淺埋暗挖地鐵區間下穿高鐵特大橋風險分析

陳 明

(中鐵工程設計咨詢集團有限工程，北京 100055)

近年來，我國交通設施規模取得了前所未有的發展，截止2021年12月31日，我國高鐵運營里程超40 000 km，鐵路運營總里程超150 000 km[1]，城市軌道交通運營里程達8 708 km[2]，高速公路通車里程超155 000 km，均位列世界首位。隨著上述工程的蓬勃發展，交叉穿越工程也越來越多，尤其是隧道下穿橋梁，隧道施工對鄰近橋樁影響顯著[3]，如何確保下穿既有工程施工及運營安全是穿越工程的重難點。近年來，多位學者針對地鐵區間下穿橋梁工程進行研究，黃茂松等利用剪切位移法分析了隧道施工過程中樁周土體位移對樁體摩阻力及軸力的影響[4]；任建喜等分別以不同地鐵區間側穿市政高架橋樁基為工程背景，采用數值模擬分析和現場監測的方法，分析隧道側穿橋樁對樁基的影響[5-8]；王國富等研究地鐵盾構區間下穿普速鐵路橋涵結構應力變形和鐵路軌道變形特征，并對防護措施進行比選[9-10]；孟繁增等對新建公路路塹、橋梁結構及樁板結構下穿既有高速鐵路橋墩的影響及建設方案進行研究[11-12]；唐黎明以寧波市某地鐵區間隧道下穿杭深線、北環線鄞縣特大橋工程為背景，分析不同施工工況下盾構下穿高鐵橋梁的變形情況[13]；畢景佩等以天津地鐵7號線某區間下穿京滬高鐵南倉特大橋為背景，通過有限元數值分析，探究盾構隧道下穿高鐵特大橋施工過程中橋面、橋墩、承臺、橋樁的位移以及橋樁附加應力的變化規律[14]。

以上研究主要針對地鐵區間側穿市政高架橋、暗挖區間下穿普速鐵路橋或盾構區間下穿高鐵特大橋，而對淺埋暗挖隧道近距離側穿高鐵特大橋橋樁的研究較少。以北京某暗挖地鐵區間小角度近距離下穿既有京張高鐵西二旗左線特大橋工程為背景，通過建立三維數值模型模擬暗挖段施工過程，揭示暗挖區間側穿既有高鐵特大橋樁基的變形特性，并提出相應的風險控制措施。

1 工程概況

京張高鐵為最高設計速度為350 km/h的電氣化高速鐵路，其中西二旗左線特大橋速度目標值為120 km/h，采用有砟軌道、無縫線路、60 kg/m鋼軌，全橋長2 429.7 m，共75跨，其中72跨為32 m簡支梁(雙線)，3跨為(40+64+40)m連續梁(雙線)，均為現澆箱梁。地鐵區間側穿20號～21號橋墩，20號橋墩墩高11 m，設11 m×14.2 m×3.6 m單層八邊形承臺，采用10根φ1 600 mm鉆孔灌注樁，樁長75 m；21號橋墩墩高15 m，設12.2 m×6.3 m×3 m單層矩形承臺，采用8根φ1 250 mm鉆孔灌注樁，樁長62.5 m；22號橋墩墩高16 m，設10.2 m×6.8 m×2.5 m單層矩形承臺，采用11根φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長52.5 m，橋樁均為摩擦樁。

新建地鐵區間線間距為20.7～21.8 m，采用礦山法施工，左、右線均為單洞單線隧道，馬蹄形斷面，斷面寬6.2 m，高6.5 m，采用復合式襯砌，初支厚0.25 m，二襯厚0.3 m。左線區間覆土6.2～7.1 m，與高鐵特大橋平面交角為41.4°，隧道外側距離21號橋墩樁基礎最小水平凈距為2.23 m，距離22號橋墩樁基礎最小水平凈距2.10 m。右線區間覆土12.1～13.3 m，與高鐵特大橋平面交角為40.3°，下穿(40+60+40)m連續梁邊跨，隧道外側距離21號橋墩樁基礎最小水平凈距為2.24 m，距離20號橋墩樁基礎最小水平凈距為2.52 m。新建地鐵區間與既有高架橋平面關系見圖1，豎向位置關系見圖2。

圖1 地鐵區間與既有高鐵特大橋平面位置關系(單位：m)

圖2 地鐵區間與既有高鐵特大橋豎向位置關系(單位：m)

2 工程地質及水文地質

根據地質勘察報告，擬建場地范圍地勢平坦，現狀為綠地，區間隧道沿線地層主要為第四系人工堆積層、第四系全新統沖洪積層。從上至下的地層主要為素填土、黏質粉土、粉質黏土及細砂層，區間穿越地層主要為粉質黏土層及細砂層。擬建場地55 m深度范圍內，揭露了2層地下水，第一層為潛水，靜止水位埋深10.2～12.1 m；第二層為微承壓水，靜止水位埋深29.6～32.3 m。

3 工程風險

3.1 風險分析

區間隧道開挖會使隧道周邊土體產生應力釋放，引起隧道上方及兩側土體變形，直觀表現為土體松動和沉陷，同時引起周邊橋樁變形、沉降或變位，導致橋梁上部軌道變形，進而影響鐵路列車運營安全。

高速鐵路對軌道平順性的要求極高，區間左、右線小角度下穿西二旗左線特大橋，與既有橋樁距離近、穿越距離長，對既有橋梁的影響較大，不利于鐵路軌道整體沉降及差異沉降的控制，根據相關規范，京張高鐵西二旗左線特大橋為重要設施，隧道與橋樁的水平凈距小于0.5B(B為隧道毛洞寬度)，相對關系為非常接近，風險等級為Ⅰ級[15]。

