 數值試驗分析

針對洞內注漿的加固措施，在進行數值分析時，本文分別對比研究了“半斷面注漿”和“全斷面注漿”兩種注漿方案的數值計算結果。

3.1 模型的建立

根據區間與鐵路框架橋的相對位置關系建立數值模型。盾構區間外徑約為6.2m，考慮到隧道的影響范圍一般為3～5倍洞徑同時，區間右線往右取25m，區間左線往左取50m，模型橫向尺寸約94m，如圖9～圖10所示。

3.2 既有框架橋的位移對比分析

盾構法施工由于地層損失所造成的地表變形通常以豎向沉降為主，其水平向變形一般比豎向變形小1～2個數量級，其影響一般可忽略。兩種注漿方案下框架結構的豎向位移如圖11～圖14所示。

由圖11～圖14可以看出：受隧道開挖卸載的影響，框架結構豎向變形主要集中發生在右側兩跨框架，其余區域的豎向變形較小。

圖9 半斷面注漿方案數值模型

圖10 全斷面注漿方案數值模型

圖11 半斷面注漿措施框架結構變形

圖12 半斷面注漿措施結構基礎底板位移線

圖13 全斷面注漿措施框架結構變形

圖14 全斷面注漿措施結構基礎底板位移線

由圖11～圖14可以看出：兩種注漿加固方案下，框架結構的沉降變形均主要發生在右側兩跨的中隔墻位置，框架結構整體傾斜十分微小約為0.1‰。當采用半斷面注漿方案時，結構底板的最大沉降變形約為6.34mm，相鄰兩中隔墻的最大差異沉降約為2.6mm。

可以看出，采用全斷面注漿方案時，底板的最大沉降比采用半斷面注漿方案時減少約24.6%。

3.3 既有框架橋的內力對比分析（見圖15～圖18）

由圖15～圖18可以看出：兩種加固措施引起的既有結構內力變化差異很小。根據《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》和《鐵路隧道設計規范》相關規定，并結合上圖內力數值計算結果進行計算：

圖15 半斷面注漿措施框架結構軸力

圖16 半斷面注漿措施框架結構彎矩

圖17 全斷面注漿措施框架結構軸力

圖18 全斷面注漿措施框架結構彎矩

兩種加固措施引起的既有結構的安全系數及裂縫計算結果如表2、表3所示。

由表2、表3可以看出，兩種加固措施下，框架橋各特征點安全系數比較接近且均滿足規范的要求，混凝土的裂縫寬度也小于0.2mm。說明兩種方案引起的結構內力變化情況均相對較小。

4 結論

（1）盾構區間穿越滇池路框架橋期間，由于地層的擾動，框架結構會產生一定程度的變形，但由于昆明樞紐滇池路框架橋在建設初期已經進行過地基加固處理，盾構通過處，地層的剛度本身較大。

表2 半斷面注漿措施框架結構裂縫及安全系數

表3 全斷面注漿措施框架結構裂縫及安全系數

（2）理論分析結果表明：區間左右線與既有框架結構基礎的近接度等級均為3級，屬于需采取措施范圍。其中，隧道正上方兩跨中隔墻區域處于兩盾構隧道雙重影響范圍，此處存在一定的風險。

（3）根據鐵路橋涵設計規范及地鐵工程監控量測技術規程一般要求，框架結構的整體沉降控制標準值一般為15～20mm，相鄰墩臺差異沉降控制值一般可取2mm。數值分析結果顯示：采取上半斷面注漿措施時，框架結構底板最大沉降變形約為6.34mm，小于結構整體沉降變形控制標準值。

（4）內力數值計算結果表明：兩種注漿加固方案下，框架結構各特征點的安全系數均及裂縫寬度均滿足安全要求，說明采用盾構法施工下穿既有框架橋引起的結構內力變化情況相對較小，一般并不會造成既有結構強度上較大的降低。