徐亞光,曹 文，康圣雨

(1.中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

1 工程概況

一新建高速公路橋梁需同時(shí)跨越40 m寬城市道路、該道路上空的地鐵線高架橋和20 m深的城軌鐵路隧道(見圖1)。新建高架橋與地鐵線及城軌鐵路交角為83.8°。因受既有廠房、居民樓影響，新建高架橋采用上下行分離的疊層結(jié)構(gòu)，上下層共6車道設(shè)計(jì)，單層橋面寬度為16.25 m。上部結(jié)構(gòu)采用(34+60+34)m雙層預(yù)應(yīng)力變截面混凝土連續(xù)剛構(gòu)，單層梁高2.1～3.6 m，主梁采用懸臂澆筑施工方案。下部結(jié)構(gòu)采用雙層獨(dú)柱式橋墩，樁基采用4根直徑2.8 m的鉆孔灌注樁，樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)。地鐵線高架橋梁結(jié)構(gòu)形式為40 m跨單箱單室簡(jiǎn)支箱梁。城軌鐵路隧道為雙線分離式礦山法隧道，線間距為29 m，隧道埋深為24.7 m。隧道所處的地層為含礫砂巖，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，采用Ⅳa 級(jí)支護(hù)形式。

圖1 新建高架橋與地鐵線高架橋、城軌隧道的關(guān)系(單位：m)

高速公路橋梁與地鐵高架橋凈空高度為9.59 m，樁基距城軌隧道襯砌結(jié)構(gòu)最小水平凈距為7.0 m。

2 潛在風(fēng)險(xiǎn)及評(píng)估方法

2.1 潛在風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)本工程橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工工藝和與既有鐵路構(gòu)造物的空間關(guān)系，新建高速公路橋梁對(duì)既有地鐵線高架橋和城軌鐵路區(qū)間隧道的影響主要包括以下2個(gè)方面：

1)新建橋梁施工及運(yùn)營(yíng)過程中，由于工程措施不當(dāng)或高空墜物，對(duì)地鐵線高架橋造成影響，危及既有橋梁行車安全。

2)新建橋梁樁基施工過程中，由于新增結(jié)構(gòu)自重、振動(dòng)荷載等因素引起周邊土層的變形和應(yīng)力調(diào)整，導(dǎo)致既有隧道沉降和不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)使既有隧道襯砌開裂，影響既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全和城軌交通安全運(yùn)營(yíng)。

2.2 評(píng)估方法

為明確新建高速公路橋梁施工對(duì)既有地鐵線高架橋及城軌隧道的影響，識(shí)別可能出現(xiàn)的安全、環(huán)境等各方面的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)提出降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，需進(jìn)行安全影響分析，以達(dá)到既有鐵路橋梁、隧道運(yùn)營(yíng)安全的目的。

根據(jù)該工程空間立交關(guān)系特點(diǎn)，采用工程類比與有限元程序MIDAS/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以評(píng)估新建高速公路橋梁施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)既有鐵路橋梁和隧道的影響。

3 安全影響分析

3.1 工程類比[1-2]

根據(jù)既有線行車施工安全管理的相關(guān)規(guī)定，列車通過時(shí)，嚴(yán)禁在鐵路限界內(nèi)作業(yè)。須搭設(shè)專用高壓絕緣隔電板或采取專門的防電設(shè)施，為鐵路和地鐵安全行車提供屏障。須對(duì)高壓接觸網(wǎng)線上方限界實(shí)施全面電氣安全防護(hù)。

本工程跨越地鐵線為高架橋結(jié)構(gòu)形式，地鐵軌面距離新建橋梁底面最小距離為9.59 m，接觸網(wǎng)桿距離橋底面最小距離為3.04 m。地鐵接觸網(wǎng)高壓線電壓為 1 500 V。參考同類新建橋梁上跨既有運(yùn)營(yíng)鐵路工程防護(hù)措施及既有線行車施工安全管理的相關(guān)規(guī)定，采用鋼結(jié)構(gòu)排架防護(hù)棚和專用防電板進(jìn)行防護(hù)，可滿足地鐵行車運(yùn)營(yíng)的安全。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算

由于巖土工程的復(fù)雜性及差異性，經(jīng)驗(yàn)方法與解析方法往往缺乏通用性，其結(jié)果的準(zhǔn)確性很難得到保證。數(shù)值模擬分析方法可以考慮地層條件、空間條件、輔助工法等外在因素的影響，可以較真實(shí)地模擬橋梁施工對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響，在接近隧道施工安全評(píng)估中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。

新建橋梁樁基距城軌隧道左線最小距離為7.0 m，距離城軌隧道右線最小距離為8.0 m。因此本文采用三維空間模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。模型x方向取100 m，模型豎向即z向取60 m，模型中城軌隧道埋深28.8 m，模型y方向取50 m。模型中隧道襯砌以板單元模擬，樁以梁?jiǎn)卧M，樁與土體之間以及樁端設(shè)置界面接觸，模型共劃分 219 595 個(gè)單元，41 162 個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元數(shù)值計(jì)算分析模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算分析有限元模型

