盾构下穿铁路箱涵施工变形控制技术研究
摘要:结合南昌地铁 1 号线区间隧道在丁公路北站—师大南路站区间下穿京九铁路箱涵桥工程，采用有限差分程序对盾构施工过程中土层及结构的变形进行了仿真计算，分析了隧道施工对铁路桥、公路路面与轨道结构的影响。
计算结果表明，框构桥的整体沉降最大沉降量超过标准限值，必须对框构桥底板下部土层进行加固，建议检测框构桥底板脱空程度，及时进行注浆加固处理，以保证地铁隧道安全顺利穿过运营铁路桥。
关键词:盾构隧道框构桥沉降变形
近年来，随着我国基础设施建设工程的开展，城市轨道交通得以持续快速发展，地铁下穿既有建( 构) 筑物工程较多，这类工程施工难度高、风险大，一旦出现问题，将会造成极大经济损失。
因此，开展地铁下穿既有建( 构) 筑物工程变形控制技术研究，保证既有设施安全服役，具有十分重要的意义。
本文以南昌地铁1号线盾构穿越京九铁路箱涵为例，重点研究盾构下穿过程中既有铁路箱涵桥、公路及地铁区间隧道的变形情况，提出相应的变形控制技术，为类似工程提供参考。
1 工程概况
南昌地铁1 号线区间隧道在丁公路北站—师大南路站区间需下穿京九铁路箱涵桥。
勘察场地为赣江Ⅱ级阶地，地震设防烈度为Ⅵ度。
勘察期间( 枯水期) 区段地下水水位标高为9. 68 ～11. 22 m，地下水位位于隧道顶板以上。
京九铁路箱涵桥基础底标高为11. 70m，基础底距隧道7. 12 m。
工程位置及地层情况见图1。
2 沉降计算分析
2. 1 计算模型与参数
隧道及铁路桥模型均采用现场实际尺寸，框构桥模型为50. 00 m ×37. 10 m ×55. 80 m。
共划分131 88 6个单元，140 343个节点。
考虑到框构桥与各层土体在初始应力平衡及加载期间会出现滑移与
脱空，在框构桥与土层之间建立接触面。
计算模型如图 2 所示。
计算采用弹塑性三维地层与结构共同作用模式，地层、支护结构等参数均参照前期的现场勘察报告选取。
参数如表 1 所示。
区间隧道支护参数如表2所示。
管片幅宽1. 2 m，厚度为0. 3 m，盾构机主机长度为8. 0 m，盾构外径6. 1 m，同步注浆压力上部为0. 20MPa，下部取为0. 15 MPa，掌子面土压平衡力0. 20MPa。
公路荷载按照均布荷载施加，取为20. 00 kPa。
列车荷载按照ZK 荷载施加，荷载如图 3 所示。
2. 2 正常施工计算结果分析
本次计算用提高土体力学参数的方法模拟盾尾同步注浆加固效果，首先掌子面施加顶进压力，盾壳支撑上覆土压力，待盾尾脱离后，激活管片单元，并在盾尾上部土层表面施加同步注浆压力，下部施加0. 5 倍的上部注浆压力，上行和下行隧道前后错开开挖。
2. 2. 1 区间隧道围岩的变形分析
区间隧道拱顶沉降监测点布置如图4 所示。
区间隧道拱顶沉降分布如图5 所示。
由图5 可知，由于路面荷载与列车荷载的作用，隧道拱顶各测点均产生了轻微的初始沉降。
随着开挖环数的增加，由于盾壳的支撑作用，距离掌子面距离近的测点拱顶出现微小沉降，而距离掌子面距离远的测点，对土的扰动较小，沉降量几乎为0，当开挖至第8 环时，盾尾脱出，应力得到一定的释放，发生较大沉降量，之后拼装管片，施加注浆压力，拱顶沉降有所减小，当盾尾脱出左线后，该测点沉降量达到最大值22. 00mm，超过限值10. 00 mm。
由图 6 可以
看出，右线的开挖与左线的开挖规律相同，最终右线沉降量最大值为25. 45 mm，右线拱顶下沉量超过限值10. 00 mm。
2. 2. 2 隧道施工对框构桥的影响分析
1) 框构桥的沉降分析
框构桥沉降监测点布设如图7。
图8 为框构桥底板沉降图。
可以看出: 左线开挖时，框构桥底板由于刚度较大，底板沉降量较为均匀，且框构桥底板沉降随着开挖环数的增加而逐渐增加，当盾构掌子面到达框构桥底板，由于盾壳的支撑作用，盾构机通过框构桥过程中，框构桥的沉降量变化较小，基本在9. 0 mm 左右，当盾尾脱出框构桥后，沉降量逐渐增加。
