城市軌道交通隧道下穿既有高架線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

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(duì)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(jì)、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(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)-巖土的動(dòng)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(duì)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(huì)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(duì)樁體變化規(guī)律的影響。吳波等（2006，2007）采用ABAQUS軟件動(dòng)態(tài)模擬了北京地鐵10號(hào)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(hào)線隧道工程下穿既有地鐵5號(hào)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(xiǎn)評(píng)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)線橋樁為C25鉆孔灌注樁，直徑為1000 mm，長度為30.0m。地鐵15號(hào)線暗挖區(qū)間沿東西方向下穿地鐵5號(hào)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(hào)線暗挖區(qū)間從35.0m跨下穿，下穿段高架橋?yàn)?樁方形承臺(tái)，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(hào)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(hào)線橋樁剖面關(guān)系圖，圖2所示為高架橋墩臺(tái)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(duì)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(gè)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(tái)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(hào)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(hào)線高架橋墩臺(tái)橫斷面圖Fig.2.Metro line 5 viaduct pier cross-sectional map

注漿時(shí)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(tái)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(shí)仰拱，開挖至橋樁水平距基礎(chǔ)12.0m時(shí)，開始增設(shè)臨時(shí)仰拱。直到安全通過橋樁并延伸12.0m，臨時(shí)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(duì)初襯背后全周注漿。每開挖2.0m，就及時(shí)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(hào)線橋樁范圍，二襯背后的回填注漿，應(yīng)采用強(qiáng)度高、流動(dòng)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(hào)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(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)工程情況，對(duì)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(píng)估，主要包括隧道兩側(cè)各兩個(gè)橋樁。

2.1 重要性評(píng)估

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

2.2 安全現(xiàn)狀評(píng)估

該區(qū)段高架橋梁建成距施工時(shí)約5年半多的時(shí)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(gè)構(gòu)件進(jìn)行評(píng)定，其推定值為51.0～52.5MPa，梁體混凝土強(qiáng)度按批構(gòu)件評(píng)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(píng)定該高架橋安全性等級(jí)為良好。

2.3 施工影響預(yù)測評(píng)估

采用數(shù)值模擬方法對(duì)區(qū)間隧道下穿引起的既有5號(hào)線高架橋樁變形進(jìn)行預(yù)測。數(shù)值模擬計(jì)算采用FLAC-3D建立計(jì)算模型，地層計(jì)算設(shè)置大變形，其中土層、既有橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁承臺(tái)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(tái)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(shí)除了頂面取為自由邊界，其他5個(gè)面均采取法向約束。計(jì)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(tái)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(tái)為中心，向兩側(cè)各30.5m，共61.0m（圖3）。計(jì)算荷載考慮既有高架橋列車荷載等作用，綜合為20kPa 。

圖3 計(jì)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(bào)告中提供的參數(shù)，各個(gè)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(jì)算模型見圖4、圖5，共劃分了175384個(gè)實(shí)體單元，183786個(gè)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(jì)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(jì)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(gè)橋梁承臺(tái)上表面的四角和中部布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，4個(gè)墩臺(tái)共計(jì)20個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。既有高架結(jié)構(gòu)承臺(tái)和樁基的豎向沉降計(jì)算結(jié)果見圖6。各個(gè)橋梁承臺(tái)的豎向沉降計(jì)算結(jié)果見表3。

圖4 計(jì)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(tái)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(tái)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(jì)算結(jié)果可知，隧道穿越部位兩側(cè)的兩個(gè)橋梁承臺(tái)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(gè)橋梁承臺(tái)之間的差異沉降較小，為0.014mm。

穿越區(qū)外側(cè)的兩個(gè)橋梁承臺(tái)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(tái)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(duì)其差異沉降的變形控制。

根據(jù)變形計(jì)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(hào)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(píng)定礦山法隧道施工對(duì)既有地鐵5號(hào)線高架結(jié)構(gòu)的影響程度可為嚴(yán)重。

2.4 綜合性評(píng)估

根據(jù)以上分析，重要性評(píng)估結(jié)果，該既有線高架結(jié)構(gòu)重要性等級(jí)為Ⅰ級(jí)；安全現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)果，其安全性等級(jí)為良好；施工影響預(yù)測評(píng)估結(jié)果，礦山法隧道下穿施工對(duì)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(xiǎn)發(fā)生的可能性為可能發(fā)生，綜合評(píng)定其工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)，為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

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(tái)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(shí)仰拱。同時(shí)，對(duì)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(hào)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(duì)高架結(jié)構(gòu)的穿越。

3 結(jié)論

通過北京地鐵15號(hào)線安立路站—大屯路東站區(qū)間礦山法隧道下穿既有5號(hào)線高架結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(hào)線高架區(qū)間結(jié)構(gòu)，其重要性等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

（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(jí)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(píng)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(xiǎn)發(fā)生的可能性為可能發(fā)生，綜合評(píng)定其工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為最高級(jí)一級(jí)。

（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(duì)地鐵5號(hào)線的穿越施工。

Cheng C Y，Dasari G R，Leung C F，et al，2004.3D numerical simulation of tunnel-soil-pile interaction[J].Tunnelling and Underground Space Technology.19：381-382.

Pang C H，Yong K Y，Chow Y K，2005.Three-dimensional numerical simulation of tunnel advancement on adjacent pile foundation[J].Erdem.Solak.Underground Space Use:Analysis of the past and lessons for the future.London: Taylor and Francis Group.1141-1147.

Lee G T K，Ng C W W，2005.Effects of advancing open face tunneling on an existing loaded pile[J].Journal of Geotechnical& Geoenvironmental Engineering, 131(2)：193-201.

Gordon T K，Lee I ，Charles W W Ng，2005.Effects of Advancing Open Face Tunneling on an Exiting loaded Pile[J].Journal of geotechnical and geo-environmental engineering.ASCE.2.

Emilios M，Comodromos，Spyridoula V，et al，2005.Evaluation of negative skin friction effects in pile foundations using 3D nonlinear analysis[J].Computers and Geotechnics，(32)：210-221.

何海健，劉維寧，項(xiàng)彥勇，等，2006.地鐵施工對(duì)鄰近橋樁影響的研究現(xiàn)狀與探討[J].都市快軌交通，19 (5)：85-88.

何海健，項(xiàng)彥勇，劉維寧，2007.地鐵施工引起鄰近橋梁樁基差異沉降的概率分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，26(S1)：3257-3265.

李寧，王柱，韓煊，等，2006.地鐵開挖對(duì)上部樁基變形的影響研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，39(10)：107-111.

吳波，劉維寧，索曉明，等，2006.城市地鐵施工近鄰短樁橋基加固效果研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，39(7)：99-103

吳波，劉維寧，索曉明，等，2007.北京地鐵轉(zhuǎn)彎段施工對(duì)近鄰橋基的影響研究[J].巖土力學(xué)，28(9)：1904-1908.