北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線下穿京滬高速鐵路特大橋施工安全控制研究

武俊杰

(中鐵二十三局集團(tuán)第六工程有限公司， 重慶 400012)

隨著我國(guó)城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，城市軌道交通在給人們的出行帶來便利的同時(shí)，其線路施工空間也面臨極大挑戰(zhàn)。在保證既有結(jié)構(gòu)正常運(yùn)營(yíng)的同時(shí)，施工中如何有效采取防護(hù)措施成為近接隧道研究的關(guān)鍵。

近年來的主要研究有：對(duì)下穿車站工程的施工方案優(yōu)選與安全性評(píng)估[1-3]，對(duì)近接樁基、墩柱等的影響分區(qū)研究[4-6]，下穿近接工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)的變形控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降規(guī)律、力學(xué)影響規(guī)律研究[7-8]等。但對(duì)隧道暗挖下穿運(yùn)營(yíng)高速鐵路大橋的施工安全研究較少，因此本文依托北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線下穿京滬鐵路特大橋工程，對(duì)橋梁墩柱位移控制技術(shù)與隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行研究，以確保新建隧道地鐵施工時(shí)既有鐵路橋梁的安全運(yùn)營(yíng)及隧道施工的有序進(jìn)行。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)詳勘資料，揭露地層最大深度為55.0 m。根據(jù)收集資料、鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，按地層沉積年代、成因類型，將本區(qū)段工程場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀(jì)全新世沖洪積層、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層和新近紀(jì)沉積層4大類。

1.2 線路概況

北京新機(jī)場(chǎng)折返線區(qū)間左右線分別于ZK 43+705～ZK 43+736、YK 43+716～YK 43+749段下穿北京特大橋，既有京滬高鐵里程為K 3+924.87～K 3+990.50，對(duì)應(yīng)京滬高鐵北京特大橋12號(hào)墩～14號(hào)墩。新機(jī)場(chǎng)折返線與既有京滬高鐵上下行交叉，左線中心線與京滬高鐵上下行交叉里程為K 3+974.15，右線中心線與京滬高鐵上下行交叉里程為K 3+941.09。其平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工程平面位置關(guān)系示意圖

1.3 墩柱與隧道位置關(guān)系

京滬高速鐵路為國(guó)家一級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)速度350 km/h，采用無砟軌道，雙線輔軌，地鐵隧道下穿位置為柳村線路所站內(nèi)道岔區(qū)，現(xiàn)狀為3股道線(京滬鐵路上下行、1條安全線)，路基南測(cè)填方高約1.5 m，北側(cè)基本與地面齊平。京滬高速鐵路北京特大橋與地鐵隧道交叉部位對(duì)應(yīng)特大橋12號(hào)～14號(hào)墩柱結(jié)構(gòu)，其中新建隧道與鄰近墩柱位置關(guān)系示意圖如圖2所示。

圖2 新建隧道與墩柱關(guān)系圖

1.4 隧道設(shè)計(jì)概況

北京新機(jī)場(chǎng)折返線一期工程下穿北京特大橋區(qū)間左右線均為馬蹄形單洞單線暗挖斷面，采用CRD法+深孔注漿開挖，開挖斷面總寬8.9 m，總高9.09 m，下穿鐵路位置覆土約11 m。左右線隧道分別從相鄰兩跨橋梁下穿過，隧道與基礎(chǔ)樁平面最小距離為8.41 m，隧道底位于樁底以上約7.8 m。隧道在穿越鐵路橋梁施工前采用深孔注漿加固地層，減小開挖對(duì)樁基周邊土體的擾動(dòng)，施工時(shí)遇粉細(xì)砂層，對(duì)掌子面進(jìn)行注漿加固，隧道采用CRD法施工，初襯厚度30 cm、二襯厚度45 cm。

1.5 下穿施工防護(hù)措施

地鐵隧道左右線具體防護(hù)措施如表1所示，防護(hù)措施橫斷面如圖3所示。

表1 隧道防護(hù)措施表

圖3 橫斷面加固示意圖

2 研究情況

2.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

鐵路的安全評(píng)估一般從結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施變形、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性等方面來考慮，且一般采用變形作為主要控制指標(biāo)。根據(jù)鐵路現(xiàn)狀及周邊設(shè)施，參考國(guó)內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合理論計(jì)算分析，制定本工程變形控制指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)TB 10621-2014《髙速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，墩臺(tái)頂豎向位移限值2 mm，單墩最大沉降不超過20 mm限值，橋梁結(jié)構(gòu)相鄰墩差異沉降不超過5mm；根據(jù)TB 10182-2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，墩臺(tái)頂縱向水平位移限值為2 mm，橫向水平位移限值為2 mm[9-10]。

2.2 計(jì)算模型

模型以沿鐵路橋方向?yàn)閄軸；垂直鐵路橋方向?yàn)閅軸；豎直方向?yàn)閆軸。為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響，考慮施工過程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型取其有效影響范圍，即模型沿X方向取200 m，沿Y方向取90 m，土層總深度50 m。

模型建模思路為首先建立各土層、既有京滬高鐵橋墩、承臺(tái)、樁基，將上部結(jié)構(gòu)荷載加在墩頂，以此作為初始階段；然后建立防護(hù)樁、橫撐、隧道、二次注漿土體等，并根據(jù)施工階段激活或鈍化相應(yīng)單元及荷載，計(jì)算防護(hù)樁施工、隧道暗挖施工(采用CRD法)、二次注漿加固施工、隧道運(yùn)營(yíng)對(duì)既有鐵路橋梁基礎(chǔ)的影響。計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型

