1、盾构区间下穿既有铁路箱桥三维数值分析及控制措施摘要：本文对盾构隧道下穿既有铁路箱桥时的影响进行与盾构掘进步序较为吻合的三维数值分析，对三维模型的建立过程的相关参数进行了研究，并提出了较为符合实际的相关假定。同时根据三维分析结果，在确保安全的前提下，对盾构下穿铁路箱桥，大胆采用盾构洞内注浆加固为主的控制措施，改变了传统的盾构下穿铁路的地面铁路架空或地面注浆加固的加固方式，较大的减少了加固费用和加固实施难度，可为类似工程提供参考。 关键词：三维模拟；模拟简化假定；同步注浆 中图分类号：U455.43 文献标识码：A 1 引言 伴随着国内经济实力的不断提升，越来越多的城市开始规划或正在实施地铁工程建
2、设，城市交通网也在大力发展，地铁区间隧道下穿建构筑物的情况越来越多。区间隧道下穿铁路箱桥，对沉降和变形的控制要求较高。沉降一般要求控制在 6mm 以内，结构变形引起的附加应力应满足原结构的受力要求。 文献【1】对盾构下穿框架桥进行了二维 GTS 模拟，仅模拟了开挖和管片架设的步骤，数值模拟沉降达到 21mm，不能满足目前铁路部门对列车通行安全日益严格的沉降限制要求。而对盾构下穿框架桥进行三维模拟，准确模拟盾构开挖步骤，考虑同步注浆、掌子面前方压力影响，较准确的模拟盾构掘进过程的文献尚不多。 本文对盾构下穿铁路框架桥进行了三维数值模拟，提出了一些有针对性的、较为符合实际的模拟假定。较为准确的模拟
3、了盾构通过时掌子面压力、同步注浆影响，施工步骤的先后顺序等，同时提出了洞内注浆为主的相应控制措施，极大的减少了盾构下穿铁路桥的加固工程量，具有较好经济价值。 2 工程概况 郑州市轨道交通 2 号线一期工程陇海东路站帆布厂街站区间从帆布厂街站始发，下穿陇海铁路货线箱桥，到达陇海东路站。 陇海铁路货线分为上行和下行两座箱型框架桥，该桥与铁路法线交角为 28，均采用四孔（7+12+12+7）m 钢筋混凝土连续箱桥。箱桥沿铁路方向斜向长度 51.3m，横铁路方向 6.6m。陇海铁路在此区段内为碎石道床，混凝土轨枕。 陇海东路站帆布厂街站区间在 YDK22+145.756 YDK22+166.631 位
4、置处下穿该部分桥梁，隧道结构顶距框架桥底板约 8m。 图 1 陇海铁路货线桥现状 图 2 区间隧道与货线桥平面位置关系图 图 3 区间隧道与货线桥横剖面位置关系图 3 工程地质与水文地质 陇海东路站帆布厂街站区间工程场地所处地貌单元为黄河阶地地貌。场地分布地层自上而下主要有人工填土层、粉砂层、粉土层、粉质粘土层。本场地勘察期间，场地地下水类型为潜水。稳定水位埋深为17.4023.90m，地下水位年变化幅度为 1.01.5m，位于区间隧道底板以下约 3m 位置。 三维数值模拟及分析 4.1 模型简化假定及计算参数选取 模型简化假定：采用 GTS 对盾构通过陇海铁路箱桥时的桥体变形进行了三维模拟。
5、考虑盾构通过过程中对 5 倍洞径以外的土体基本无影响，故 5 倍洞径以外的土体基本无变形。故选取模型范围为竖向 55m、横向120m、纵向取 36m。考虑此范围外的土体无变形，故限制选取模型各面垂直面方向的位移。 管片厚度取 0.3m。盾构洞内同步注浆加固范围取管片外 0.14m。根据郑州粉土粉砂地层注浆加固的实验数据，加固后的土体取无侧限抗压强度 0.8MPa，弹性模量 70MPa，黏聚力取 40KPa，内摩擦角取 40 度，容重 20kN，泊松比 0.3。 隧道纵向长度取 36m，隧道开挖按每个工况开挖 1.5m，开挖半径取3.14m。 取工况 1 为第一环盾构开挖，工况 2 为第一环管片
