砂卵地層下穿隧道開挖對近接鐵路高架安全影響

鄒見霞

(中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司, 四川成都 610031)

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砂卵地層下穿隧道開挖對近接鐵路高架安全影響

鄒見霞

(中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司, 四川成都 610031)

【摘要】針對成都市犀浦雙鐵站下穿隧道對鄰近既有的成灌高鐵橋墩基礎影響難題，運用現場調查、理論分析和現場測試等方法，在結合工程地質與水文地質條件和近接高架空間結構展布進行分析的基礎上，確定了合理的基坑開挖與支護方式，明確了橋墩監測方法與測點布置，獲得了近鄰施工路段SK3+820～SK3+920的三個橋墩(26#、27#和28#橋墩)開挖過程中對高鐵橋墩豎向沉降影響曲線。結果表明，基坑開挖到一定深度時基坑外土體在不平衡土壓力下產生側向變形，必須及時架設支撐，否則會導致支護結構的變形而引起基坑支護結構后側土體沉降變形；而對于成都強富水砂軟地層，隨著開挖深度的增加，基坑土體側向變形較大且工程降水使周圍土體移動變形，會對近鄰的高架橋墩沉降造成較大影響。

【關鍵詞】下穿隧道;高鐵橋墩;近接施工;沉降;安全影響

為滿足社會和經濟的發展要求，緩解城市交通日益擁堵的問題，各大城市利用地下空間大規模開展地下交通建設，其中地下隧道的設計和修建難免接近或穿越既有的建筑物和高架橋梁等設施。隧道的“近接施工”必然引起周圍地層的沉降和變形，從而對隧道頂部或上部鄰近既有的工程設施產生影響，甚至會影響其正常的使用。

本文以成都市犀浦雙鐵站下穿隧道對鄰近既有的成灌高鐵橋墩基礎工程為例，從施工加固措施及信息化監測兩個方面分析下穿隧道工程對成灌高鐵橋墩安全的影響。

1工程條件分析

老成灌路改造工程起于成都市金牛區與郫縣交界點，止于郫縣望從東路，全長12.88km。該隧道工程位于老成灌路上，橫跨犀安路口，緊靠成灌高鐵,犀浦雙鐵站前下穿隧道SK3+320～SK5+020段，長1 700m。其中SK3+320～SK3+535，長235m，為隧道的敞口段；SK3+SK4+785，長1 250m，為隧道的暗埋段。U形槽長450m，結構凈寬27.2m，圍護結構北側采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，南側采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁和混凝土鉆孔灌注咬合樁，支撐采用鋼管內支撐，沿線與成灌線高架橋并行(圖1)。

圖1　下穿隧道與成灌高鐵高架橋墩位置

1.1工程地質與水文地質條件

根據巖土工程勘察報告，該工程沿線地貌為成都冰水-流水堆積地貌，地勢東南低西北高，沿線方向海拔高度512～577m，高差65m，平均坡降3.1 ‰，位于成都平原區。犀浦雙鐵站前下穿隧道地層從上至下依次為第四系全新統人工填土，由碎石、砂土等組成，其間填充黏土，厚0～4m；第四系上更新統冰水-流水堆積層，粉質黏土層厚0～5m，卵石土層厚5～20m，局部較厚，中砂層砂質較純，厚0～2m；第四系中更新統冰水-流水堆積層的卵石土夾中細砂透鏡體，層厚大于20m。

1.2近接高架空間結構展布分析

隧道洞身暗埋段采用上下行分離式獨立雙洞框架結構，隧道洞身敞口段采用船槽結構，結構均采用鋼筋混凝土。下穿隧道采用明挖施工，隧道段基坑最大開挖深度約12m，圍護結構外邊緣距離成灌高鐵橋墩邊緣最小處約為7m，待建工程與周邊建筑空間結構關系見圖2。施工時應保證鐵路的運營安全。

圖2　待建工程與周邊建筑空間結構關系

工程下穿隧道采用明挖法，圍護結構外邊緣距離成灌高鐵橋墩基礎邊緣的最小凈距離為11.35m，基坑深度最深達12m，基坑南側為成灌高鐵橋墩，北側為成片住宅小區，施工過程中對成灌高鐵影響，具體體現如下。

