地鐵區(qū)間隧道下穿高速鐵路橋梁安全評價分析及防治對策

王佩新

（中土集團福州勘察設(shè)計研究院有限公司，福州 350000）

1 引言

隨著高速鐵路路網(wǎng)的逐步完善及城市化進程的迅猛發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免會與鐵路路網(wǎng)建設(shè)存在交叉。目前，大城市的地鐵運營里程在迅速增長，為避免與高速鐵路產(chǎn)生較大干擾，一般盡可能使地鐵從高速鐵路橋梁下穿。因為下穿高速鐵路的項目日益增多，高速鐵路的安全運營要求較高，下穿高速鐵路風險較大[1-4]，為此，國家鐵路局發(fā)布了相關(guān)規(guī)程來規(guī)范下穿高速鐵路工程的設(shè)計與施工[5]。本文基于福州市某條地鐵區(qū)間隧道下穿高速鐵路橋梁的工程實例，根據(jù)現(xiàn)場實際，提出相應(yīng)防治對策，并通過Midas GTS 建模計算分析其對高速鐵路橋梁的影響，為今后類似項目提供參考。

2 工程概況及地質(zhì)條件

區(qū)間隧道為單線單洞盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)上方布置供地鐵使用的110 kV 電力管線。

區(qū)間隧道左右線及電力管線下穿福平鐵路閩江特大橋9#、10#橋墩。下穿處區(qū)間隧道左線與鐵路橋夾角74°；右線與鐵路橋夾角73°。下穿處橋梁孔跨為68 m+128 m+68 m 連續(xù)梁主跨，基礎(chǔ)為12 根φ2.5 m 鉆孔灌注樁。福平鐵路閩江特大橋9#、10#橋墩承臺尺寸均為19.90 m×14.6 m×5.0 m（長×寬×高）。區(qū)間隧道埋深約9.9 m，左線隧道距離橋墩（9#）承臺邊緣最近距離為5.64 m，右線隧道距離橋墩（10#）承臺最近距離為62.8 m。區(qū)間隧道、保護涵下穿鐵路平面關(guān)系如圖1 所示。區(qū)間隧道橫斷面如圖2 所示。

圖2 區(qū)間隧道橫斷面圖（1∶50）

電力管線采用1-1.6×1.9 m 鋼筋混凝土保護涵下穿鐵路橋，交角59°。保護涵橫斷面如圖3 所示。保護涵距離9#墩承臺最小水平距離為17.23 m，距離10#墩承臺最小水平距離為69.74 m。下穿處橋下凈空約33 m。

圖3 保護涵橫斷面圖

涉鐵段區(qū)間隧道段主要穿越雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、中風化花崗巖、微風化花崗巖。

3 下穿方案

3.1 方案分析

新建區(qū)間隧道位于既有構(gòu)筑物下方且構(gòu)筑物基礎(chǔ)位于隧道襯砌上部時，隧道施工影響既有構(gòu)筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，同時構(gòu)筑物基礎(chǔ)的荷載也將通過地層作用在隧道襯砌上，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成影響。二者相互作用的范圍與隧道施工工法、尺寸、既有構(gòu)筑物與隧道空間位置及既有構(gòu)筑物基礎(chǔ)形式有關(guān)。

根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)研，區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋?qū)儆冖髤^(qū)，需要采取措施范圍。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋需采取相關(guān)措施。

3.2 風險源分析

經(jīng)風險辨識，區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋存在的風險點如下。

1）地質(zhì)條件較差，區(qū)間隧道頂部為雜填土、淤泥，洞深范圍為雜填土，若施工措施控制不當，極易造成坍塌，劣化地層力學性能，從而引起橋墩承載力減少和位移變形。

2）根據(jù)隧道與構(gòu)筑物分區(qū)關(guān)系，隧洞施工將嚴重影響周邊土體承載性能，易引起樁基承載力減小和沉降變形，存在橋梁變形過大的風險。

3）墩臺沉降、墩柱傾斜造成對鐵路的運營安全影響。

4）采用的加固或隔離措施時，施工過程中對橋墩造成不利影響。綜合調(diào)研國內(nèi)對隧洞工程下穿橋梁的成功案例，采用的主要措施為隔離樁隔離或地層注漿加固。若在區(qū)間與樁基礎(chǔ)之間打設(shè)隔離樁，隔離樁位于4d 影響范圍內(nèi)（d 為樁徑），對既有樁基礎(chǔ)的受力有一定影響；若對隧道穿越段采用地層注漿加固，若不能保證注漿施工效果，則會引起橋墩位移變形，從而影響鐵路的安全運營。

