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(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qū)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(shè)計(jì)階段為單線鐵路，后經(jīng)復(fù)線改建后，現(xiàn)在為雙線鐵路。區(qū)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(guān)系如圖1、圖2所示。區(qū)間左右線隧道在下穿段位于中等風(fēng)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(shí)卵石土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)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(yīng)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(qiáng)度折減法

在理想彈塑性的數(shù)值模擬計(jì)算中，將巖土體的抗剪切參數(shù)進(jìn)行折減，直到發(fā)生整體或者局部破壞為止[3]。令隧道的強(qiáng)度安全儲備系數(shù)為w，折減后巖土體的抗剪切強(qiáng)度為：

對于巖土體強(qiáng)度參數(shù)的折減，則有

安全儲備系數(shù)所對應(yīng)的狀態(tài)即為隧道的極限狀態(tài)，對于極限狀態(tài)的判據(jù)可分為：

(1)以特征點(diǎn)的位移(隧道拱頂?shù)呢Q向位移、拱腰的水平位移等)發(fā)生突變作為極限狀態(tài)的判據(jù)；

(2)以塑性區(qū)從拱頂?shù)降乇戆l(fā)生貫通作為隧道極限狀態(tài)的標(biāo)志；

(3)以數(shù)值計(jì)算不收斂為判據(jù)。

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

3 建模計(jì)算

本文應(yīng)用FLAC3D軟件，采用地層結(jié)構(gòu)分析方法，建立有限差分模型進(jìn)行施工過程的仿真模擬及有限元強(qiáng)度折減過程的模擬。

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用平面應(yīng)變模型，斷面模型如圖3所示。計(jì)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(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖。采用實(shí)體單元，共9 812個(gè)單元。模型服從摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮。

圖3 平面計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合地勘資料、TB10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行圍巖、鋼筋混凝土的物理力學(xué)參數(shù)選取，具體如表1所示。

表1 圍巖和框架橋物理力學(xué)參數(shù)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(shè)計(jì)規(guī)范》[3]和TB10093-2017鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)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(kuò)散，作用在路基面上的單位荷載為67.81kPa，考慮到列車的動(dòng)力影響，取動(dòng)力系數(shù)為1.4，最終換算為94.93kPa的均布荷載。

4 盾構(gòu)隧道安全性分析

4.1 左洞開挖

根據(jù)施工實(shí)際，左洞先行開挖，利用強(qiáng)度折減法，對于盾構(gòu)隧道進(jìn)行分析，在列車荷載作用下，區(qū)間左線隧道開挖完成且無支護(hù)條件下，通過強(qiáng)度折減得到軌道交通9號線區(qū)間左線隧道拱頂位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖4所示，盾構(gòu)隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為2.78。

圖4 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)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(hù)條件，通過強(qiáng)度折減得到軌道交通9號線區(qū)間左右線隧道拱頂位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線(圖5)，盾構(gòu)隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為2.35。

圖5 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在考慮成昆鐵路列車荷載時(shí)，區(qū)間左線施工完成后再施工區(qū)間右線，整體安全系數(shù)由2.78降低至2.35，降低的幅度較低。在實(shí)際盾構(gòu)工程中，裸洞一般是不存在的，因此盾構(gòu)隧道安全系數(shù)較裸洞計(jì)算應(yīng)大得多，區(qū)間左右線隧道初始風(fēng)險(xiǎn)度低，盾構(gòu)施工安全性高。

5 應(yīng)力補(bǔ)償

區(qū)間左右線盾構(gòu)隧道施工過程中，會對周邊巖(土)體和建(構(gòu))筑物產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致變形和應(yīng)力的變化[2]。鑒于成昆鐵路對框架段變形的嚴(yán)格要求，盾構(gòu)隧道施工不僅要保證自身的穩(wěn)定和安全，還需要滿足成昆鐵路框架段的位移變形要求。結(jié)合現(xiàn)場施工情況，盾構(gòu)法施工的隧道可以通過調(diào)整注漿壓力以及及時(shí)施作管片進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，從而控制變形。

