盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路框架橋的加固方案研究

劉京

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 工程概況

昆明市軌道交通5號(hào)線五華體育館站～青少年宮站盾構(gòu)區(qū)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(duì)位置關(guān)系如圖1所示[1]。

圖1 平面相對(duì)位置關(guān)系

盾構(gòu)區(qū)間位于框架橋底板下方約10m，如圖2所示。區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，管片采用C50混凝土，內(nèi)徑為5.5m，厚度為0.35m，外徑為6.2m，管片寬度為1.2m，管片構(gòu)造分塊數(shù)為6塊。

圖2 縱斷面相對(duì)位置關(guān)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(zhǎng)度21.7m。根據(jù)鐵路框架橋竣工圖，縱向分兩段（17.8m+3.9m）建設(shè)完成。

圖3 第一段框架橋與區(qū)間相對(duì)位置關(guān)系

圖4 第二段框架橋與區(qū)間相對(duì)位置關(guān)系

第一段：長(zhǎng)度為17.8m，頂板及底板環(huán)向受力主筋為φ32鋼筋，側(cè)墻及中隔墻環(huán)向受力主筋為φ28鋼筋。地基采用13m旋噴樁處理。

第二段：長(zhǎng)度為3.9m，為后期擴(kuò)建段。頂板、底板、側(cè)墻及中隔墻環(huán)向受力主筋均為φ25與φ22鋼筋。地基采用23m旋噴樁處理。

本項(xiàng)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(zhì)黏土、泥炭質(zhì)土及建筑垃圾，層厚3.7～9.50m，平均厚度6.30m。

（2）3-3層粉質(zhì)黏土：灰褐色，可塑，土質(zhì)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(zhì)粉土：灰色、灰褐色，密實(shí)，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(duì)滇池路框架橋這種涵洞構(gòu)筑物，區(qū)間盾構(gòu)隧道的修建主要影響其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)安全。當(dāng)擬建地下線臨近既有構(gòu)筑物的基礎(chǔ)修建時(shí)，由于盾構(gòu)施工影響地層的應(yīng)力和變形，必將導(dǎo)致地表發(fā)生沉降和隆起。地表變形在三維上表現(xiàn)為一個(gè)凹槽，而在隧道橫截面上，穩(wěn)定后的沉降曲線為一個(gè)類似于正態(tài)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(jù)彈性力學(xué)理論，在地層中開(kāi)挖圓形洞室，周邊圍巖的應(yīng)力重分布范圍一般為3倍洞徑，因此，區(qū)間的影響范圍約為3D（D：開(kāi)挖洞徑）。

圖6 隧道影響范圍

五青區(qū)間與成昆鐵路滇池路框架橋的相對(duì)位置關(guān)系如圖6所示?？梢钥闯鰞啥词彝瑫r(shí)都對(duì)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(kāi)挖卸載對(duì)既有建筑基礎(chǔ)的影響程度，我們通常根據(jù)構(gòu)筑物基礎(chǔ)與新建隧道的位置關(guān)系采用近接度進(jìn)行劃分：對(duì)于3倍D范圍以內(nèi)的構(gòu)筑物淺基礎(chǔ)可為三個(gè)等級(jí)，如圖7、表1所示。

圖7 近接度劃分區(qū)域

表1 近接施工分類表[4]

根據(jù)五青區(qū)間與成昆鐵路滇池路框架橋的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行判定，如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)隧道近接區(qū)域

區(qū)間左右線均位于區(qū)域Ⅲ，近接度等級(jí)為3，屬于應(yīng)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(yùn)營(yíng)。針對(duì)此下穿段落，由于地表為市政主干道，地表處理措施對(duì)交通影響較大，經(jīng)過(guò)分析后，方案建議主要采取“洞內(nèi)注漿”以控制框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降變形，并對(duì)此進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)算。

3 數(shù)值試驗(yàn)分析

針對(duì)洞內(nèi)注漿的加固措施，在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，本文分別對(duì)比研究了“半斷面注漿”和“全斷面注漿”兩種注漿方案的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

3.1 模型的建立

根據(jù)區(qū)間與鐵路框架橋的相對(duì)位置關(guān)系建立數(shù)值模型。盾構(gòu)區(qū)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(shí)，區(qū)間右線往右取25m，區(qū)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(duì)比分析

盾構(gòu)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(gè)數(shù)量級(jí)，其影響一般可忽略。兩種注漿方案下框架結(jié)構(gòu)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(kāi)挖卸載的影響，框架結(jié)構(gòu)豎向變形主要集中發(fā)生在右側(cè)兩跨框架，其余區(qū)域的豎向變形較小。

圖9 半斷面注漿方案數(shù)值模型

圖10 全斷面注漿方案數(shù)值模型

圖11 半斷面注漿措施框架結(jié)構(gòu)變形

圖12 半斷面注漿措施結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板位移線

圖13 全斷面注漿措施框架結(jié)構(gòu)變形

圖14 全斷面注漿措施結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的沉降變形均主要發(fā)生在右側(cè)兩跨的中隔墻位置，框架結(jié)構(gòu)整體傾斜十分微小約為0.1‰。當(dāng)采用半斷面注漿方案時(shí)，結(jié)構(gòu)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(shí)，底板的最大沉降比采用半斷面注漿方案時(shí)減少約24.6%。

3.3 既有框架橋的內(nèi)力對(duì)比分析（見(jiàn)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(jié)構(gòu)內(nèi)力變化差異很小。根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合上圖內(nèi)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行計(jì)算：

圖15 半斷面注漿措施框架結(jié)構(gòu)軸力

圖16 半斷面注漿措施框架結(jié)構(gòu)彎矩

圖17 全斷面注漿措施框架結(jié)構(gòu)軸力

圖18 全斷面注漿措施框架結(jié)構(gòu)彎矩

兩種加固措施引起的既有結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)及裂縫計(jì)算結(jié)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(diǎn)安全系數(shù)比較接近且均滿足規(guī)范的要求，混凝土的裂縫寬度也小于0.2mm。說(shuō)明兩種方案引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況均相對(duì)較小。

4 結(jié)論

（1）盾構(gòu)區(qū)間穿越滇池路框架橋期間，由于地層的擾動(dòng)，框架結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形，但由于昆明樞紐滇池路框架橋在建設(shè)初期已經(jīng)進(jìn)行過(guò)地基加固處理，盾構(gòu)通過(guò)處，地層的剛度本身較大。

表2 半斷面注漿措施框架結(jié)構(gòu)裂縫及安全系數(shù)

表3 全斷面注漿措施框架結(jié)構(gòu)裂縫及安全系數(shù)

（2）理論分析結(jié)果表明：區(qū)間左右線與既有框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的近接度等級(jí)均為3級(jí)，屬于需采取措施范圍。其中，隧道正上方兩跨中隔墻區(qū)域處于兩盾構(gòu)隧道雙重影響范圍，此處存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）根據(jù)鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范及地鐵工程監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程一般要求，框架結(jié)構(gòu)的整體沉降控制標(biāo)準(zhǔn)值一般為15～20mm，相鄰墩臺(tái)差異沉降控制值一般可取2mm。數(shù)值分析結(jié)果顯示：采取上半斷面注漿措施時(shí)，框架結(jié)構(gòu)底板最大沉降變形約為6.34mm，小于結(jié)構(gòu)整體沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)值。

（4）內(nèi)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：兩種注漿加固方案下，框架結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)的安全系數(shù)均及裂縫寬度均滿足安全要求，說(shuō)明采用盾構(gòu)法施工下穿既有框架橋引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況相對(duì)較小，一般并不會(huì)造成既有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上較大的降低。