地铁隧道下穿铁路框架桥的安全性与对策分析

冯 超， 朱 旺， 于康庆

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 四川成都 610031)

1 工程概况

成都轨道交通9号线一期工程锦城大道站～三元站区间左右线隧道下穿成昆铁路桥。成昆铁路桥框架段，道床类型为有砟道床。隧道顶与铁路桥底板最小竖向净距约16.98m，埋深约25.93m。成昆铁路设计阶段为单线铁路，后经复线改建后，现在为双线铁路。区间左右线隧道下穿成昆铁路桥框架段，相交角度约90°，空间位置关系如图1、图2所示。区间左右线隧道在下穿段位于中等风化泥岩层中，隧道周边地层从上至下主要为杂填土、稍密卵石土、中密卵石土、密实卵石土、强风化泥岩、中风化泥岩，地下水位线埋深约6.5m。为了分析地铁隧道下穿铁路框架桥的安全性，本文开展相应分析。

图1 左右线隧道与铁路桥平面示意

图2 左右线隧道与铁路桥剖面示意(单位：mm)

2 强度折减法

在理想弹塑性的数值模拟计算中，将岩土体的抗剪切参数进行折减，直到发生整体或者局部破坏为止[3]。令隧道的强度安全储备系数为w，折减后岩土体的抗剪切强度为：

对于岩土体强度参数的折减，则有

安全储备系数所对应的状态即为隧道的极限状态，对于极限状态的判据可分为：

(1)以特征点的位移(隧道拱顶的竖向位移、拱腰的水平位移等)发生突变作为极限状态的判据；

(2)以塑性区从拱顶到地表发生贯通作为隧道极限状态的标志；

(3)以数值计算不收敛为判据。

对于受剪破坏为主的隧道极限状态三种判据的安全储备系数有着较好的一致性[4]，本文选取第一种判据在有限差分软件FLAC3D中求解整体模型的安全系数。

3 建模计算

本文应用FLAC3D软件，采用地层结构分析方法，建立有限差分模型进行施工过程的仿真模拟及有限元强度折减过程的模拟。

3.1 计算模型

计算采用平面应变模型，断面模型如图3所示。计算模型横向取120m，竖向取60m。从上到下土体依次为杂填土、卵石土、强风化泥岩、中风化泥岩。采用实体单元，共9 812个单元。模型服从摩尔-库伦屈服准则，应力场按自重应力场考虑。

图3 平面计算模型

3.2 计算参数

结合地勘资料、TB10003-2016《铁路隧道设计规范》、GB50157-2013《地铁设计规范》和相关文献，进行围岩、钢筋混凝土的物理力学参数选取，具体如表1所示。

表1 围岩和框架桥物理力学参数表

成昆铁路为Ⅰ级铁路，列车荷载采用ZKH荷载，参考TB10001-2016《铁路路基设计规范》[3]和TB10093-2017铁路桥涵地基和基础设计规范[4]：列车荷载采用等效均布荷载，列车荷载自轨枕底面端部向下按45 °扩散，作用在路基面上的单位荷载为67.81kPa，考虑到列车的动力影响，取动力系数为1.4，最终换算为94.93kPa的均布荷载。

4 盾构隧道安全性分析

4.1 左洞开挖

根据施工实际，左洞先行开挖，利用强度折减法，对于盾构隧道进行分析，在列车荷载作用下，区间左线隧道开挖完成且无支护条件下，通过强度折减得到轨道交通9号线区间左线隧道拱顶位移与折减系数的关系曲线，如图4所示，盾构隧道开挖完后的整体安全系数为2.78。

图4 隧道拱顶沉降与折减系数关系曲线

4.2 右洞开挖

在列车荷载作用下，隧道全断面开挖且无支护条件，通过强度折减得到轨道交通9号线区间左右线隧道拱顶位移与折减系数的关系曲线(图5)，盾构隧道开挖完后的整体安全系数为2.35。

图5 隧道拱顶沉降与折减系数关系曲线

由计算结果可以看出，在考虑成昆铁路列车荷载时，区间左线施工完成后再施工区间右线，整体安全系数由2.78降低至2.35，降低的幅度较低。在实际盾构工程中，裸洞一般是不存在的，因此盾构隧道安全系数较裸洞计算应大得多，区间左右线隧道初始风险度低，盾构施工安全性高。

5 应力补偿

区间左右线盾构隧道施工过程中，会对周边岩(土)体和建(构)筑物产生扰动，导致变形和应力的变化[2]。鉴于成昆铁路对框架段变形的严格要求，盾构隧道施工不仅要保证自身的稳定和安全，还需要满足成昆铁路框架段的位移变形要求。结合现场施工情况，盾构法施工的隧道可以通过调整注浆压力以及及时施作管片进行应力补偿，从而控制变形。

