地鐵隧道下穿鐵路框架橋的安全性與對策分析

馮 超， 朱 旺， 于康慶

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川成都 610031)

1 工程概況

成都軌道交通9號線一期工程錦城大道站～三元站區間左右線隧道下穿成昆鐵路橋。成昆鐵路橋框架段，道床類型為有砟道床。隧道頂與鐵路橋底板最小豎向凈距約16.98m，埋深約25.93m。成昆鐵路設計階段為單線鐵路，后經復線改建后，現在為雙線鐵路。區間左右線隧道下穿成昆鐵路橋框架段，相交角度約90°，空間位置關系如圖1、圖2所示。區間左右線隧道在下穿段位于中等風化泥巖層中，隧道周邊地層從上至下主要為雜填土、稍密卵石土、中密卵石土、密實卵石土、強風化泥巖、中風化泥巖，地下水位線埋深約6.5m。為了分析地鐵隧道下穿鐵路框架橋的安全性，本文開展相應分析。

圖1 左右線隧道與鐵路橋平面示意

圖2 左右線隧道與鐵路橋剖面示意(單位：mm)

2 強度折減法

在理想彈塑性的數值模擬計算中，將巖土體的抗剪切參數進行折減，直到發生整體或者局部破壞為止[3]。令隧道的強度安全儲備系數為w，折減后巖土體的抗剪切強度為：

對于巖土體強度參數的折減，則有

安全儲備系數所對應的狀態即為隧道的極限狀態，對于極限狀態的判據可分為：

(1)以特征點的位移(隧道拱頂的豎向位移、拱腰的水平位移等)發生突變作為極限狀態的判據；

(2)以塑性區從拱頂到地表發生貫通作為隧道極限狀態的標志；

(3)以數值計算不收斂為判據。

對于受剪破壞為主的隧道極限狀態三種判據的安全儲備系數有著較好的一致性[4]，本文選取第一種判據在有限差分軟件FLAC3D中求解整體模型的安全系數。

3 建模計算

本文應用FLAC3D軟件，采用地層結構分析方法，建立有限差分模型進行施工過程的仿真模擬及有限元強度折減過程的模擬。

3.1 計算模型

計算采用平面應變模型，斷面模型如圖3所示。計算模型橫向取120m，豎向取60m。從上到下土體依次為雜填土、卵石土、強風化泥巖、中風化泥巖。采用實體單元，共9 812個單元。模型服從摩爾-庫倫屈服準則，應力場按自重應力場考慮。

圖3 平面計算模型

3.2 計算參數

結合地勘資料、TB10003-2016《鐵路隧道設計規范》、GB50157-2013《地鐵設計規范》和相關文獻，進行圍巖、鋼筋混凝土的物理力學參數選取，具體如表1所示。

表1 圍巖和框架橋物理力學參數表

成昆鐵路為Ⅰ級鐵路，列車荷載采用ZKH荷載，參考TB10001-2016《鐵路路基設計規范》[3]和TB10093-2017鐵路橋涵地基和基礎設計規范[4]：列車荷載采用等效均布荷載，列車荷載自軌枕底面端部向下按45 °擴散，作用在路基面上的單位荷載為67.81kPa，考慮到列車的動力影響，取動力系數為1.4，最終換算為94.93kPa的均布荷載。

4 盾構隧道安全性分析

4.1 左洞開挖

根據施工實際，左洞先行開挖，利用強度折減法，對于盾構隧道進行分析，在列車荷載作用下，區間左線隧道開挖完成且無支護條件下，通過強度折減得到軌道交通9號線區間左線隧道拱頂位移與折減系數的關系曲線，如圖4所示，盾構隧道開挖完后的整體安全系數為2.78。

圖4 隧道拱頂沉降與折減系數關系曲線

4.2 右洞開挖

在列車荷載作用下，隧道全斷面開挖且無支護條件，通過強度折減得到軌道交通9號線區間左右線隧道拱頂位移與折減系數的關系曲線(圖5)，盾構隧道開挖完后的整體安全系數為2.35。

圖5 隧道拱頂沉降與折減系數關系曲線

由計算結果可以看出，在考慮成昆鐵路列車荷載時，區間左線施工完成后再施工區間右線，整體安全系數由2.78降低至2.35，降低的幅度較低。在實際盾構工程中，裸洞一般是不存在的，因此盾構隧道安全系數較裸洞計算應大得多，區間左右線隧道初始風險度低，盾構施工安全性高。