(1) 施工期間井點降水引起成灌高鐵橋墩沉降。

(2) 井點降水致使成灌高鐵樁基周圍土體力學指標發生變化，從而影響橋墩基礎的承載力。

(3) 基坑開挖卸荷引起的土體側向變形，對橋墩的橫向位移變形可能產生影響。

對于成都這種強富水砂卵地層，在基坑開挖前需要做好坑內的防水和降水措施，使地下水位處于基坑開挖面以下，保證開挖工作面的干燥或少水狀態，在基坑放坡開挖段可以提高邊坡的穩定，而對于基坑支護開挖可增加被動區土抗力，減少主動區土體側壓力，從而提高支護體系的穩定度和強度保證,減少支護體系的變形[1-2]。

工程近鄰高鐵橋墩，而高鐵橋墩對于變形的要求較高，針對上述幾點的影響，要確保成灌高鐵運營安全，因此需要采取一定的措施保證高鐵橋墩在施工期間沉降值符合要求。

(4) 對成灌線橋墩樁周圍4倍樁徑范圍內土層不擾動。

(5) 基坑開挖做降水井降水過程中同時監測地表的變形及橋墩沉降，預留地下回灌井，一旦周邊地表建筑物沉降超出允許值可及時回灌。

(6) 基坑在開挖過程中及時架設支撐，近鄰高架橋一側采用C30素混凝土鉆孔和C30鋼筋混凝土鉆孔樁灌注樁組成咬合樁旋挖樁+鋼管內支撐系統維護(圖3)。

圖3　近接高架側基坑圍護咬合樁結構布置

(7) 近鄰成灌高鐵側基坑頂部避免堆載，減小對基坑變形的影響引起高架橋墩沉降，從而保證成灌高架的安全。

1.3基坑開挖與支護方式

基坑開挖周圍地表沉降的影響范圍主要由地層的性質、基坑的開挖深度(H)，圍護墻體的入土深度、下臥軟土層的深度及開挖支撐的施工方法等決定，基坑開挖周圍地表沉降影響范圍為(1～4)H[3]。Peek和Goldberg研究發現砂土和硬黏土的沉降影響范圍一般在2倍開挖深度內,而軟土中基坑影響范圍則要到達2.5～4倍開挖深度[4]。

由于本工程線路與成灌鐵路高架并行，鐵路高架在基坑開挖影響范圍內，所以應特別注意基坑開挖對近鄰高架橋墩的影響，明挖法施工基坑變形比較容易監控，質量可靠，因此本隧道段主要采用明挖法施工。

(1)在隧道下穿的起始敞口段SK4+985～SK5+020，長35m，基坑兩側1∶1坡率臨時開挖，深度較淺采用放坡開挖，開挖面噴射C20混凝土防護，層厚10cm。

(2)在SK3+355～SK4+985段，長達1 630m，基坑左右兩側采用C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁進行基坑臨時維護，鉆孔灌注樁徑1.2m,樁間距2.0m。

(3)先施工導墻，然后施工素混凝土鉆孔灌注樁和鋼筋混凝土鉆孔灌注樁形成咬合樁，樁身達到設計的所需強度80 %后澆筑冠梁(圖4)。

圖4咬合樁施工工序

(4)在基坑開挖前做降水井降水并同步監測地表及橋墩變形，疏干開挖邊坡及土體，便于開挖和保證邊坡的穩定性，待水頭降低至設計要求后，進行基坑施工。

(5)基坑土體采用分層分段開挖，及時分層分段對基坑側樁間掛網噴支護。開挖至需鋼支撐位置以下0.5m,安裝第二道、第三道鋼支撐后繼續開挖。

(6)在下穿隧道近鄰鐵路高架橋的一側采用1.2m咬合樁。咬合樁剛度大，可以防止基坑周圍土體變形，還可用于止水，使南側水位平衡，保證橋墩在施工期間沉降值符合要求。

2橋墩監測方法與測點布置

下穿隧道基坑開挖的深度大，基坑的安全等級為一級。由于基坑開挖卸荷影響，基坑周圍土體會出現一定變形，這對基坑周圍土體中的橋墩勢必會產生一定的影響，橋墩可能會出現沉降變形。結合該工程所處的周邊環境特點，施工監測范圍為3 H(H為基坑開挖深度)，在該范圍內的建(構)筑物均進行監測。

振弦式傳感器是一種頻率性傳感器，其輸出的頻率信號具有工作穩定可靠、抗干擾能力強、適合數據采集、遠程傳輸、自動化測量，廣泛應用于受外界影響嚴重，測量要求精度高的橋梁安全檢測[5-6]。在成灌高鐵運營期間實施，為確保工程施工過程中高鐵運營的絕對安全,在施工過程中采用振弦傳感器對成灌高鐵沿線橋墩進行監測，每個橋墩設置兩個監測進行監測，鄰近基坑一側監測點1和遠離基坑一側監測點2(圖5)。監測過程中鐵路高架橋墩累積沉降預警值為2mm，報警值為2.5mm，確保鐵路高架的安全。