隧道开挖会导致围岩卸载，发生应力重分布。在实际施工中，结合现场施工情况，通过控制注浆压力、支护强度、施作时间，可以实现应力补偿[5]。借助注浆托换技术，可以灵活地控制应力补偿率[7]。为了研究不同应力补偿率下的铁路框架段和隧道结构变形情况，选取0 %～150 %的应力补偿率(按10 %的梯度变化)进行系统地计算与分析，从而确定满足框架段变形要求的应力补偿率区间(应力补偿率100 %对应的应力为0.55MPa)。在数值计算模型中，选取既有铁路框架段和区间左右线隧道多个特征点进行位移监测，具体测点布置如图6所示。

图6 铁路桥框架和盾构隧道测点布置

5.1 框架段顶板竖向位移

在不同应力补偿率下，区间左右线盾构施工且无支护时框架段顶板竖向位移如图7所示。

图7 框架段顶板竖向位移与应力补偿率关系

由图7可知，随着应力补偿率的不断增大，框架段顶板上的最大沉降从-2.08mm减小至-0.28mm。当应力补偿率在0 %～100 %区间时，最大沉降出现在框架段最左侧；当应力补偿率在110 %～150 %区间时，最大沉降出现在框架段最右侧。轨道10m弦最大矢度值从0.05mm减小至0.01mm。

计算结果表明：应力补偿率在0 %～150 %之间，框架段顶板10m弦最大矢度值都不超过控制值；在应力补偿率小于70 %时，既有铁路框架段的最大变形将超过控制值。为减小盾构隧道施工对上方既有铁路的影响，保证铁路运营安全，满足正常使用要求，当应力补偿率控制在70 %～150 %之间时，可以使框架段顶板的竖向位移不大于±1mm。

5.2 框架段底板竖向位移

在下穿过程中，框架桥底板与盾构隧道的距离更近。在不同应力补偿率下，区间左右线盾构施工且无支护时框架段底板竖向位移如图8所示。

图8 框架段底板竖向位移与应力补偿率关系

由图8可知，随着应力补偿率的不断增大，框架段底板处的最大沉降从-2.08mm减小至-0.28mm。框架段顶板与底板的位移与应力补偿率的关系在形式与数值上基本一致，说明框架桥的整体结构刚度较大，在隧道的开挖过程中，变形较协调。

在列车荷载作用下，框架段顶板与底板变形有一定增加，但其影响有限。框架段顶板与底板变形受下方新建隧道施工应力补偿率大小影响较大：对于无列车荷载，在应力补偿率控制到40 %以上时，可使顶板与底板竖向位移不大于±1mm；对于有列车荷载，在应力补偿率控制到70 %以上时，可使顶板与底板竖向位移不大于±1mm；轨道10m弦最大矢度值一直处于控制值范围内。

5.3 管片施作与注浆压力对位移的影响

通过以上分析发现应力补偿控制到70 %以上时，可以满足变形要求，对应的注浆压力为0.4MPa。若开挖完成后及时施作管片，也可实现应力释放。管片与注浆对框架桥顶板的竖向位移影响如图9所示。

图9 注浆与管片对框架桥顶板位移影响

开挖完成后立即施作初支，顶板最大竖向位移为-0.6mm，最小竖向位移为-0.15mm，满足位移沉降要求。全环均布注浆0.4MPa，最大沉降为-0.6mm，最小为-0.3mm。全环注浆相对于管片而言，可以有效控制框架桥的差异沉降。

6 结论

(1)采用数值模拟手段对典型断面的隧道开挖影响进行分析，区间左右线盾构隧道在全断面开挖且不支护的条件下，有列车荷载作用时的最小整体安全系数为2.35；且在实际盾构工程中，裸洞一般是不存在的，因此盾构隧道安全系数较裸洞计算应大得多，区间左右线隧道初始风险度低，盾构施工安全性高。

(2)应力补偿率对成昆铁路桥框架段的变形影响大，在盾构施工过程中必须做好充分保压、保证同步注浆的压力。与直接施作管片相比，全环均布注浆能有效控制框架桥的差异沉降。

(3)采用应力补偿技术可以将框架段顶板沉降控制在±1mm以内，为了保证安全，要求盾构施工的同步注浆压力达到0.4MPa，注浆材料宜采用硫铝酸盐水泥浆，以降低收缩率，保证主动托换地层的效果。