陳 明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限工程，北京 100055)

近年來，我國(guó)交通設(shè)施規(guī)模取得了前所未有的發(fā)展，截止2021年12月31日，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程超40 000 km，鐵路運(yùn)營(yíng)總里程超150 000 km[1]，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程達(dá)8 708 km[2]，高速公路通車?yán)锍坛?55 000 km，均位列世界首位。隨著上述工程的蓬勃發(fā)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(duì)鄰近橋樁影響顯著[3]，如何確保下穿既有工程施工及運(yùn)營(yíng)安全是穿越工程的重難點(diǎn)。近年來，多位學(xué)者針對(duì)地鐵區(qū)間下穿橋梁工程進(jìn)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(duì)樁體摩阻力及軸力的影響[4]；任建喜等分別以不同地鐵區(qū)間側(cè)穿市政高架橋樁基為工程背景，采用數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，分析隧道側(cè)穿橋樁對(duì)樁基的影響[5-8]；王國(guó)富等研究地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿普速鐵路橋涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形和鐵路軌道變形特征，并對(duì)防護(hù)措施進(jìn)行比選[9-10]；孟繁增等對(duì)新建公路路塹、橋梁結(jié)構(gòu)及樁板結(jié)構(gòu)下穿既有高速鐵路橋墩的影響及建設(shè)方案進(jìn)行研究[11-12]；唐黎明以寧波市某地鐵區(qū)間隧道下穿杭深線、北環(huán)線鄞縣特大橋工程為背景，分析不同施工工況下盾構(gòu)下穿高鐵橋梁的變形情況[13]；畢景佩等以天津地鐵7號(hào)線某區(qū)間下穿京滬高鐵南倉(cāng)特大橋?yàn)楸尘?，通過有限元數(shù)值分析，探究盾構(gòu)隧道下穿高鐵特大橋施工過程中橋面、橋墩、承臺(tái)、橋樁的位移以及橋樁附加應(yīng)力的變化規(guī)律[14]。

以上研究主要針對(duì)地鐵區(qū)間側(cè)穿市政高架橋、暗挖區(qū)間下穿普速鐵路橋或盾構(gòu)區(qū)間下穿高鐵特大橋，而對(duì)淺埋暗挖隧道近距離側(cè)穿高鐵特大橋橋樁的研究較少。以北京某暗挖地鐵區(qū)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(shù)值模型模擬暗挖段施工過程，揭示暗挖區(qū)間側(cè)穿既有高鐵特大橋樁基的變形特性，并提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

1 工程概況

京張高鐵為最高設(shè)計(jì)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(biāo)值為120 km/h，采用有砟軌道、無(wú)縫線路、60 kg/m鋼軌，全橋長(zhǎng)2 429.7 m，共75跨，其中72跨為32 m簡(jiǎn)支梁(雙線)，3跨為(40+64+40)m連續(xù)梁(雙線)，均為現(xiàn)澆箱梁。地鐵區(qū)間側(cè)穿20號(hào)～21號(hào)橋墩，20號(hào)橋墩墩高11 m，設(shè)11 m×14.2 m×3.6 m單層八邊形承臺(tái)，采用10根φ1 600 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)75 m；21號(hào)橋墩墩高15 m，設(shè)12.2 m×6.3 m×3 m單層矩形承臺(tái)，采用8根φ1 250 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)62.5 m；22號(hào)橋墩墩高16 m，設(shè)10.2 m×6.8 m×2.5 m單層矩形承臺(tái)，采用11根φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)52.5 m，橋樁均為摩擦樁。

新建地鐵區(qū)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(fù)合式襯砌，初支厚0.25 m，二襯厚0.3 m。左線區(qū)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(cè)距離21號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)最小水平凈距為2.23 m，距離22號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)最小水平凈距2.10 m。右線區(qū)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(xù)梁邊跨，隧道外側(cè)距離21號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)最小水平凈距為2.24 m，距離20號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)最小水平凈距為2.52 m。新建地鐵區(qū)間與既有高架橋平面關(guān)系見圖1，豎向位置關(guān)系見圖2。

圖1 地鐵區(qū)間與既有高鐵特大橋平面位置關(guān)系(單位：m)

圖2 地鐵區(qū)間與既有高鐵特大橋豎向位置關(guān)系(單位：m)

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地范圍地勢(shì)平坦，現(xiàn)狀為綠地，區(qū)間隧道沿線地層主要為第四系人工堆積層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層。從上至下的地層主要為素填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土及細(xì)砂層，區(qū)間穿越地層主要為粉質(zhì)黏土層及細(xì)砂層。擬建場(chǎng)地55 m深度范圍內(nèi)，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(fēng)險(xiǎn)