6、拼装和第二环盾构开挖，工况 3 为第一环同步注浆、第二环管片拼装、第三环同步注浆。如此循环往复，单线共取 26 个工况。 考虑工况 1 土体第一环位置的应力释放 30%，工况 2 第一环的土体应力释放 30%，工况 3 第一环的土体应力释放 40%。如此循环往复。 地勘参数的选取不考虑杂填土的影响，各层参选如下。 土层地勘参数 层号 地层名称 层厚（m） 内摩擦角( 。) 黏聚力（KPa） 5-1 粉土 7.7 27.7 14.9 5-4 粉砂 5 30 0 5-5 粉土 2.7 26.2 12.5 6-1 粉质粘土 14.4 20.3 26.2 铁路计算荷载，按中-活载，时速 160km/h
7、 进行均布荷载转换，换算均布荷载为 160KPa。管片厚度 300mm。桥涵内地面车辆超载，按城-A 级荷载换算，取 20KPa。 4.2 下穿过程中的桥体沉降与隆起模拟 左线盾构开始掘进，掌子面前面约 5m 范围内土体卸荷，地层开始沉降，带动桥体沉降，桥体沉降约 3mm。 左线盾构进一步掘进，沉降范围在扩大，沉降量在累计，直至左线盾构完全通过陇海铁路箱桥，沉降量达到约 5.2mm。 右线盾构开始掘进，沉降范围在扩大，沉降量稍有增加，桥体沉降维持在约 6mm。 右线盾构完全通过陇海铁路箱桥，穿越过程，桥体沉降范围在进一步扩大，桥体最大沉降维持在约 6mm。 4.3 盾构掘进过程中箱桥桥体受力计
8、算 在盾构掘进过程中，箱桥桥体底板最大负弯矩 380KN.m，最大正弯矩281KN.m。 核实该框架桥的结构及其配筋，能够该工况的受力要求。 4.4 盾构下穿过程中桥体变化过程分析 盾构机开挖前，岩土体完成自身的固结沉降，随着盾构机每一步的开挖掘进，区间隧道因土体开挖初始地应力释放而会导致洞室周边岩土体发生相应的应变位移，主要表现为竖直方向上岩土体的沉降，从而引起桥体发生沉降。 运用 GTS 软件对施工开挖每一步进行模拟，其中每一开挖步产生的岩土体位移变化量相互叠加。通过观察分析每一开挖步桥体周边岩土体产生的位移变化量和桥体结构受力情况，可得出以下结论： 1）每一步开挖后，掌子面前方约 5m
9、范围内因为土体卸荷导致地表开始下沉，但由于盾构机在掌子面处有一定的支护作用，地表下沉量不是很大，由此引起的桥体沉降约 23mm。 2）随着盾构机的推进，在掌子面后方约 10m 范围内由于盾尾空缺以及建筑空隙引起的地表沉降逐渐增大，从而引起桥体沉降的增加，最大时达到约 6mm。 3）开挖面过去约 1015 米后，地层的扰动逐渐消失, 同时, 盾尾脱出后产生的周边岩土与管片间的建筑空隙得到了盾尾同步注浆的及时填充, 对地层产生了很好的支撑, 有效的抑制了地层沉降的进一步发展，沉降开始趋于稳定。 4）在盾构掘进过程中，通过有效的沉降控制措施，桥体在地层应力释放过程中的附加应力较小，原结构能够满足该工
10、况下的受力要求。 桥体沉降控制措施 为确保盾构的顺利掘进，保证铁路安全，首要条件是严格控制盾构施工过程中桥体的沉降。采取如下相关控制措施： 1）盾构掘进控制 对盾构到达铁路桥下方前 50m 范围内的掘进参数及地面沉降情况进行统计分析，确定合理的土压力设定值、排土率及掘进速度等，制定盾构掘进最优参数。推进速度和姿态控制：在过铁路桥时应适当放慢盾构的掘进速度，匀速穿越铁路区段，掘进速度宜控制在 2535mm/min 左右，以尽量减少对土体的扰动。 盾构机在距离铁路桥 20m 时，加强设备维修，进行刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备的检修，确保穿越过程中设备无故障。 加强对盾构掘进
