盾構(gòu)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(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

隨著我國(guó)軌道交通工程的迅速發(fā)展,地鐵結(jié)構(gòu)與周邊建(構(gòu))筑物的相互影響將愈來(lái)愈成為工程施工中的重大風(fēng)險(xiǎn)源因素。結(jié)合天津地鐵3號(hào)線下穿國(guó)鐵陳塘莊支線工程,對(duì)新建地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有鐵路框架橋的影響進(jìn)行分析預(yù)測(cè),評(píng)估工程安全性,對(duì)施工中采用的工程措施及對(duì)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(guó)鐵陳塘莊支線在K13+272附近呈西北—東南走向,現(xiàn)狀為單線,預(yù)留復(fù)線條件。為實(shí)現(xiàn)迎水道下穿鐵路立交,1998年修建(8-16-8)m頂進(jìn)式3孔框架橋1座,框架上通行鐵路、孔內(nèi)通行機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車。該橋投入使用情況良好,橋體結(jié)構(gòu)工作正常。

1.2 地鐵區(qū)間情況

天津地鐵3號(hào)線華苑站—王頂?shù)陶緟^(qū)間下穿國(guó)鐵陳塘莊支線的基本情況。

(1)地鐵區(qū)間西南—東北走向,基本在迎水道下順行,區(qū)間長(zhǎng)度約為895 m。

(2)區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)機(jī)為單圓盾構(gòu)機(jī),盾構(gòu)管片外徑6.20 m,管片內(nèi)徑為5.50 m。

(3)盾構(gòu)推進(jìn)方向：右線自西南向東北,左線自東北向西南。

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

圖1 工程平面

1.3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

(1)工程地質(zhì)情況

盾構(gòu)隧道主要穿越⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土及⑥2粉土層。⑤1、⑥1層位穩(wěn)定,土層均勻,呈可塑～軟塑狀態(tài)；⑥2層位穩(wěn)定,土層均勻。地層物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層物理參數(shù)

(2)水文地質(zhì)情況

場(chǎng)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(bǔ)給,水位具有明顯的豐、枯水期變化,受季節(jié)影響明顯。

圖2 盾構(gòu)隧道與既有框架橋橫斷面(單位:mm)

2 地鐵施工中主要風(fēng)險(xiǎn)及機(jī)理分析

2.1 工程風(fēng)險(xiǎn)分析

(1)地鐵隧道施工會(huì)引起地層的應(yīng)力釋放,導(dǎo)致地層松弛、沉降,由此導(dǎo)致框架橋產(chǎn)生沉降或傾斜(包括整體沉降和基礎(chǔ)的差異沉降)以及在構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處形成轉(zhuǎn)角。

(2)沉降和傾斜將產(chǎn)生既有結(jié)構(gòu)的附加荷載,引起框架橋本體的應(yīng)力重新分布,當(dāng)應(yīng)力大于既有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時(shí),將形成裂縫的擴(kuò)展,危及結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

(3)框架橋產(chǎn)生新的沉降后,對(duì)列車運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生一定的影響。

(4)地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中,鐵路列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生較大附加荷載,將對(duì)地層產(chǎn)生再次擾動(dòng),影響盾構(gòu)施工的安全。

(5)左、右線隧道2次通過(guò)地道橋,造成地層多次應(yīng)力重分布,對(duì)既有結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響。

2.2 盾構(gòu)施工引起地層變形機(jī)理分析

(1)盾構(gòu)施工引起地層變形的特征

根據(jù)對(duì)地層大量實(shí)測(cè)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(gè)階段：盾構(gòu)到達(dá)前的變形、盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的地面變形、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的地面變形、盾構(gòu)通過(guò)后的盾尾空隙沉降及地層后期固結(jié)變形。