3.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

區(qū)間隧道開挖會(huì)使隧道周邊土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放，引起隧道上方及兩側(cè)土體變形，直觀表現(xiàn)為土體松動(dòng)和沉陷，同時(shí)引起周邊橋樁變形、沉降或變位，導(dǎo)致橋梁上部軌道變形，進(jìn)而影響鐵路列車運(yùn)營(yíng)安全。

高速鐵路對(duì)軌道平順性的要求極高，區(qū)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(zhǎng)，對(duì)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(jù)相關(guān)規(guī)范，京張高鐵西二旗左線特大橋?yàn)橹匾O(shè)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(duì)關(guān)系為非常接近，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)[15]。

3.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

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

表1 墩臺(tái)頂位移限制 mm

200～250 km/h高速鐵路有砟軌道線路靜態(tài)幾何尺寸偏差應(yīng)符合表2規(guī)定[17]。

表2 軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

3.3 風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)措施

根據(jù)地鐵區(qū)間與西二旗左線特大橋相對(duì)位置關(guān)系及周邊環(huán)境情況，為減少暗挖區(qū)間施工對(duì)既有高鐵的影響，區(qū)間下穿京張高鐵西二旗左線特大橋時(shí)，擬采取如下措施。

(1)隧道與橋樁之間設(shè)置隔離樁，距承臺(tái)邊9.3 m，規(guī)格為φ800 mm@1 200 mm，樁頂設(shè)置冠梁，樁底深入隧道底以下3 m，對(duì)于隧道與橋樁之間空間較小處設(shè)置復(fù)合錨桿樁，規(guī)格為φ150 mm@400 mm，雙排交錯(cuò)布置，樁長(zhǎng)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(nèi)，采用地表袖閥管注漿加固。

(3)區(qū)間隧道進(jìn)入鐵路影響范圍前，設(shè)置試驗(yàn)段，以獲得最佳施工參數(shù)。

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

(5)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高防水等級(jí)。

(6)采用“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”，充分利用“時(shí)空效應(yīng)”，在既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移前隧道封閉。

4 數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

采用Midas GTS NX三維數(shù)值計(jì)算程序?qū)π陆ǖ罔F區(qū)間下穿高鐵特大橋的施工過程進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。模型尺寸為130 m×80 m×90 m，土體、橋墩、承臺(tái)采用實(shí)體單元，鉆孔灌注樁采用植入式梁?jiǎn)卧?，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(gòu)模型Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，并假定材料為各向同性均勻介質(zhì)。在未施加防護(hù)措施和設(shè)置防護(hù)措施工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算模型見圖5～圖7。

圖5 有限元計(jì)算模型(單位：m)

圖6 有限元計(jì)算模型相互關(guān)系(無(wú)防護(hù)措施)

圖7 有限元計(jì)算模型相互關(guān)系(有防護(hù)措施)

工程地質(zhì)力學(xué)參數(shù)見表3。本區(qū)間隧道從北往南開挖，開挖進(jìn)尺為2 m，每次分2個(gè)計(jì)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(zhì)參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

區(qū)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(hù)措施工況下，墩臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值。

圖8 未施加防護(hù)措施橋樁豎向位移云圖(單位：mm)

圖9 未施加防護(hù)措施橋樁橫向位移云圖(單位：mm)

圖10 未施加防護(hù)措施橋樁縱向位移云圖(單位：mm)

圖11 施加防護(hù)措施后橋樁豎向位移云圖(單位：mm)

圖12 施加防護(hù)措施后橋樁橫向位移云圖(單位：mm)

圖13 施加防護(hù)措施后橋樁縱向位移云圖(單位：mm)

未施加防護(hù)措施工況下，21號(hào)橋墩最大豎向位移為5.03 mm，20號(hào)及22號(hào)橋墩最大豎向位移分別為2.82，3.46 mm，區(qū)間左、右線從21號(hào)橋墩兩側(cè)穿過，隧道開挖對(duì)21號(hào)橋墩兩側(cè)土體擾動(dòng)較大，兩次穿越的疊加效應(yīng)致使21號(hào)橋墩豎向位移大于20號(hào)及22號(hào)橋墩。

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

5 結(jié)論及建議

對(duì)暗挖地鐵區(qū)間下穿京張高鐵西二旗左線特大橋施工影響進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，分析了未施加防護(hù)措施和施加防護(hù)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(jié)論及建議。

(1)采取注漿加固及隔離樁防護(hù)措施后，暗挖地鐵區(qū)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(hù)措施時(shí)的50%，說明隔離樁及注漿加固是橋梁防護(hù)的有效措施。

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

(3)為降低對(duì)既有高鐵橋梁的影響，隔離樁應(yīng)伸入隧道底≮3 m，隔離樁及注漿加固應(yīng)在靠近隧道側(cè)設(shè)置，以降低隔離樁及注漿加固對(duì)橋樁的影響，注漿參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定。