京沈客專朝陽隧道下穿既有錦赤鐵路橋梁施工安全性數值分析

陳 宇

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

近年來，隨著國家基礎建設迅猛發展，新建高速鐵路與既有公路相互交叉，新建隧道近接既有結構物的工程案例越來越多。隧道施工過程中需要同時保證新建隧道的施工安全和既有結構物的安全穩定，特別是新建隧道下穿既有橋梁時，需采取可靠的工程措施予以解決存在的安全隱患，否則會造成既有結構破壞，影響正常使用。

文獻[1]通過數值模擬對新建隧道出口段近接穿過已建高架橋采用不同開挖方法時，施工的安全性進行了全面分析，確定開挖方案和施工監測重點。文獻[2]采用數值模擬計算估算城市地鐵隧道下穿既有橋梁時橋梁基礎變形，根據推算梁體的次應力判斷既有橋梁的安全狀態，以便確定地鐵隧道施工方法以及對橋梁的加固措施。在新建隧道近接下穿既有橋梁施工研究方面，絕大多數研究均集中于淺埋暗挖法及盾構法施工的城市地鐵和地鐵車站近接既有城市橋梁施工，且施工所近接的既有橋梁一般多為公路梁橋，很少研究新建鐵路隧道施工對下穿既有鐵路橋梁安全性的影響。特別是在我國交通基礎設施建設大跨步發展的今天，新建鐵路隧道近接既有各種橋梁的工程將日益增加。因此，對新建隧道下穿既有鐵路橋梁的研究具有重要的現實意義[3-14]。

本文結合新建北京至沈陽客運專線工程(以下簡稱京沈客專)下穿既有錦赤鐵路霍家特大橋的工程實例，通過采取合理的工程措施，采用Flac3D數值分析軟件對隧道施工過程中引起地表沉降變形、橋墩位移等方面進行了計算分析，確保隧道施工過程中既有線安全運營。

1 工程概況

1.1 新建隧道下穿段概況

京沈客專朝陽隧道進口里程DK407+100，出口里程DK413+850，全長6 750 m，最大埋深約140 m，地層以凝灰質礫巖、安山巖為主。

朝陽隧道在DIK410+042.15處隧道下穿錦赤鐵路霍家特大橋4、5號橋墩，交叉角度120°20′，如圖1所示。錦赤鐵路既有軌面高程260.84 m，京沈客專軌面設計高程為223.56 m，地面高程為241～242 m，覆土約8.1 m，橋梁樁基設計為摩擦樁。地面距離既有霍家特大橋梁底16 m，滿足梁下施作鉆孔樁凈高要求(一般5～6 m即可)，如圖2所示。

圖1 橋隧平面位置關系示意

圖2 橋隧立面位置關系示意(高程單位：m，其余cm)

1.2 既有特大橋結構現狀

京沈客專下穿錦赤鐵路霍家特大橋位置處，錦赤鐵路是高架鐵路結構，隧道下穿的4號橋墩的中心里程DK112+264.887，承臺長寬分別為7.7 m和5.4 m，承臺底埋深約3 m，6根φ1.0 m橋樁，單樁長度22 m；5號橋墩中心里程DK112+297.667，承臺長寬分別為7.7 m和5.4 m，承臺底埋深約3 m，6根φ1.0 m橋樁，單樁長度26.5 m，兩橋墩之間的距離為32.5 m，4號及5號橋墩縱斷面如圖3所示。

圖3 4號橋墩及5號橋墩縱斷面(高程單位：m，其余cm)

1.3 工程地質與水文地質

橋隧交匯處里程為DK410+042.15，地質情況為：凝灰質礫巖，灰褐色，強風化，層狀構造，巖體破碎，呈碎石角礫狀結構，該處圍巖分級為Ⅴ級，圍巖破碎，易坍塌掉塊。

DK407+000.0～DK410+735.0隧道區地下水類型主要為基巖裂隙水。地下水位和水量受季節降雨量影響明顯，勘探期間，該段洞身范圍內未見地下水。

2 工程措施

2.1 隔離防護措施

DIK410+010～DIK410+080段采用鉆孔灌注樁，樁間距1 000 mm，樁徑800 mm，打設深度至仰拱以下2.5 m，樁長23 m。鉆孔樁外側距離既有橋梁墩臺0.8 m，鉆孔樁內側距離隧道最大跨處0.28 m。隔離樁頂設冠梁，冠梁間設鋼筋混凝土橫撐。臨近既有墩臺處的鉆孔樁配筋加強，加大剛度。