(2)盾構(gòu)施工引起地層變形的因素

①開(kāi)挖面土體移動(dòng)。這主要是由于盾構(gòu)機(jī)具推進(jìn)時(shí),推進(jìn)參數(shù)(如推進(jìn)速度、正面土壓力、出土速度、盾構(gòu)總推力等)匹配不合理。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),如果出土速度過(guò)快而推進(jìn)速度跟不上,開(kāi)挖面土體則可能出現(xiàn)松動(dòng)和崩塌,破壞了原來(lái)土層應(yīng)力平衡狀態(tài),導(dǎo)致地層隆起或沉降。盾構(gòu)機(jī)的后退也可能使開(kāi)挖面塌落松動(dòng)引起地層沉降。

②盾構(gòu)嚴(yán)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(shí),使土體擠入盾尾空隙,引起地面沉降。

④盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變、盾尾糾偏、仰頭推進(jìn)、曲線推進(jìn)都會(huì)使實(shí)際開(kāi)挖面形狀偏大于設(shè)計(jì)開(kāi)挖面,引起地層損失。

⑤盾構(gòu)施工對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng),使地層次固結(jié)沉降持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,引起較大沉降。

⑥由于盾構(gòu)隧道下穿鐵路,鐵路列車荷載及沖擊荷載也可能使地層產(chǎn)生較大的變形；同時(shí)列車通過(guò)時(shí)會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng),會(huì)使變形進(jìn)一步加大,對(duì)變形控制產(chǎn)生顯著影響。

3 沉降數(shù)值計(jì)算及內(nèi)力分析

3.1 分析計(jì)算的思路及原則

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

(2)結(jié)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(yīng)力,計(jì)算構(gòu)件的總應(yīng)力,檢算框架橋各構(gòu)件的強(qiáng)度、裂縫控制等參數(shù)。

(3)結(jié)合既有橋檢測(cè)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(xù)介質(zhì)模型計(jì)算地層變形、結(jié)構(gòu)位移

(1)計(jì)算模型

計(jì)算采用MIDAS/GTS軟件建立二維“地層-結(jié)構(gòu)”模型。模型分析區(qū)域?yàn)椋核椒较?52～+52 m,垂直方向+6.9～-27.50 m,其中(0,0)點(diǎn)位于中跨底板跨中底部。分析計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

(2)計(jì)算采用的荷載簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖7 荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖4 荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖

(3)盾構(gòu)通過(guò)后框架橋位移

①右線、左線通過(guò)框架橋地層變形云圖見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 右線通過(guò)框架橋地層變形云圖

圖6 左線通過(guò)框架橋地層變形云圖

②盾構(gòu)通過(guò)后框架橋基礎(chǔ)沉降統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

(4)框架橋沉降反應(yīng)分析

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

表2 框架橋基礎(chǔ)沉降統(tǒng)計(jì) mm

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

③兩側(cè)施工過(guò)程,底板沉降比較均勻,沒(méi)有突變點(diǎn)。

④第2次通過(guò)地道橋區(qū)域后橋梁基礎(chǔ)沉降得到協(xié)調(diào),差異沉降變小。

3.3 “荷載-結(jié)構(gòu)”模型分析結(jié)構(gòu)受力

(1)計(jì)算模型

計(jì)算采用SAP軟件建立“荷載-結(jié)構(gòu)”模型。框架橋基礎(chǔ)按照彈性地基梁考慮,依據(jù)地層參數(shù)將基底、側(cè)墻的地層約束轉(zhuǎn)化為“土彈簧”。

各構(gòu)件空間位置以軸線簡(jiǎn)化,縱向取1.0 m進(jìn)行計(jì)算,斷面參數(shù)按照框架橋?qū)嶋H構(gòu)件尺寸選取。

(2)荷載

①荷載簡(jiǎn)圖如圖7所示。

②荷載組合取最不利的工況組合,其中強(qiáng)制位移為盾構(gòu)通過(guò)后的工況。

(3)截面強(qiáng)度驗(yàn)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(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

