韓 博，吳鋒波

（1.地質(zhì)出版社，北京 100083；2.河北地質(zhì)大學(xué)勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北省石家莊 050031）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，世界各國政府均致力于城市地下空間的開發(fā)和利用。城市軌道交通是世界公認(rèn)的低能耗、少污染的“綠色交通”，對于實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。目前，我國城市軌道交通建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入快速和集中發(fā)展期，國內(nèi)各大城市相繼開展了軌道交通建設(shè)。

城市軌道交通工程多處于復(fù)雜的城市地質(zhì)條件和環(huán)境條件之中，工程建設(shè)主要以地下工程為主，工程場地分布區(qū)域線長面廣，不僅地質(zhì)條件復(fù)雜多變，環(huán)境條件也十分復(fù)雜，不可避免地給工程設(shè)計、施工帶來各類環(huán)境技術(shù)難題。其中城市軌道交通地下工程施工與橋梁樁基之間的相互作用是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)-巖土的動態(tài)響應(yīng)問題，成為相關(guān)學(xué)者關(guān)注的研究重點(diǎn)。

Cheng（2004）、Pang（2005）等對新加坡東北線隧道鄰近新建高架橋樁工程的隧道-土-樁相互作用進(jìn)行了三維數(shù)值分析和反分析研究。Lee、Gordon、Emilios（2005）采用三維彈塑性有限元模型，考慮土體的固結(jié)作用來預(yù)測樁-土-隧道之間的相互作用機(jī)理，研究了樁基在隧道推進(jìn)過程中的響應(yīng)。Lee和Ng（2005）采用巖土離心機(jī)模型試驗(yàn)分析，提出隧道開挖影響范圍為隧道縱向開挖面1倍洞徑，并且隧道開挖面的推進(jìn)不會顯著影響到樁上已有彎矩和軸向荷載的分布。何海健等（2006，2007）采用數(shù)值模擬輔以現(xiàn)場實(shí)測的方法，研究了地鐵洞樁法施工引起鄰近基樁的變形、變化情況。李寧等（2006）采用有限元數(shù)值模擬分析技術(shù)，研究因隧道開挖施工而引起周圍土體及不同位置單樁的變形規(guī)律。研究了樁洞距、樁端位置、樁土模量比、樁承載特性等因素對樁體變化規(guī)律的影響。吳波等（2006，2007）采用ABAQUS軟件動態(tài)模擬了北京地鐵10號線國貿(mào)站西北風(fēng)道施工過程、鄰近短樁和長樁橋基的變形和受力性態(tài)以及樁土相互作用機(jī)理。

城市軌道交通地下工程下穿城市橋梁的相關(guān)研究日益得到國內(nèi)外學(xué)者的重視。本文以北京地鐵15號線隧道工程下穿既有地鐵5號線高架結(jié)構(gòu)為背景，研究了地下工程下穿城市橋梁的風(fēng)險評估與控制工作，以作為類似工程的參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京地鐵15號線安立路站—大屯路東站區(qū)間線路西起安立路站，位于大屯路下方沿大屯路東行，在大屯路東口與北苑路交叉路口下側(cè)穿既有5號線橋樁后到達(dá)大屯路東站。在區(qū)間左、右線兩側(cè)各有一處橋樁，左線結(jié)構(gòu)外側(cè)距離5號線橋樁樁基凈距為3.5m，右線隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)距離橋樁樁基凈距為3.9m，線間距為17.0m，該處區(qū)間隧道埋深為12.85m。

5號線橋樁為C25鉆孔灌注樁，直徑為1000 mm，長度為30.0m。地鐵15號線暗挖區(qū)間沿東西方向下穿地鐵5號線高架橋第12聯(lián)，下穿段高架區(qū)間為28.0m+35.0m+28.0m三跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，地鐵15號線暗挖區(qū)間從35.0m跨下穿，下穿段高架橋?yàn)?樁方形承臺，長寬均為5.0m，厚2.0m，埋深約為0.5m，樁徑1.0m，樁長30.0m，樁底位于粉土、粉質(zhì)粘土層。