2.2 地表注漿加固土體及止水帷幕

(1)小導管注漿加固隔離樁間隧道頂土體。隔離樁間采用φ42 mm小導管進行地表注漿，加固隧道頂土體，加固深度至隧道開挖輪廓線。

(2)袖閥管注漿加固及止水帷幕。隔離樁外側3 m范圍內采用袖閥管注漿，形成止水帷幕，必要時補充注漿，確保注漿效果。

2.3 隧道施工中地層加固措施

(1)超前支護加固。DIK410+010～DIK410+080段隧道拱部140°范圍采用φ89 mm超前中管棚配合φ42 mm超前小導管支護。

(2)洞內注漿加固。DIK410+026～DIK410+063段隧道內采用拱部徑向注漿措施，實現堵水及加固效果，避免隧道掘進過程中發生塌方。

2.4 施工方法

DIK410+010～DIK410+080段采用三臺階法施工，利用單臂掘進機非爆破開挖，避免爆破振動對既有橋墩的影響。

2.5 加強襯砌

考慮下穿段地質情況，采用加強復合式襯砌，支護參數如下。

(1)初期支護。全環噴C30混凝土，厚度35 cm；拱墻設置φ8 mm鋼筋網，間距20 cm×20 cm；拱部有條件施作錨桿部位采用φ22 mm中空注漿錨桿，環向間距1.2 m、縱向間距1.0 m；全環設置I25b型鋼鋼架，縱向間距0.6 m。

(2)二次襯砌。襯砌材料采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度60 cm、仰拱厚度70 cm；主筋采用φ22 mm HRB400鋼筋，間距100 mm，縱筋采用φ16 mm HRB400鋼筋，環向間距250 mm[6]。

3 隧道施工對既有橋梁安全性評價

3.1 計算模型

為便于分析計算，在建立計算模型中做如下假定：其一各種材料均為各向同性；其二土體按彈塑性計算，混凝土結構按彈性計算。

在建立計算模型時，采用位移邊界條件，模型的頂面土體為自由邊界，模型底面設為豎向約束，兩側面為水平約束[7]。

三維模型沿霍家特大橋方向涵蓋4號、5號橋墩及其樁基，沿隧道前進方向涵蓋里程DK400+990～DK410+100段，根據有限元計算原理及計算能力，兼顧考慮邊界條件的影響，合理確定計算規模如下。

(1)長度方向(X方向)：沿隧道前進方向，模型在該方向上取110 m。

(2)寬度方向(Y方向)：與隧道前進方向垂直，模型在該方向取97.5 m。

(3)深度方向(Z方向)：考慮到5號橋墩的樁基長26.5 m，模型在土層深度方向上取45 m。

各土層、注漿加固層、隔離樁、初支、二襯、超前支護、4號和5號橋墩的承臺及橋墩用實體單元模擬；樁基用梁單元模擬。三維整體有限元計算模型如圖4所示。4號和5號橋墩與下穿隧道的位置關系模型如圖5所示。

圖4 整體有限元計算模型

圖5 橋墩與區間位置關系

3.2 計算荷載

(1)隧道施工期間，考慮土層、橋墩結構(含橋墩、承臺及樁基)及隧道結構的自重荷載。

(2)地面超載按20 kPa考慮。

(3)橋墩墩頂豎向荷載400 kPa。

3.3 參數選取

根據工程地質縱斷面圖、《巖土工程勘察報告》及相關設計資料，將模型45 m深度范圍內的土體近似分為5層，土層計算參數選取如表1所示，結構計算參數選取如表2所示。

表1 土層計算參數

表2 結構計算參數

3.4 施工過程模擬

3.4.1 初始地應力平衡

在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載作用下，已固結沉降完畢，隧道施工是在此基礎上進行的，需要將已完成固結沉降的原狀土作為后續施工步的初始狀態。因此，計算分析時，需先建立初始自重應力場。在有限元模擬隧道施工過程時，若要達到天然土層的初始狀態，必須平衡初始地應力，使得在土體模型中只存在初始應力場而不出現初始位移。第一階段利用模型計算出土體及結構在自重作用下的位移場和應力場，通過Midas/GTS的位移清零功能消除已經完成的沉降位移，并構造初始應力場[7]。

3.4.2 施工過程模擬

隧道施工采用礦山法非爆破開挖，開挖過程為三臺階法。具體的施工步序如表3所示。

表3 施工步序

3.5 計算結果分析

京沈客專朝陽隧道下穿錦赤鐵路霍家特大橋的施工過程對既有鐵路橋結構及地表產生一定程度的附加變形，為有效了解這種附加變形，將分析各工序下橋梁結構(承臺及樁基)的X向變形、Y向變形和豎向變形。依據上述模型的計算結果，為了簡潔、直觀地反映既有結構的變形情況及規律，下面將提取下穿過程中的典型階段進行分析，主要有：施工開始(CS4)、隧道接近4號橋墩(CS28)、從4號橋墩旁邊通過(CS34)、接近5號橋墩(CS49)、從5號橋墩旁邊通過(CS55)、遠離5號橋墩(CS64)、施工完成(CS92)。