隧道開挖會導(dǎo)致圍巖卸載，發(fā)生應(yīng)力重分布。在實(shí)際施工中，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，通過控制注漿壓力、支護(hù)強(qiáng)度、施作時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力補(bǔ)償[5]。借助注漿托換技術(shù)，可以靈活地控制應(yīng)力補(bǔ)償率[7]。為了研究不同應(yīng)力補(bǔ)償率下的鐵路框架段和隧道結(jié)構(gòu)變形情況，選取0 %～150 %的應(yīng)力補(bǔ)償率(按10 %的梯度變化)進(jìn)行系統(tǒng)地計(jì)算與分析，從而確定滿足框架段變形要求的應(yīng)力補(bǔ)償率區(qū)間(應(yīng)力補(bǔ)償率100 %對應(yīng)的應(yīng)力為0.55MPa)。在數(shù)值計(jì)算模型中，選取既有鐵路框架段和區(qū)間左右線隧道多個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測，具體測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 鐵路橋框架和盾構(gòu)隧道測點(diǎn)布置

5.1 框架段頂板豎向位移

在不同應(yīng)力補(bǔ)償率下，區(qū)間左右線盾構(gòu)施工且無支護(hù)時(shí)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(yīng)力補(bǔ)償率關(guān)系

由圖7可知，隨著應(yīng)力補(bǔ)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(dāng)應(yīng)力補(bǔ)償率在0 %～100 %區(qū)間時(shí)，最大沉降出現(xiàn)在框架段最左側(cè)；當(dāng)應(yīng)力補(bǔ)償率在110 %～150 %區(qū)間時(shí)，最大沉降出現(xiàn)在框架段最右側(cè)。軌道10m弦最大矢度值從0.05mm減小至0.01mm。

計(jì)算結(jié)果表明：應(yīng)力補(bǔ)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(yīng)力補(bǔ)償率小于70 %時(shí)，既有鐵路框架段的最大變形將超過控制值。為減小盾構(gòu)隧道施工對上方既有鐵路的影響，保證鐵路運(yùn)營安全，滿足正常使用要求，當(dāng)應(yīng)力補(bǔ)償率控制在70 %～150 %之間時(shí)，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(gòu)隧道的距離更近。在不同應(yīng)力補(bǔ)償率下，區(qū)間左右線盾構(gòu)施工且無支護(hù)時(shí)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(yīng)力補(bǔ)償率關(guān)系

由圖8可知，隨著應(yīng)力補(bǔ)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?？蚣芏雾敯迮c底板的位移與應(yīng)力補(bǔ)償率的關(guān)系在形式與數(shù)值上基本一致，說明框架橋的整體結(jié)構(gòu)剛度較大，在隧道的開挖過程中，變形較協(xié)調(diào)。

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?？蚣芏雾敯迮c底板變形受下方新建隧道施工應(yīng)力補(bǔ)償率大小影響較大：對于無列車荷載，在應(yīng)力補(bǔ)償率控制到40 %以上時(shí)，可使頂板與底板豎向位移不大于±1mm；對于有列車荷載，在應(yīng)力補(bǔ)償率控制到70 %以上時(shí)，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(nèi)。

5.3 管片施作與注漿壓力對位移的影響

通過以上分析發(fā)現(xiàn)應(yīng)力補(bǔ)償控制到70 %以上時(shí)，可以滿足變形要求，對應(yīng)的注漿壓力為0.4MPa。若開挖完成后及時(shí)施作管片，也可實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(huán)均布注漿0.4MPa，最大沉降為-0.6mm，最小為-0.3mm。全環(huán)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(jié)論

(1)采用數(shù)值模擬手段對典型斷面的隧道開挖影響進(jìn)行分析，區(qū)間左右線盾構(gòu)隧道在全斷面開挖且不支護(hù)的條件下，有列車荷載作用時(shí)的最小整體安全系數(shù)為2.35；且在實(shí)際盾構(gòu)工程中，裸洞一般是不存在的，因此盾構(gòu)隧道安全系數(shù)較裸洞計(jì)算應(yīng)大得多，區(qū)間左右線隧道初始風(fēng)險(xiǎn)度低，盾構(gòu)施工安全性高。

(2)應(yīng)力補(bǔ)償率對成昆鐵路橋框架段的變形影響大，在盾構(gòu)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(huán)均布注漿能有效控制框架橋的差異沉降。

(3)采用應(yīng)力補(bǔ)償技術(shù)可以將框架段頂板沉降控制在±1mm以內(nèi)，為了保證安全，要求盾構(gòu)施工的同步注漿壓力達(dá)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(dòng)托換地層的效果。