圖5　橋墩監測點布置

圖6　高鐵橋墩監測點布設圖

具體在每個橋墩上，所布置的測點應處于同一水平線上，然后根據橋墩的沉降帶動儀器的沉降來計算該橋墩的沉降量(圖6)。再通過同一個橋墩左右兩側的的不同沉降量計算出橋墩的傾斜量。

3測試結果及其分析

通過對沿線高鐵橋墩連續3個月沉降監測數據統計，各橋墩的累計沉降量均在允許的預警之內。選取了近鄰施工路段SK3+820～SK3+920的3個橋墩(26#、27#和28#橋墩)作為研究分析對象來分析下穿隧道的開挖對高鐵橋墩豎向沉降的影響。該路段基坑開挖的深度達11.78m且近鄰成灌高架距離最近為9m。根據橋墩兩側豎向沉降數據得到了在基坑開挖時橋墩中線的累計豎向沉降量隨基坑開挖深度變化的曲線，如圖7所示。

圖7　鐵路高架橋墩沉降變化曲線

由圖7各橋墩沉降的變化趨勢可以看出，該路段橋墩的豎向沉降量隨著基坑開挖深度增加而增大。在0～3m時橋墩沉降呈現緩沉降，隨著基坑的開挖深度增加，沉降速率有所增加，在基坑開挖完工后沉降繼續且達到1.64mm，之后高架橋墩的沉降逐漸變緩并趨于平穩。

(1) 在基坑開挖前施工鉆孔灌注樁，本工程中灌注樁入土深度大，鋼筋混凝土樁長達21.3m。在基坑開挖兩周前需

施做降水井降水。這些前期施工過程中對周圍土體擾動而影響高架橋墩沉降，所以在監測的初期，基坑開挖未開始，橋墩出現微小的沉降。

(2) 在基坑的開挖過程中，開挖到一定的深度應及時架設支撐。但在開挖過程中基坑外土體在不平衡土壓力下產生側向變形，會導致支護結構的變形而引起基坑支護結構后側土體沉降變形。對于成都強富水砂軟地層，隨著開挖深度的增加，基坑土體側向變形較大且工程降水使周圍土體移動變形，從而對近鄰的高架橋墩沉降造成影響。

(3) 在基坑開挖完成后，基坑周邊應力重分布基本達到平衡狀態，土體的沉降變形較小，橋墩沉降變緩且逐漸趨于平穩。

4結論

(1) 下穿隧道工程位于強富水砂軟地層且鄰近鐵路高架，高鐵橋墩變形要求較高，在基坑開挖前近接高架一側采用剛度大的咬合樁技術，既可以防止土體過大變形還可以止水，以減小對高架橋墩沉降影響。

(2) 下穿隧道開挖施工造成的周圍地表沉降和土體移動會對附近建筑物造成較大的危害，特別對于一些沉降要求高的高架橋，在施工前須進行精確的計算及在基坑開挖采取合理的支護措施，并建立合理的監測預警系統，以確?；娱_挖及近接高架橋的安全。

參考文獻

[1]鄺健政,杜嘉鴻. 巖土注漿理論與工程實踐[M]. 北京:科學出版社,2001.

[2]JamesWarner. “CompactionGroutingMechanismWhatDoWeknow.”Grouting:CompactionRemediationandTesting, (EditedbyC.Vipulanandan)ASCE,GeotechnicalSpecialPublicationNo.66,1997: 1-8.

[3]閆文鵬. 深基坑開挖變形與控制技術研究[D]. 山東科技大學，2011.

[4]Peek,Goldberg.Deepexeavation&tunnelinginsoftgroun[C]//.State-of-the-Art-RePort;Proeeedingsofthe7thIntConfsoilMech,Fdn.Engrg,F,1969:113-12.

[5]陳常松,顏東煌,陳政清.混凝土振弦式應變計測試技術研究[J]. 中國公路學報,2004 ,17(1):29-33.

[6]毛良明,王為勝,沈省三.振弦式傳感器及自動化網絡測量系統在橋梁安全監測系統中的應用[J].傳感技術學報,2002 (1) : 73-76.

[作者簡介]鄒見霞(1981～)，女，大學本科，工程師。

【中圖分類號】U456.3

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-03-21