3.2.1 隧道圍巖分析

樁基施工過程中會(huì)在隧道圍巖內(nèi)引起附加的彎矩、剪力及軸力，會(huì)產(chǎn)生水平向和豎向位移變形[5]，其中最大水平位移為5.3 mm，隧道圍巖的豎向沉降值為11 mm，隧道圍巖的水平變形如圖3所示。隧道圍巖產(chǎn)生的最大主應(yīng)力為6.44 MPa，如圖4所示。

圖3 城軌隧道圍巖位移(單位：m)

圖4 隧道圍巖地層主應(yīng)力(單位：kPa)

3.2.2 隧道結(jié)構(gòu)分析

隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移約為0.2 mm，出現(xiàn)在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)墻處。左右線隧道結(jié)構(gòu)最大沉降值基本相同，其中左線隧道最大沉降值為1.14 mm，右線隧道最大沉降值約為1.12 mm，均出現(xiàn)在隧道拱頂偏下的位置處。隧道仰拱的下沉降量約為0.7 mm，城軌隧道結(jié)構(gòu)襯砌水平變形如圖5所示。城軌隧道結(jié)構(gòu)襯砌的最大主應(yīng)力為2.96 MPa，如圖6所示。

圖5 城軌隧道結(jié)構(gòu)變形(單位：m)

圖6 隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力

3.2.3 樁基結(jié)構(gòu)位移

數(shù)學(xué)建模是數(shù)學(xué)知識(shí)與數(shù)學(xué)應(yīng)用的橋梁。因此，教學(xué)中教師要以建模的意識(shí)對(duì)待和處理教學(xué)內(nèi)容。教師應(yīng)從學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，讓學(xué)生親身經(jīng)歷將實(shí)際問題抽象成數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行解釋與運(yùn)用的過程，進(jìn)而使學(xué)生在獲得對(duì)數(shù)學(xué)理解的同時(shí)，在思維能力、情感態(tài)度與價(jià)值觀等多方面得到進(jìn)步和發(fā)展?，F(xiàn)以人教版三上“用乘除法解決兩步計(jì)算的實(shí)際問題”為例，探討教學(xué)中教師應(yīng)如何讓“建模思想”落實(shí)在課堂中。

在內(nèi)力的作用下新建高架基樁會(huì)產(chǎn)生豎向的壓縮變形和水平向的位移變形。經(jīng)計(jì)算，基樁的樁端豎向壓縮變形值最小為5 mm，而基樁樁頂?shù)呢Q向壓縮值為10.5 mm，與承臺(tái)的豎向變形一致，基樁的水平向位移值最大為4.2 mm。

3.2.4 數(shù)值分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，隧道圍巖產(chǎn)生的最大主應(yīng)力為6.44 MPa，城軌隧道結(jié)構(gòu)襯砌產(chǎn)生的最大主應(yīng)力為2.96 MPa。高架橋施工對(duì)既有城軌隧道結(jié)構(gòu)影響很小，其中隧道結(jié)構(gòu)最大沉降值約為1.1 mm，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大水平向位移更小，約為0.2 mm。表1 為新建高架橋樁基施工引起的城軌隧道結(jié)構(gòu)變形。

表1 新建高架橋樁基施工引起的城軌隧道結(jié)構(gòu)變形 mm

注：x方向?yàn)榇怪庇诔擒壦淼垒S線方向,y方向?yàn)槠叫杏诔擒壦淼垒S線方向,z方向?yàn)樨Q直方向；正值為隆起變形，負(fù)值為沉降變形。

3.3 橋梁施工振動(dòng)的影響

橋梁施工振動(dòng)的影響主要表現(xiàn)為橋梁樁基施工引起的地層振動(dòng)對(duì)城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)的影響[6]。

交通隧道振動(dòng)安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與施工振動(dòng)頻率有關(guān)，考慮到城際鐵路為高速鐵路，其允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度V取規(guī)程中的最小值，即V=10 cm/s。

