北京地鐵新機場線下穿京滬高速鐵路特大橋施工安全控制研究

武俊杰

(中鐵二十三局集團第六工程有限公司， 重慶 400012)

隨著我國城市建設的迅猛發展，城市軌道交通在給人們的出行帶來便利的同時，其線路施工空間也面臨極大挑戰。在保證既有結構正常運營的同時，施工中如何有效采取防護措施成為近接隧道研究的關鍵。

近年來的主要研究有：對下穿車站工程的施工方案優選與安全性評估[1-3]，對近接樁基、墩柱等的影響分區研究[4-6]，下穿近接工程對既有結構的變形控制技術、現場監測沉降規律、力學影響規律研究[7-8]等。但對隧道暗挖下穿運營高速鐵路大橋的施工安全研究較少，因此本文依托北京地鐵新機場線下穿京滬鐵路特大橋工程，對橋梁墩柱位移控制技術與隧道結構安全進行研究，以確保新建隧道地鐵施工時既有鐵路橋梁的安全運營及隧道施工的有序進行。

1 工程概況

1.1 工程地質

根據詳勘資料，揭露地層最大深度為55.0 m。根據收集資料、鉆探資料及室內土工試驗結果，按地層沉積年代、成因類型，將本區段工程場地勘探范圍內的土層劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀全新世沖洪積層、第四紀晚更新世沖洪積層和新近紀沉積層4大類。

1.2 線路概況

北京新機場折返線區間左右線分別于ZK 43+705～ZK 43+736、YK 43+716～YK 43+749段下穿北京特大橋，既有京滬高鐵里程為K 3+924.87～K 3+990.50，對應京滬高鐵北京特大橋12號墩～14號墩。新機場折返線與既有京滬高鐵上下行交叉，左線中心線與京滬高鐵上下行交叉里程為K 3+974.15，右線中心線與京滬高鐵上下行交叉里程為K 3+941.09。其平面位置關系如圖1所示。

圖1 工程平面位置關系示意圖

1.3 墩柱與隧道位置關系

京滬高速鐵路為國家一級鐵路，設計速度350 km/h，采用無砟軌道，雙線輔軌，地鐵隧道下穿位置為柳村線路所站內道岔區，現狀為3股道線(京滬鐵路上下行、1條安全線)，路基南測填方高約1.5 m，北側基本與地面齊平。京滬高速鐵路北京特大橋與地鐵隧道交叉部位對應特大橋12號～14號墩柱結構，其中新建隧道與鄰近墩柱位置關系示意圖如圖2所示。

圖2 新建隧道與墩柱關系圖

1.4 隧道設計概況

北京新機場折返線一期工程下穿北京特大橋區間左右線均為馬蹄形單洞單線暗挖斷面，采用CRD法+深孔注漿開挖，開挖斷面總寬8.9 m，總高9.09 m，下穿鐵路位置覆土約11 m。左右線隧道分別從相鄰兩跨橋梁下穿過，隧道與基礎樁平面最小距離為8.41 m，隧道底位于樁底以上約7.8 m。隧道在穿越鐵路橋梁施工前采用深孔注漿加固地層，減小開挖對樁基周邊土體的擾動，施工時遇粉細砂層，對掌子面進行注漿加固，隧道采用CRD法施工，初襯厚度30 cm、二襯厚度45 cm。

1.5 下穿施工防護措施

地鐵隧道左右線具體防護措施如表1所示，防護措施橫斷面如圖3所示。

表1 隧道防護措施表

圖3 橫斷面加固示意圖

2 研究情況

2.1 變形控制標準

鐵路的安全評估一般從結構及附屬設施變形、結構強度及穩定性等方面來考慮，且一般采用變形作為主要控制指標。根據鐵路現狀及周邊設施，參考國內類似工程經驗并結合理論計算分析，制定本工程變形控制指標及標準。

根據TB 10621-2014《髙速鐵路設計規范》規定，墩臺頂豎向位移限值2 mm，單墩最大沉降不超過20 mm限值，橋梁結構相鄰墩差異沉降不超過5mm；根據TB 10182-2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》規定，墩臺頂縱向水平位移限值為2 mm，橫向水平位移限值為2 mm[9-10]。

2.2 計算模型

模型以沿鐵路橋方向為X軸；垂直鐵路橋方向為Y軸；豎直方向為Z軸。為消除計算邊界效應的影響，考慮施工過程中的空間效應，計算模型取其有效影響范圍，即模型沿X方向取200 m，沿Y方向取90 m，土層總深度50 m。

模型建模思路為首先建立各土層、既有京滬高鐵橋墩、承臺、樁基，將上部結構荷載加在墩頂，以此作為初始階段；然后建立防護樁、橫撐、隧道、二次注漿土體等，并根據施工階段激活或鈍化相應單元及荷載，計算防護樁施工、隧道暗挖施工(采用CRD法)、二次注漿加固施工、隧道運營對既有鐵路橋梁基礎的影響。計算模型如圖4所示。