5）施工監(jiān)測及現(xiàn)場施工組織管理不力。區(qū)間隧道下穿高速鐵路橋梁施工過程中，必然會擾動地層，引起鐵路橋梁墩臺基礎(chǔ)變形，進而影響軌道的平順性，對鐵路的運營安全造成直接影響。

3.3 方案設(shè)計

區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋處在區(qū)間隧道外側(cè)15 m處采取C30 鋼筋混凝土冠梁+φ100 cm 鉆孔樁+φ60 cm攪拌樁作為橋墩隔離樁和止水帷幕，平面范圍為超出承臺兩側(cè)各10 m，鉆孔樁底標高為區(qū)間隧道底標高向下5 m 或伸入基巖層，攪拌樁底標高與隧道底標高齊平。部分隔離樁位于魁岐互通匝道橋下方，受凈空限制（凈空約5 m），樁間止水采用MJS 樁。

為保證施工期間減小對既有橋墩的影響，保護涵基坑開挖采用鋼板樁防護，并設(shè)置鋼管橫撐，間距5 m。

4 三維數(shù)值建模

4.1 模型及計算單元

采用Midas GTS 有限元軟件分析區(qū)地鐵區(qū)間隧道及電力管線保護涵對福平鐵路閩江特大橋橋墩產(chǎn)生的影響。巖土、橋墩、承臺、框架采用3D 實體單元模擬，橋梁鉆孔樁及圍護鉆孔樁采用1D 梁單元模擬，管片及鋼板樁采用2D 板單元模擬。土層本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫準則，橋墩、承臺、保護涵結(jié)構(gòu)在受力過程中僅發(fā)生彈性變形。

4.2 模型計算過程

福平鐵路閩江特大橋9#墩、10#墩整體分析模型如圖4 所示，建立如下施工階段：（1）初始應(yīng)力平衡；（2）鐵路成橋階段；（2）位移清零；（4）保護涵施工；（5）區(qū)間隧道開挖施工。

圖4 9#墩、10#墩整體模型

4.3 模型計算結(jié)果

電力保護涵施工對福平鐵路閩江特大橋的順橋向、橫橋向及豎向影響依次如圖5～圖7 所示。

圖5 福平鐵路閩江特大橋順橋向位移圖

圖6 福平鐵路閩江特大橋橫橋向位移圖

圖7 福平鐵路閩江特大橋豎向位移圖

盾構(gòu)施工對福平鐵路閩江特大橋的順橋向、橫橋向及豎向影響依次如圖8～圖10 所示。

圖8 福平鐵路閩江特大橋順橋向位移圖

圖9 福平鐵路閩江特大橋橫橋向位移圖

圖10 福平鐵路閩江特大橋豎向位移圖

將以上結(jié)果匯總于表1。

表1 福平鐵路閩江特大橋橋墩墩頂位移變化表 mm

綜上可知，在采取相關(guān)防護措施后，保護涵及區(qū)間隧道施工引起的9#橋墩墩頂及10#墩墩頂?shù)捻槝蛳蛭灰啤M橋向位移及豎向位移均滿足墩臺頂位移限值2 mm 的要求。

5 結(jié)論

采用Midas GTS 對地鐵區(qū)間隧道下穿鐵路橋梁段進行三維數(shù)值建模分析，結(jié)合施工及高速鐵路運營安全要求，采取了相應(yīng)防護措施，期望為今后類似項目提供工程借鑒，結(jié)論及建議如下。

1）采用鉆孔隔離樁防護措施后，地鐵區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋，影響較小，在鐵路運營安全可控范圍之內(nèi)。

2）在施工過程中，應(yīng)加強監(jiān)控量測工作。把施工引起的鐵路橋梁墩臺基礎(chǔ)變形信息及時反饋給施工單位，使之能夠在現(xiàn)場及時調(diào)整施工參數(shù)，優(yōu)化改進施工方法。

3）隔離樁成樁應(yīng)采用振動較小的旋挖鉆，并且跳樁施工，同時所選設(shè)備需滿足橋下作業(yè)空間要求。橋下隔離樁施工應(yīng)采取必要的防塌孔措施，避免隔離樁塌孔對鐵路橋梁墩頂位移產(chǎn)生影響。

4）區(qū)間隧道下穿鐵路前，應(yīng)積極協(xié)調(diào)鐵路有關(guān)部門，充分做好下穿鐵路前的相關(guān)準備和保護工作，密切配合，加強與鐵路部門聯(lián)系。施工單位應(yīng)編制完整的施工組織方案和應(yīng)急預案，報送鐵路管理部門審批，并通過鐵路管理部門批準。

5）做好施工機械、車輛安全管理，防止機械倒塌或車輛失控撞擊橋墩。