工程影響范圍的地鐵5號線線路為高架區(qū)間線路，采用軌60kg/m鋼軌，扣件采用有螺栓小壓力ω彈條DTⅥ2型扣件，檢測范圍內(nèi)扣件無調(diào)高，道床為混凝土整體道床。DTⅥ2型扣件利用更換絕緣軌距墊可調(diào)整軌距+8～-4mm，利用鐵墊扳倒邊可調(diào)整軌距0～-12mm，兩者結(jié)合可調(diào)整軌距+8～-16mm，采用調(diào)高墊板調(diào)整水平最大調(diào)高量為+15mm。圖1所示為區(qū)間隧道與5號線橋樁剖面關(guān)系圖，圖2所示為高架橋墩臺橫斷面圖。

1.2 地質(zhì)條件

區(qū)間下穿北苑路段主要穿越土層為①1雜填土層、①粉土填土層、③粉土層、③1粉質(zhì)粘土層、④2粉土層、④3粉細(xì)砂、④2中粉土層、⑥粉質(zhì)粘土層、⑥2粉質(zhì)粘土層。對工程有直接影響的地下水為上層滯水（一）和潛水（二），兩層水的水位埋深為7.3～11.7m，幾乎涵蓋整個結(jié)構(gòu)范圍。

1.3 施工方法

區(qū)間隧道采用標(biāo)準(zhǔn)單線單洞馬蹄形斷面，下穿段區(qū)間隧道寬6.2m，高6.5m，左右線間距17.0m。區(qū)間采用臺階法開挖，主要施工步驟為：

（1）深孔注漿加固隧道頂部及側(cè)墻部分地層，加固范圍為開挖面及拱頂和邊墻外圈2.5m區(qū)域。

注漿方式采用后退式（WSS）繡閥管深孔注漿施工，隧道結(jié)構(gòu)頂部為粉細(xì)砂層注漿采用后退式注漿工藝，漿液采用水泥-水玻璃漿。其余部分位于粘土和粉質(zhì)粘土層中，注漿方式采用后退式劈裂注漿工藝，注漿液采用水泥漿。

圖1 區(qū)間隧道與5號線橋樁剖面關(guān)系圖Fig.1 Sectional diagram between interval tunnel and metro line 5 bridge pile

圖2 地鐵5號線高架橋墩臺橫斷面圖Fig.2.Metro line 5 viaduct pier cross-sectional map

注漿時分節(jié)鉆孔，每節(jié)長度為2.0m，兩節(jié)之間采用雙孔專用接頭和專用鉆頭鉆孔，鉆一孔，注一孔。注漿管長度為12.0m，縱向搭接長度為2.0m，漿液采用水泥漿。注漿壓力1.0～1.2Mpa。注漿加固段總長21.5m。

（2）地層注漿加固后單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.6～1.0 MPa，滲透系數(shù)為1×10-8cm/s。

（3）采用臺階法開挖斷面土體，短進(jìn)尺施工，循環(huán)進(jìn)尺長度0.5m。左、右線在下穿段都增設(shè)臨時仰拱，開挖至橋樁水平距基礎(chǔ)12.0m時，開始增設(shè)臨時仰拱。直到安全通過橋樁并延伸12.0m，臨時仰拱設(shè)置總長為24.0m。

（4）每步開挖均打設(shè)鎖腳錨管，采取兩根并排，每榀鋼支撐共打設(shè)4根。

（5）待初期支護(hù)達(dá)到強(qiáng)度后，在初期支護(hù)背后注漿,使初期支護(hù)與地層密貼。注漿管直徑φ42，間距3m×3mm，梅花型布置，對初襯背后全周注漿。每開挖2.0m，就及時進(jìn)行初至背后的注漿，注漿壓力控制在0.5MPa。初支背后注漿應(yīng)分多次補(bǔ)償。注漿采用從下到上的順序進(jìn)行。注漿參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

（6）拱部二次襯砌預(yù)留壓漿孔，采用φ42注漿管注漿，注漿壓力不大于0.2MPa，側(cè)穿5號線橋樁范圍，二襯背后的回填注漿，應(yīng)采用強(qiáng)度高、流動性好的硫鋁酸鹽類水泥漿液。保證初期支護(hù)與二襯之間密實(shí)。

區(qū)間隧道左線先行下穿5號線高架橋，完成穿越后右線隧道開始施工，最終兩線隧道完成高架橋的穿越工程。

2 工程風(fēng)險評估

根據(jù)工程情況，對礦山法隧道穿越區(qū)域可能影響到的既有高架結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行評估，主要包括隧道兩側(cè)各兩個橋樁。