3.5.1 土體變形

(1)X向位移

施工完成時，土體水平位移(X向)云圖如圖6所示。

由圖6可以看出，隧道施工對地層產生擾動，土體產生水平方向的變形，施工結束后，地表X向位移約為-5.6 mm，背向開挖面向小里程方向移動。

(2)Y向位移

施工完成時，土體水平位移(Y向)云圖如圖7所示。

圖6 土體水平方向位移(X向)

圖7 土體水平位移(Y向)

由圖7可以看出，隧道施工引起土體產生Y方向的位移。從地表的位移趨勢可以看出，靠近4號橋墩一側的土層Y向位移為正，靠近5號橋墩一側的土層Y向位移為負。

施工結束后，地表最大Y向正位移約為8.57 mm，負位移約為7.27 mm，發生在第一步開挖土體位置處。4號橋墩周邊地表最大Y向正位移約2 mm，5號橋墩周邊地表最大負位移約3 mm。

(3)Z向位移

施工完成時，土體豎向位移(Z向)云圖如圖8所示。

圖8 土體豎向位移

從圖8可以看出，隧道施工引起地層損失，使土體發生Z向位移，隧道頂部土體產生沉降，底部由于卸荷出現隆起，同時，地表產生較大的沉降，地表沉降槽寬度在4號與5號橋墩位置略有減小，分析原因是橋墩周邊土體采取了注漿加固措施且橋墩結構的剛度較大，變形小于土體所致。

施工結束后，地表最大豎向位移為24.6 mm，發生在第一步開挖土體位置處，4號、5號橋墩周邊地表最大沉降值約為9 mm。

3.5.2 承臺及樁基變形

隧道施工引起土體的移動，勢必會帶動埋在土中的4號及5號橋墩樁基及承臺的變形。以4號及5號橋墩的承臺及樁基為研究對象，分別觀察其在施工階段X、Y、Z三個方向的位移變化情況。

(1)Y方向位移

隧道施工過程中，4號、5號橋墩的承臺及樁基Y方向的位移歸納如表4所示。

表4 承臺及樁基Y方向位移 mm

從表4可以看出，隧道施工過程中，引起4號及5號橋墩的承臺及樁基向4號橋墩一側移動。隨著施工的深入，4號及5號橋墩的承臺及樁基Y方向位移逐漸增大。施工結束后，4號橋墩最大位移為2.48 mm，5號橋墩為-2.3 mm，均出現在樁底。

(2)X方向位移

施工過程中，4號、5號橋墩的承臺及樁基X方向位移歸納如表5所示。

表5 承臺及樁基X方向最大位移 mm

從表5可以看出，從開始施工至遠離5號橋墩的過程中，4號及5號橋墩橫向的位移逐漸增大，且位移方向與隧道開挖前進方向相反。從開始至隧道通過4號橋墩的過程中，4號橋墩的位移增大更多，隧道開挖經過4號橋墩后，5號橋墩X方向的位移增大更多，4號橋墩X方向最大位移為-4.21 mm，5號橋墩為-4.51 mm。遠離5號橋墩后橋墩位移呈現減小的趨勢。最大橫橋向位移逐漸減小至-3.23 mm。

(3)豎向位移

通過對施工過程中，4號、5號橋墩的承臺及樁基的豎向位移的計算分析可知，隨著施工進行，橋樁豎向沉降逐漸增大，施工結束后，5號橋墩最大沉降量為0.16 mm。與X、Y方向位移相比，樁豎向沉降很小。

4 結論

(1)根據京沈客專和既有錦赤鐵路的交叉位置關系，朝陽隧道下穿段的地質條件為圍巖破碎，易坍塌掉塊，隧道施工中需采取一定的防護和工程措施等。

(2)隧道下穿錦赤鐵路霍家特大橋施工過程中，由于礦山法開挖，造成土體擾動、地層損失等因素會引起地層產生移動和變形，導致鄰近的4號和5號橋墩及樁基發生移動和變形。

(3)利用有限元模擬計算分析，通過預測隧道下穿施工過程對臨近橋墩的影響程度及可能帶來的危害，為實際施工提供理論依據，以確保施工過程的安全和控制橋樁的變形在允許范圍之內。

(4)京沈客專朝陽隧道下穿錦赤鐵路霍家特大橋4號及5號橋墩施工過程中，土體及橋墩結構發生一定的變形。通過數值計算可知，4號及5號橋墩的承臺及樁基X方向最大位移為3.55 mm，Y方向最大位移為2.48 mm，Z方向最大位移為0.16 mm。

通過計算分析可知，采取隔離防護、注漿堵水、超前支護等一系列措施后，隧道各開挖步驟產生的位移均小于5 mm的預警值，故朝陽隧道和錦赤鐵路交叉處，采取的工程措施是可行的，施工風險是可控的。

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