圖4 計算模型

2.3 施工步驟

以實際施工順序為準，計算模型模擬施工步驟如圖5所示。

圖5 施工步驟圖

(1)第一步：施作左側拱部深孔注漿加固地層。開挖拱頂上部洞室①，并施作初期支護。封閉成環及時進行初支背后注漿。

(2)第二步：施作洞室②左側深孔注漿，上下臺階法開挖左側下部洞室②，并施作初期支護。掌子面前后錯開一定距離。

(3)第三步：施作右側拱部深孔注漿加固地層。上下臺階法開挖洞室③，并施作初期支護。

(4)第四步：施做洞室④右側深孔注漿，上下臺階法開挖右側下部洞室④，并施作初期支護。掌子面前后錯開一定距離。

(5)第五步：鑿除第一層格柵中隔壁間混凝土，穿過第二層初支格柵，鋪設鋼筋網，施工第二層初支。

(6)第六步：第二層初支達到強度，地表沉降監測結果趨于穩定后分段拆除中隔板、中隔壁，敷設防水層，澆注二襯，完成隧道二襯結構。

2.4 計算參數

本文主要物理力學參數如表2所示。

表2 計算參數

注：h、E、c、φ和γ分別代表材料厚度、彈性模量、粘聚力、內摩擦角和重度；調壓站基礎之間用接觸面來模擬

3 研究結果分析

3.1 墩柱位移分析

(1)豎向沉降

根據計算模型提取的各階段鐵路橋梁基礎沉降數據，將每個基礎對應的獨立墩柱A、B、C號橋墩的沉降值與相應差異沉降極值匯于表3。

表3 墩臺最大豎向變形值及差異沉降值(mm)

由表3可知，在施工過程中11號墩的沉降極值出現在A墩上，為9.665 mm；12號墩的沉降極值出現在C號墩上，為9.985 mm；13號～15號墩的沉降極值均出現在B墩上，分別為10.763 mm、10.882 mm、9.664 mm。由此可見，隨橋墩與新建隧道距離的減小，橋墩的沉降值逐漸增大，橋墩沉降最大值為10.882 mm，滿足規范要求的單墩最大沉降不超過20 mm限值。橫向水平差異沉降出現在14號C號墩與15號C號墩之間，最大差異沉降值為1.220 mm，縱向水平差異沉降出現在13號A號墩與13號B號墩之間，最大差異沉降值為0.058 mm，均滿足規范要求的橋梁結構相鄰墩差異沉降不超過5 mm限值。

(2)水平位移

根據計算模型提取各階段橋墩縱向水平變形數據，將每個基礎對應的獨立墩柱A、B、C號橋墩的縱向水平位移值如表4所示，橫向水平位移值如表5所示。

表4 墩臺最大縱向水平位移值(mm)

注：縱向水平變形正值為變形指向隧道小里程，負值為變形指向隧道大里程

表5 墩臺最大橫向水平位移值(mm)

注：縱向水平變形正值為變形指向橋梁小里程，負值為變形指向橋梁大里程

由表3與表5可知，14號墩的縱向水平極值出現在B墩上，為1.464 mm，其余均出現在A號墩上，分別為-0.303 mm、-1.544 mm、-0.081 mm、0.303 mm，可見橋墩縱向水平位移隨距新建隧道的距離的減小而增大，橋墩縱向水平位移極值為-1.544 mm。14號墩的橫向水平極值出現在B墩上，為-0.554 mm，其余均出現在A號墩上，分別為-0.074 mm、-0.616 mm、-1.014 mm、0.074 mm，可見橋墩橫向水平位移隨距新建隧道的距離的減小而明顯增大，橋墩縱向水平位移極值為-1.014 mm。

3.2 隧道結構內力分析

(1)軸力與彎矩

根據計算模型針對施工期間產生的附加力，計算新建機場線暗挖隧道第一層初支結構防護前后的軸力、彎矩，相應監測斷面內力圖如圖6、圖7所示。

圖6 斷面軸力圖(kN)

圖7 斷面彎矩圖(kN·m)

由圖6、圖7可知，隨著開挖的進行，先開挖步的初支結構內力普遍大于后開挖步的內力，且采取防護措施后隧道初支結構軸力與彎矩均明顯下降，軸力極值均出現在仰拱處，分別為防護前-190.42 kN、防護后-165.46 kN；未采取防護措施時初支結構彎矩對值極值出現在拱頂位置，為11.92 kN·m，防護后初支結構彎矩絕對值極值出現在仰拱位置，為4.34 kN·m。

(2)安全系數

根據初支結構內力數據，處理計算所得結構相應最小安全系數，如圖8所示。提取各監測點最小安全系數如表6所示。

圖8 斷面安全系數圖

位置未防護防護增大百分比/%拱頂5.06 38.33 657.51右拱肩86.84 372.59 329.4右邊墻18.12 104.61 477.32右拱腳130.05 342.40 163.28仰拱38.97 44.01 12.93左拱腳121.71 98.39 -19.16左邊墻272.45 324.62 19.15左拱肩116.94 1 083.80 826.8

由圖8與表6可知，采取防護措施后安全系數明顯提高，斷面安全系數最小值均出現在拱頂位置，分別為防護前5.06，防護后38.33。左拱肩位置安全系數提高效果最為顯著，相對未防護提高了826.8%。采取防護措施后使得施工滿足當地安全控制標準。

4 結論

采取防護措施不僅有效控制了既有特大橋墩柱的變形，且顯著提高了隧道結構的安全穩定性：

(1)橋墩柱的位移值隨其與新建隧道距離的減小而增大，13號B號墩的沉降值最大，為70.882 mm；最大差異沉降出現在14號C號墩與15號C號墩之間，為1.220 mm；12號A號墩的縱向水平位移值最大，為-1.544 mm；13號A號墩的橫向水平位移值最大，為-1.014 mm，變形值均在規范允許范圍內。

(2)隧道結構仰拱處軸力最大，為-190.42 kN·m，采取防護措施后，最大軸力減小為165.46 kN；采取防護措施后，彎矩絕對值極值由11.92 kN·m減小為4.34 kN·m；最小安全系數由防護前的5.06增大到防護后的38.33，左拱肩處提高最為顯著，相對未防護提高了826.8%。

(3)由位移及內力可知，通過采取管幕防護和中隔壁防護措施，才使得施工滿足當地安全控制標準。