2.1 重要性評估

工程影響范圍的高架橋?yàn)楸本┑罔F5號線高架區(qū)間為很重要的城市高架橋，重要性等級為Ⅰ級。

2.2 安全現(xiàn)狀評估

該區(qū)段高架橋梁建成距施工時約5年半多的時間，結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果表明其主體結(jié)構(gòu)外觀完好，盆式橡膠支座外觀完好。橋梁墩柱混凝土強(qiáng)度按單個構(gòu)件進(jìn)行評定，其推定值為51.0～52.5MPa，梁體混凝土強(qiáng)度按批構(gòu)件評定推定值為56.6MPa。

橋梁墩柱混凝土碳化深度在2.0～4.0mm之間，梁體混凝土碳化深度在4.0～6.0mm之間。橋梁墩柱混凝土鋼筋保護(hù)層厚度在58.0～69.0mm之間，梁體混凝土鋼筋保護(hù)層厚度在38.0～45.0mm之間。檢測范圍內(nèi)所有構(gòu)件鋼筋銹蝕概率小，綜合評定該高架橋安全性等級為良好。

2.3 施工影響預(yù)測評估

采用數(shù)值模擬方法對區(qū)間隧道下穿引起的既有5號線高架橋樁變形進(jìn)行預(yù)測。數(shù)值模擬計算采用FLAC-3D建立計算模型，地層計算設(shè)置大變形，其中土層、既有橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁承臺和樁基礎(chǔ)均采用實(shí)體單元，不同的土層采用不同的材料參數(shù)模擬。

土體采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，既有橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁承臺和樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用線彈性本構(gòu)模型，橋梁樁基礎(chǔ)與土層的接觸采用接觸面單元進(jìn)行模擬。通過剛度等效的方法，將橋梁結(jié)構(gòu)等效為一種同剛度材料。

邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界，其他5個面均采取法向約束。計算模型橫剖面左側(cè)區(qū)域至隧道開挖影響12-3橋梁承臺外側(cè)11.0m，右側(cè)至隧道開挖影響12-0橋樁外側(cè)11.0m，模型長度共118.0m。模型高度至地面以下50.0m。模型寬度以橋梁承臺為中心，向兩側(cè)各30.5m，共61.0m（圖3）。計算荷載考慮既有高架橋列車荷載等作用，綜合為20kPa 。

圖3 計算模型橫剖面示意圖（單位：m）Fig.3.Sketches section of calculation model (unit: m)

場區(qū)內(nèi)地層主要為粉土填土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、粘土等層，根據(jù)勘察報告中提供的參數(shù)，各個地層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)檢測結(jié)果，高架結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

計算模型見圖4、圖5，共劃分了175384個實(shí)體單元，183786個節(jié)點(diǎn)。

左側(cè)隧道首先開挖，第一步開挖上部土體5.0m，第二步繼續(xù)開挖左線隧道上部土體5.0m，下部土體5.0m；穿越段按3.0m進(jìn)尺進(jìn)行開挖，共計14步。左側(cè)隧道貫通后開挖右側(cè)隧道，第一步開挖上部土體5.0m，第二步繼續(xù)開挖右線隧道上部土體5.0m，下部土體5.0m；穿越段按3.0m進(jìn)尺進(jìn)行開挖，共計14步。

表1 地層和建筑基礎(chǔ)的物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters of building and formation foundation

表2 既有高架結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Elevated structure physical and mechanical parameters

在各個橋梁承臺上表面的四角和中部布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，4個墩臺共計20個監(jiān)測點(diǎn)。既有高架結(jié)構(gòu)承臺和樁基的豎向沉降計算結(jié)果見圖6。各個橋梁承臺的豎向沉降計算結(jié)果見表3。

圖4 計算總模型Fig.4 Calculation model

圖5 隧道與橋梁結(jié)構(gòu)位置關(guān)系Fig.5 Tunnel and bridge structure Location diagram

圖6 既有高架結(jié)構(gòu)承臺和樁基豎向沉降等直線圖Fig.6 Elevated structure cap and pile vertical settlement straight line chart

表3 既有高架結(jié)構(gòu)承臺上表面監(jiān)測點(diǎn)變形結(jié)果Tab.3 The deformation monitoring results of elevated structure cap surface