3.2 控制標準

受下穿工程影響，采用有砟軌道的高速鐵路橋梁墩臺頂位移限制應符合表1[16]規定可滿足軌道高低不平順性的要求。

表1 墩臺頂位移限制 mm

200～250 km/h高速鐵路有砟軌道線路靜態幾何尺寸偏差應符合表2規定[17]。

表2 軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值

3.3 風險防護措施

根據地鐵區間與西二旗左線特大橋相對位置關系及周邊環境情況，為減少暗挖區間施工對既有高鐵的影響，區間下穿京張高鐵西二旗左線特大橋時，擬采取如下措施。

(1)隧道與橋樁之間設置隔離樁，距承臺邊9.3 m，規格為φ800 mm@1 200 mm，樁頂設置冠梁，樁底深入隧道底以下3 m，對于隧道與橋樁之間空間較小處設置復合錨桿樁，規格為φ150 mm@400 mm，雙排交錯布置，樁長同隔離樁，見圖3、圖4。

圖3 橋樁加固措施平面布置

圖4 橋樁加固措施橫剖面(高程單位：m;其余：mm)

(2)隧道穿越范圍內，采用地表袖閥管注漿加固。

(3)區間隧道進入鐵路影響范圍前，設置試驗段，以獲得最佳施工參數。

(4)及時施作初支背后注漿及二襯背后注漿，嚴格控制注漿壓力和注漿量，以保證注漿效果。

(5)加強結構強度，提高防水等級。

(6)采用“短進尺、強支護、快封閉”，充分利用“時空效應”，在既有結構產生位移前隧道封閉。

4 數值模擬

4.1 計算模型及參數

采用Midas GTS NX三維數值計算程序對新建地鐵區間下穿高鐵特大橋的施工過程進行仿真模擬計算。模型尺寸為130 m×80 m×90 m，土體、橋墩、承臺采用實體單元，鉆孔灌注樁采用植入式梁單元，隧道初支及隔離樁采用板單元，模型四邊為水平約束，底部為豎向約束，頂面為自由面。采用有限元彈塑性本構模型Mohr-Coulomb準則，并假定材料為各向同性均勻介質。在未施加防護措施和設置防護措施工況下進行數值模擬，計算模型見圖5～圖7。

圖5 有限元計算模型(單位：m)

圖6 有限元計算模型相互關系(無防護措施)

圖7 有限元計算模型相互關系(有防護措施)

工程地質力學參數見表3。本區間隧道從北往南開挖，開挖進尺為2 m，每次分2個計算步序，分別為：鈍化土體和激活初支；先挖左線再挖右線，左、右線步距12 m。

表3 工程地質參數

4.2 計算結果分析

區間施工完成后橋墩的位移見圖8～圖13，由圖可知，未施加防護措施工況下，墩臺頂最大豎向位移為5.03 mm，橫向最大位移為3.23 mm，縱向最大位移為3.96 mm(大于控制標準值)。在采取隔離樁及注漿加固措施的工況下，橋墩頂最大豎向位移為2.91 mm、橫向最大位移為1.71 mm，縱向最大位移為1.13 mm，均小于控制標準值。

圖8 未施加防護措施橋樁豎向位移云圖(單位：mm)

圖9 未施加防護措施橋樁橫向位移云圖(單位：mm)

圖10 未施加防護措施橋樁縱向位移云圖(單位：mm)

圖11 施加防護措施后橋樁豎向位移云圖(單位：mm)

圖12 施加防護措施后橋樁橫向位移云圖(單位：mm)

圖13 施加防護措施后橋樁縱向位移云圖(單位：mm)

未施加防護措施工況下，21號橋墩最大豎向位移為5.03 mm，20號及22號橋墩最大豎向位移分別為2.82，3.46 mm，區間左、右線從21號橋墩兩側穿過，隧道開挖對21號橋墩兩側土體擾動較大，兩次穿越的疊加效應致使21號橋墩豎向位移大于20號及22號橋墩。

未施加防護措施工況下，21號橋墩最大縱向位移為0.15 mm，20號及22號橋墩最大縱向位移分別為1.64，3.96 mm，21號橋墩最大橫向位移為0.28 mm，20號及22號橋墩最大橫向位移分別為2.29，3.23 mm，區間左右線從21號橋墩兩側穿過，從20號、22號橋墩單側穿過，兩線區間開挖引起的位移反向疊加使得21號橋墩頂部橫向位移及縱向位移小于兩側橋墩。

5 結論及建議

對暗挖地鐵區間下穿京張高鐵西二旗左線特大橋施工影響進行數值計算分析，分析了未施加防護措施和施加防護措施兩種工況下，橋墩豎向位移、橫向位移及縱向位移，得出如下結論及建議。

(1)采取注漿加固及隔離樁防護措施后，暗挖地鐵區間下穿京張高鐵西二旗左線特大橋后墩頂橫向水平位移、縱向水平位移、豎向位移約為未采取防護措施時的50%，說明隔離樁及注漿加固是橋梁防護的有效措施。

(2)左、右線隧道分別從兩跨穿越時，存在二次疊加效應，中間橋墩豎向位移約為兩側橋樁的1.7倍，兩隧道之間的橋墩水平位移約為兩側橋樁的10%，說明隧道下穿對中間橋墩的豎向位移、兩側橋樁水平位移影響較大。

(3)為降低對既有高鐵橋梁的影響，隔離樁應伸入隧道底≮3 m，隔離樁及注漿加固應在靠近隧道側設置，以降低隔離樁及注漿加固對橋樁的影響，注漿參數應根據現場試驗及監測數據確定。