11、中的工况管理，严防由于泥饼生成和土仓堵塞，避免在铁路桥范围内清洗土仓，减少盾构推进方向的改变。 盾尾密封一定要保证,加强盾尾舱的管理：在推进过程中，增加盾尾刷保护及其严格控制盾尾油脂的压注；并安排专人观察盾尾漏浆情况，确定无漏浆后再进行正常掘进。 2）盾构洞内注浆加固： 同步注浆：同步注浆量应控制在理论空隙量的 150%200%，注浆速度控制为 0.03750.0625m3/min。注浆材料应选用有 5%膨胀性能的浆液。 二次注浆：在通过铁路桥的区段内设置特殊衬砌环，增设管片注浆孔，加强二次注浆。二次注浆从盾尾后 5 环开始进行壁后注浆，二次注浆压力按比同步注浆压力高出 0.010.03MPa
12、 来控制。并应 5 环注一个环向聚氨酯加强环，使隧道掘进形成节段，这样既可以保证注浆的饱满，又可以隔断浆液的流动和流失。 3）行车限速 根据铁路工务安全规则慢行施工速度条件表 2.2.3 第 3 条，桥涵顶进慢行施工，施工期间限速 45km/h。由于盾构施工下穿铁路目前尚未明确的限速要求，且盾构施工安全性远远高于顶进施工，故偏于安全考虑，参照桥涵顶进慢行施工的限速要求，建议在盾构机通过铁路桥期间，列车在该路段限速 45km/h。 施工期间，应按规定设置行车条件。慢行起始点应设置在桥台范围之外。 4）监控量测 穿越前、穿越中及穿越后再掘进一定范围（通常为 100m）过程中，应加强桥体和地面沉降及
13、变形的监测。在过铁路处布设主观测断面，对桥体和地层做变形量测。充分重视监控量测信息化施工，及时优化调整掘进施工参数，做到信息化动态施工管理。 5）轨面调整准备 与铁路部门保持有效的沟通联系，预备石渣，做好出现险情时的补救预防准备。若在掘进施工过程中发现轨面沉降量达到 5mm 时，则立刻铺渣调整轨道高度。采用调整轨道扣件的办法（调整量在 10mm 范围）及时调整轨道高程，以满足铁路线路的标准。 结论及讨论 基于郑州地区密实的粉砂、粉土层中进行的盾构下穿铁路框架桥的三维计算分析，实现了通过盾构掘进中的相关控制措施，在不进行轨道架空和地面注浆加固的情况下，可以将铁路桥的沉降控制 6mm 以内，满足铁
14、路行车安全。同时，计算模拟显示，铁路桥在盾构掘进过程，附加应力较为有限，不需要对结构进行加强。 今后可结合类似的工程继续分析研究盾构掘进时的沉降成因和相关控制措施，为盾构下穿既有建构筑物，严格控制建构筑物的沉降和变形提供有力理论依据和数据积累，减少无谓的地面加固措施。 参考文献： 1宴成.盾构隧道下穿既有铁路框架桥工程安全性分析 J铁路标准设计，2011,7:84-87. 2徐干成，李成学，王后裕，赵学，胡萍.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析 J岩土力学，2009,12，增刊 2-0269-05:269-276. 3佘才高.地铁盾构隧道下穿铁路的安全措施 J城市轨道交通研究 2009,04：33-36 4王庆国，孙玉永.旋喷桩加固对控制盾构下穿铁路变形数值分析J地下空间与工程学报，2008,10:860-864 5田海波，宋天田.轨道交通 9 号线下穿铁路工程风险及对策研究J地下空间与工程学报，2007,02:147-150 6赵承志、苏华友.深圳地铁 5 号线穿越铁路区间隧道盾构法施工J山西建筑，2010,10:314-315