由計算結(jié)果可知，隧道穿越部位兩側(cè)的兩個橋梁承臺可出現(xiàn)向上的隆起位移，最大隆起值為2.697mm。橋梁樁基在隧道穿越注漿加固部位可出現(xiàn)上浮，底部出現(xiàn)一定的沉降變形。兩個橋梁承臺之間的差異沉降較小，為0.014mm。

穿越區(qū)外側(cè)的兩個橋梁承臺主要為向下的沉降位移，最大值沉降值為-2.313mm。橋梁樁基主要為沉降變形。穿越區(qū)外側(cè)和中部橋梁承臺之間的差異沉降值較大，可達(dá)到4.209mm，工程實(shí)際應(yīng)注意對其差異沉降的變形控制。

根據(jù)變形計算結(jié)果可知，隧道下穿施工引起的橋梁變形值較小，但該既有5號線高架橋?qū)ψ冃蔚囊筝^為嚴(yán)格，較小的變形也可能引起既有線路的運(yùn)營安全。因此，綜合評定礦山法隧道施工對既有地鐵5號線高架結(jié)構(gòu)的影響程度可為嚴(yán)重。

2.4 綜合性評估

根據(jù)以上分析，重要性評估結(jié)果，該既有線高架結(jié)構(gòu)重要性等級為Ⅰ級；安全現(xiàn)狀評估結(jié)果，其安全性等級為良好；施工影響預(yù)測評估結(jié)果，礦山法隧道下穿施工對既有線高架結(jié)構(gòu)的影響程度為嚴(yán)重。因此，根據(jù)該既有線高架結(jié)構(gòu)的風(fēng)險發(fā)生的可能性為可能發(fā)生，綜合評定其工程環(huán)境風(fēng)險等級為一級，為風(fēng)險等級最高的環(huán)境風(fēng)險。

施工過程中嚴(yán)格執(zhí)行施工方案，深孔注漿加固體達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后進(jìn)行地層開挖。臺階法開挖斷面土體，循環(huán)進(jìn)尺長度為0.5m。左、右線在下穿段24.0m范圍內(nèi)增設(shè)臨時仰拱。同時，對隧道初支背后進(jìn)行注漿，采用從下到上的順序進(jìn)行。拱部二次襯砌與處支間進(jìn)行注漿，保證初期支護(hù)與二襯之間密實(shí)。

礦山法隧道下穿過程中，既有5號線高架梁體結(jié)構(gòu)豎向變形的最大沉降值為-1.1mm，最大隆起值為+0.9mm。橋墩結(jié)構(gòu)豎向變形的最大值為-1.3mm，最小值為+0.9mm，均小于控制值3.0mm，相鄰橋墩的差異沉降值較小。軌道結(jié)構(gòu)變形較小，未超過控制值。既有線安全運(yùn)營未受到影響，工程施工圓滿完成了對高架結(jié)構(gòu)的穿越。

3 結(jié)論

通過北京地鐵15號線安立路站—大屯路東站區(qū)間礦山法隧道下穿既有5號線高架結(jié)構(gòu)的風(fēng)險評估與控制研究得出以下結(jié)論：

（1）礦山法隧道工程影響范圍內(nèi)的高架橋?yàn)楸本┑罔F5號線高架區(qū)間結(jié)構(gòu)，其重要性等級為Ⅰ級。

（2）根據(jù)相關(guān)檢測結(jié)果，該區(qū)段高架橋梁主體結(jié)構(gòu)外觀完好，強(qiáng)度、混凝土鋼筋保護(hù)層厚度等符合相關(guān)要求，其安全性等級為良好。

（3）三維數(shù)值模擬結(jié)果表明，工程施工造成既有高架結(jié)構(gòu)的變形約為-2.3～2.7mm，高架橋?qū)ψ冃蔚囊筝^為嚴(yán)格，受影響程度可評定為嚴(yán)重。

（4）綜合以上分析，該既有線高架結(jié)構(gòu)風(fēng)險發(fā)生的可能性為可能發(fā)生，綜合評定其工程環(huán)境風(fēng)險等級為最高級一級。

（5）施工過程嚴(yán)格執(zhí)行深孔注漿加固方案和開挖要求，監(jiān)測結(jié)果表明高架結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)等的變形滿足控制要求，既有線安全運(yùn)營未受到影響，礦山法隧道工程圓滿完成對地鐵5號線的穿越施工。

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