5 應力補償

區間左右線盾構隧道施工過程中，會對周邊巖(土)體和建(構)筑物產生擾動，導致變形和應力的變化[2]。鑒于成昆鐵路對框架段變形的嚴格要求，盾構隧道施工不僅要保證自身的穩定和安全，還需要滿足成昆鐵路框架段的位移變形要求。結合現場施工情況，盾構法施工的隧道可以通過調整注漿壓力以及及時施作管片進行應力補償，從而控制變形。

隧道開挖會導致圍巖卸載，發生應力重分布。在實際施工中，結合現場施工情況，通過控制注漿壓力、支護強度、施作時間，可以實現應力補償[5]。借助注漿托換技術，可以靈活地控制應力補償率[7]。為了研究不同應力補償率下的鐵路框架段和隧道結構變形情況，選取0 %～150 %的應力補償率(按10 %的梯度變化)進行系統地計算與分析，從而確定滿足框架段變形要求的應力補償率區間(應力補償率100 %對應的應力為0.55MPa)。在數值計算模型中，選取既有鐵路框架段和區間左右線隧道多個特征點進行位移監測，具體測點布置如圖6所示。

圖6 鐵路橋框架和盾構隧道測點布置

5.1 框架段頂板豎向位移

在不同應力補償率下，區間左右線盾構施工且無支護時框架段頂板豎向位移如圖7所示。

圖7 框架段頂板豎向位移與應力補償率關系

由圖7可知，隨著應力補償率的不斷增大，框架段頂板上的最大沉降從-2.08mm減小至-0.28mm。當應力補償率在0 %～100 %區間時，最大沉降出現在框架段最左側；當應力補償率在110 %～150 %區間時，最大沉降出現在框架段最右側。軌道10m弦最大矢度值從0.05mm減小至0.01mm。

計算結果表明：應力補償率在0 %～150 %之間，框架段頂板10m弦最大矢度值都不超過控制值；在應力補償率小于70 %時，既有鐵路框架段的最大變形將超過控制值。為減小盾構隧道施工對上方既有鐵路的影響，保證鐵路運營安全，滿足正常使用要求，當應力補償率控制在70 %～150 %之間時，可以使框架段頂板的豎向位移不大于±1mm。

5.2 框架段底板豎向位移

在下穿過程中，框架橋底板與盾構隧道的距離更近。在不同應力補償率下，區間左右線盾構施工且無支護時框架段底板豎向位移如圖8所示。

圖8 框架段底板豎向位移與應力補償率關系

由圖8可知，隨著應力補償率的不斷增大，框架段底板處的最大沉降從-2.08mm減小至-0.28mm。框架段頂板與底板的位移與應力補償率的關系在形式與數值上基本一致，說明框架橋的整體結構剛度較大，在隧道的開挖過程中，變形較協調。

在列車荷載作用下，框架段頂板與底板變形有一定增加，但其影響有限。框架段頂板與底板變形受下方新建隧道施工應力補償率大小影響較大：對于無列車荷載，在應力補償率控制到40 %以上時，可使頂板與底板豎向位移不大于±1mm；對于有列車荷載，在應力補償率控制到70 %以上時，可使頂板與底板豎向位移不大于±1mm；軌道10m弦最大矢度值一直處于控制值范圍內。

5.3 管片施作與注漿壓力對位移的影響

通過以上分析發現應力補償控制到70 %以上時，可以滿足變形要求，對應的注漿壓力為0.4MPa。若開挖完成后及時施作管片，也可實現應力釋放。管片與注漿對框架橋頂板的豎向位移影響如圖9所示。

圖9 注漿與管片對框架橋頂板位移影響

開挖完成后立即施作初支，頂板最大豎向位移為-0.6mm，最小豎向位移為-0.15mm，滿足位移沉降要求。全環均布注漿0.4MPa，最大沉降為-0.6mm，最小為-0.3mm。全環注漿相對于管片而言，可以有效控制框架橋的差異沉降。

6 結論

(1)采用數值模擬手段對典型斷面的隧道開挖影響進行分析，區間左右線盾構隧道在全斷面開挖且不支護的條件下，有列車荷載作用時的最小整體安全系數為2.35；且在實際盾構工程中，裸洞一般是不存在的，因此盾構隧道安全系數較裸洞計算應大得多，區間左右線隧道初始風險度低，盾構施工安全性高。

(2)應力補償率對成昆鐵路橋框架段的變形影響大，在盾構施工過程中必須做好充分保壓、保證同步注漿的壓力。與直接施作管片相比，全環均布注漿能有效控制框架橋的差異沉降。

(3)采用應力補償技術可以將框架段頂板沉降控制在±1mm以內，為了保證安全，要求盾構施工的同步注漿壓力達到0.4MPa，注漿材料宜采用硫鋁酸鹽水泥漿，以降低收縮率，保證主動托換地層的效果。