嵌巖樁一般采用沖擊鉆或者旋挖機(jī)施工，其中旋挖機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)較小，而沖擊鉆引起的振動(dòng)較大[7-8]。如果沖擊鉆產(chǎn)生的振動(dòng)能夠滿足鐵路隧道安全運(yùn)營(yíng)的要求，則旋挖機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)也必然滿足要求，故以沖擊鉆施工為例分析施工振動(dòng)對(duì)鐵路的影響。沖擊鉆施工引起的振動(dòng)速度會(huì)隨著沖擊能量和距離的變化而變化。在沖擊鉆施工下，震源會(huì)產(chǎn)生一種向四周輻射的彈性振動(dòng)波，即地震波。在巖土中傳播時(shí)，地震波由震源向介質(zhì)四面?zhèn)鞑?，隨著傳播距離的增加波前面積越來越大，即地震波在傳播介質(zhì)中進(jìn)行了幾何擴(kuò)散，而震源形成的固定能量分布在面積不斷增大的波前面上，導(dǎo)致地震波的振幅隨著傳播距離的增大而減弱。此外，在地震波的傳播過程中，其質(zhì)點(diǎn)間的相互摩擦造成了振動(dòng)能量的損耗，而由于介質(zhì)的不均勻性，造成地震波在傳播過程中產(chǎn)生能量的不規(guī)則漫射，導(dǎo)致了地震波能量的減弱。因此，在沖擊鉆施工下產(chǎn)生的振動(dòng)在傳播過程中會(huì)隨著傳播距離的增大而逐漸衰減。

沖擊鉆施工引起的周邊建筑物振動(dòng)速度可采用下述經(jīng)驗(yàn)公式估算

v=K·r-β

各橋墩樁基與城際鐵路隧道初支結(jié)構(gòu)的最小凈距為7.0 m。不同沖擊鉆沖程引起的城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度見表2?？芍?，隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度最大值為0.53 cm/s。

表2 不同沖擊鉆沖程引起的隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度

盡管按GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》交通隧道的安全振動(dòng)速度可以取10 cm/s，考慮到鐵路列車對(duì)振動(dòng)的嚴(yán)格要求，以及國(guó)內(nèi)并無鐵路附近施工的相關(guān)規(guī)程，通過查閱相關(guān)研究文獻(xiàn)及工程類比，橋梁上跨鐵路隧道段設(shè)計(jì)中確定爆破震動(dòng)安全允許振速為2 cm/s。本工程計(jì)算結(jié)果表明，各橋墩樁基如果采用沖擊鉆施工，沖擊鉆施工引起的振動(dòng)速度最大值為0.53 cm/s，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。為了進(jìn)一步控制樁基施工引起的振動(dòng)，可采用旋挖工藝，其施工引起的振動(dòng)速度將小于0.53 cm/s。

3.4 安全風(fēng)險(xiǎn)分析

3.4.1 上跨既有線地鐵高架橋施工的潛在風(fēng)險(xiǎn)

跨越既有地鐵線路進(jìn)行橋梁施工時(shí)，施工也對(duì)高速行駛的列車安全、施工結(jié)構(gòu)物和施工作業(yè)產(chǎn)生影響[9-10]。根據(jù)公路橋梁上跨既有地鐵線施工相關(guān)要求，結(jié)合工序作業(yè)特點(diǎn)、環(huán)境條件等致險(xiǎn)因子，其可能存在的重大風(fēng)險(xiǎn)事件包括：①橋梁基礎(chǔ)開挖引起地鐵橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定問題；②機(jī)械設(shè)備侵占既有線路限界；③墜落物威脅接觸網(wǎng)線和列車安全；④基礎(chǔ)施工影響地鐵通信信號(hào)光纜以及與行車相關(guān)的供水、供電管線等設(shè)施安全；⑤高速列車通過時(shí)誘導(dǎo)氣流會(huì)對(duì)附近的結(jié)構(gòu)設(shè)施、設(shè)備產(chǎn)生非常大的作用力；⑥橋梁施工引發(fā)的觸電傷亡及接觸網(wǎng)損壞事故；⑦作業(yè)時(shí)人身傷害事故。

3.4.2 上跨既有城軌隧道

城軌隧道為雙線分離式礦山法隧道，隧道埋深為28.8 m。隧道所處的地層為含礫砂巖，圍巖條件較好。因新建高架橋橫跨既有隧道，且隧道埋深大，橋梁施工對(duì)隧道影響較小，僅在橋梁樁基礎(chǔ)施工階段對(duì)隧道有一定的影響。該方案橋梁樁基距離隧道凈距最小距離為7.0 m，樁基為嵌巖樁，因此可以保證基礎(chǔ)施工過程中隧道結(jié)構(gòu)的受力安全。

4 結(jié)論

1)新建橋梁與地鐵線高架橋豎向凈空不小于7.5 m，滿足凈空要求。目前橋梁現(xiàn)澆箱梁掛籃施工工藝成熟，在跨越既有地鐵線高架橋時(shí)，采取必要的防護(hù)措施后，安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

2)新建橋梁樁基與隧道襯砌結(jié)構(gòu)距離7.0 m，樁基施工引起隧道結(jié)構(gòu)最大沉降值為1.1 mm，最大水平向位移值為0.2 mm，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力影響很小。根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》第9.3.5條，隧道結(jié)構(gòu)沉降累積限值為3～10 mm，隧道結(jié)構(gòu)水平位移限值為3～5 mm。因此，新建橋梁樁基施工對(duì)隧道影響滿足要求。