③控制截面驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 控制截面內(nèi)力計(jì)算

表4 控制截面驗(yàn)算結(jié)果 MPa

④經(jīng)驗(yàn)算,各關(guān)鍵構(gòu)件的抗彎、抗拉、抗壓、抗剪指標(biāo)均滿足強(qiáng)度指標(biāo)。

4 安全性分析及工程措施對(duì)策

4.1 既有框架橋安全評(píng)價(jià)及抗力儲(chǔ)備

(1)依據(jù)既有框架橋檢定報(bào)告,目前結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

(2)既有框架橋具有一定的結(jié)構(gòu)抗力儲(chǔ)備,在盾構(gòu)正常施工,地層穩(wěn)定的條件下,能夠滿足盾構(gòu)下穿過(guò)程中、通過(guò)后的結(jié)構(gòu)安全。

4.2 盾構(gòu)通過(guò)框架橋區(qū)域的可行性及控制指標(biāo)

(1)盾構(gòu)技術(shù)目前已成為構(gòu)筑地鐵區(qū)間隧道的主要施工方法,適用地層范圍寬,安全、可控性強(qiáng)。本工程的地質(zhì)條件比較穩(wěn)定,適合盾構(gòu)施工。

(2)為保證施工中的可控性,并考慮鐵路工務(wù)的可操作性,應(yīng)設(shè)定盾構(gòu)施工過(guò)程中、通過(guò)后的框架橋沉降及差異沉降限值,依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算分析,建議絕對(duì)沉降最大限值為18 mm,差異沉降最大限值為10 mm。

(3)尚應(yīng)控制各指標(biāo)的變化速率不應(yīng)過(guò)大,各指標(biāo)應(yīng)變化平穩(wěn)。框架橋沉降速率應(yīng)≤1 mm/d。

4.3 施工過(guò)程控制

為保證在盾構(gòu)施工過(guò)程中鐵路的正常運(yùn)營(yíng),應(yīng)確定合理的盾構(gòu)施工參數(shù),采用同步注漿及二次注漿技術(shù),加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),建立“數(shù)據(jù)收集-信息處理-工程評(píng)價(jià)反饋”系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)征兆且難以控制時(shí),應(yīng)立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

4.4 后期處理措施

(1)地鐵施工完成后至少3個(gè)月內(nèi),仍應(yīng)保持監(jiān)測(cè)；確定地層變形收斂完成后,方可解除監(jiān)測(cè),否則應(yīng)延續(xù)監(jiān)測(cè)并采取措施。

(2)地鐵施工完成后,應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)情況,對(duì)線路下的道砟進(jìn)行調(diào)整,保證線路的平順。

(3)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況,必要時(shí)進(jìn)行洞內(nèi)二次注漿或?qū)蚣軜蜻M(jìn)行注漿加固。

(4)地鐵施工完成后,應(yīng)對(duì)鐵路框架橋再行檢定,比照前后檢定指標(biāo),必要時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)加固,以確保既有鐵路框架橋運(yùn)營(yíng)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)采用盾構(gòu)法下穿鐵路框架橋時(shí),為保證既有構(gòu)筑物安全,需制定合理的變形控制指標(biāo)及盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)。

(2)本文得出的框架橋沉降及差異沉降限值對(duì)類似的工程具有借鑒意義。

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002．

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2005．

[3] 李世華.道路橋梁維修技術(shù)手冊(cè) [M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003．

[4] 張鳳祥，等.盾構(gòu)隧道 [M].北京：人民交通出版社,2004．

[5] 何 川,曾東洋.盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工對(duì)環(huán)境的影響 [M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2007．

[6] 徐永福.盾構(gòu)推進(jìn)引起地面變形的分析 [J].地下工程與隧道,2000(1)．

[7] 鄭向紅.盾構(gòu)隧道下穿既有城市鐵路施工技術(shù) [J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(12).