右线开挖时，框构桥沉降量也逐渐增加，最终框构桥沉降量最大值为23. 1 mm，超过限值15. 0 mm。
2) 框构桥差异沉降分析
隧道施工将会引起框构桥出现差异沉降现象，过大的差异沉降将导致框构桥底板出现裂缝，因此，有必要对框构桥的差异沉降进行计
算。
测点布设见图9。
沉降差异见图10，由图10 可以看出，左线通过时，随着开挖环数的增加，框构桥角点沉降量逐渐增加，当开挖至第8 环时，盾尾脱出，最终角点沉降量最大值为15. 20 mm，右线通过时角点下沉量最大为25. 03 mm。
差异沉降为5. 38 mm，远小于要求0. 001L = 0. 001 ×30 800 = 30. 80 mm( L 为桥跨长) 。
3) 隧道施工对路面的影响分析
框构桥路面沉降监测点布设见图11。
沉降量见图12，由图12 可以看出，左右线隧道的开挖规律相同: 由于初始路面荷载与列车荷载的作用，主路路面各测点均产生了轻微的初始沉降，且距离框构桥远端位置处的拱顶沉降量小于正对框构桥下方拱顶沉降量。
随着开挖环数的增加，由于盾壳的支撑作用，距离掌子面距离近的测点，路面只出现微小沉降，而距离掌子面距离远的测点，对土的扰动较小，沉
降量几乎为0。
当开挖至框构桥时，由于盾壳的支撑作用，沉降量变化较小，最终路面下沉量为23. 3 mm，超过限值10. 0 mm。
4) 隧道施工对轨道结构的影响分析
轨道结构沉降测点布设见图13。
沉降量见图14，由图14 可知，左线和右线隧道通过后，轨道最大沉降量为3. 24 mm，小于限值 4. 00 mm，轨道结构处于安全状态。
3 盾构下穿铁路框构桥加固措施分析
3. 1 加固措施简介
由数值计算结果可知，正常施工条件下，隧道拱顶、框构桥及公路路面沉降均会超标，需采取加固措施保证地铁区间隧道施工时铁路桥的运营安全。
通过分析及专家论证，本次施工拟采用路面布设带角度的注浆加固和管片内注浆孔注浆的方法对铁路箱涵进行加固，共分为两个阶段进行。
盾构推进到达前，铁路线路预加固。
采取通过框构桥底面进行袖阀管加固，在路面布设带角度的注浆管对隧道拱部土层进行注浆加固，注浆管倾斜角度15°，加固范围为框构桥底板下3 m 范围内土层。
并且框构桥以及前后各10 m 范围内进行注浆加固，加固后固结模量不少于250 MPa。
铁路桥地基加固平面布置如图15 所示。
为了保证铁路的安全，线路下部主加固区的注浆工艺如下: ①采用分层注浆加固，实施第一层斜孔注浆，注浆孔与地面的夹角为15°，并采用复合浆液，缩短胶凝时间，以控制注浆压力和扩散范围，减小注浆对基床的影响; ②第一层斜孔注浆完成后，进行下部深层注浆加固，注浆压力和注浆速度应根据线路变形的监测数据进行调整。
注浆引起的隆起量控制在 2 mm 以内。
线路外侧的过渡区，应根据地形和地表建筑物情况，进行适当的注浆加固。
铁路桥地基加固剖面布置如图16 所示。
3. 2 加固后计算结果分析
加固后计算模型如图17 所示，框构桥沉降云图如图18 所示。
49%，区间隧道拱顶下沉量为8. 0 mm，公路路面沉降量为7. 2 mm，各项均满足本次施工设定的标准要求。
4 结语
地铁区间隧道下穿铁路框构桥施工风险大，计算结果表明框构桥的整体沉降最大沉降量达到25. 25mm，超过标准限值。
因此，必须对框构桥底板下部土层进行加固处理。
本次施工采用路面布设带角度的注浆管注浆加固和管片内注浆孔注浆加固的方案，能有效改善围岩及上部土层性能，将框构桥、公路及区间隧道本身的沉降控制在容许的范围内。
同时，在车辆、施工等动荷载作用下，周围土体会出现松弛，框构桥底板会出现脱空现象，恶化其受力状态，加速疲劳破坏。
由于脱空病害具有隐蔽性，建议用物探等检测方法检测脱空位置、脱空程度，及时进行注浆加固处理，避免底板脱空现象进一步发展，改善桥梁受力状况，保证区间隧道施工过程中铁路桥安全服役。
建议施工单位加大监测频率，实时掌握桥梁变形情况，若变形有超标迹象，则加大注浆范围。
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