2.3 施工步驟

以實(shí)際施工順序?yàn)闇?zhǔn)，計(jì)算模型模擬施工步驟如圖5所示。

圖5 施工步驟圖

(1)第一步：施作左側(cè)拱部深孔注漿加固地層。開挖拱頂上部洞室①，并施作初期支護(hù)。封閉成環(huán)及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿。

(2)第二步：施作洞室②左側(cè)深孔注漿，上下臺(tái)階法開挖左側(cè)下部洞室②，并施作初期支護(hù)。掌子面前后錯(cuò)開一定距離。

(3)第三步：施作右側(cè)拱部深孔注漿加固地層。上下臺(tái)階法開挖洞室③，并施作初期支護(hù)。

(4)第四步：施做洞室④右側(cè)深孔注漿，上下臺(tái)階法開挖右側(cè)下部洞室④，并施作初期支護(hù)。掌子面前后錯(cuò)開一定距離。

(5)第五步：鑿除第一層格柵中隔壁間混凝土，穿過第二層初支格柵，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，施工第二層初支。

(6)第六步：第二層初支達(dá)到強(qiáng)度，地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果趨于穩(wěn)定后分段拆除中隔板、中隔壁，敷設(shè)防水層，澆注二襯，完成隧道二襯結(jié)構(gòu)。

2.4 計(jì)算參數(shù)

本文主要物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算參數(shù)

注：h、E、c、φ和γ分別代表材料厚度、彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角和重度；調(diào)壓站基礎(chǔ)之間用接觸面來模擬

3 研究結(jié)果分析

3.1 墩柱位移分析

(1)豎向沉降

根據(jù)計(jì)算模型提取的各階段鐵路橋梁基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)，將每個(gè)基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的獨(dú)立墩柱A、B、C號(hào)橋墩的沉降值與相應(yīng)差異沉降極值匯于表3。

表3 墩臺(tái)最大豎向變形值及差異沉降值(mm)

由表3可知，在施工過程中11號(hào)墩的沉降極值出現(xiàn)在A墩上，為9.665 mm；12號(hào)墩的沉降極值出現(xiàn)在C號(hào)墩上，為9.985 mm；13號(hào)～15號(hào)墩的沉降極值均出現(xiàn)在B墩上，分別為10.763 mm、10.882 mm、9.664 mm。由此可見，隨橋墩與新建隧道距離的減小，橋墩的沉降值逐漸增大，橋墩沉降最大值為10.882 mm，滿足規(guī)范要求的單墩最大沉降不超過20 mm限值。橫向水平差異沉降出現(xiàn)在14號(hào)C號(hào)墩與15號(hào)C號(hào)墩之間，最大差異沉降值為1.220 mm，縱向水平差異沉降出現(xiàn)在13號(hào)A號(hào)墩與13號(hào)B號(hào)墩之間，最大差異沉降值為0.058 mm，均滿足規(guī)范要求的橋梁結(jié)構(gòu)相鄰墩差異沉降不超過5 mm限值。

(2)水平位移

根據(jù)計(jì)算模型提取各階段橋墩縱向水平變形數(shù)據(jù)，將每個(gè)基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的獨(dú)立墩柱A、B、C號(hào)橋墩的縱向水平位移值如表4所示，橫向水平位移值如表5所示。

表4 墩臺(tái)最大縱向水平位移值(mm)

注：縱向水平變形正值為變形指向隧道小里程，負(fù)值為變形指向隧道大里程

表5 墩臺(tái)最大橫向水平位移值(mm)

注：縱向水平變形正值為變形指向橋梁小里程，負(fù)值為變形指向橋梁大里程

由表3與表5可知，14號(hào)墩的縱向水平極值出現(xiàn)在B墩上，為1.464 mm，其余均出現(xiàn)在A號(hào)墩上，分別為-0.303 mm、-1.544 mm、-0.081 mm、0.303 mm，可見橋墩縱向水平位移隨距新建隧道的距離的減小而增大，橋墩縱向水平位移極值為-1.544 mm。14號(hào)墩的橫向水平極值出現(xiàn)在B墩上，為-0.554 mm，其余均出現(xiàn)在A號(hào)墩上，分別為-0.074 mm、-0.616 mm、-1.014 mm、0.074 mm，可見橋墩橫向水平位移隨距新建隧道的距離的減小而明顯增大，橋墩縱向水平位移極值為-1.014 mm。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

(1)軸力與彎矩

根據(jù)計(jì)算模型針對(duì)施工期間產(chǎn)生的附加力，計(jì)算新建機(jī)場(chǎng)線暗挖隧道第一層初支結(jié)構(gòu)防護(hù)前后的軸力、彎矩，相應(yīng)監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)力圖如圖6、圖7所示。

圖6 斷面軸力圖(kN)

圖7 斷面彎矩圖(kN·m)

由圖6、圖7可知，隨著開挖的進(jìn)行，先開挖步的初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力普遍大于后開挖步的內(nèi)力，且采取防護(hù)措施后隧道初支結(jié)構(gòu)軸力與彎矩均明顯下降，軸力極值均出現(xiàn)在仰拱處，分別為防護(hù)前-190.42 kN、防護(hù)后-165.46 kN；未采取防護(hù)措施時(shí)初支結(jié)構(gòu)彎矩對(duì)值極值出現(xiàn)在拱頂位置，為11.92 kN·m，防護(hù)后初支結(jié)構(gòu)彎矩絕對(duì)值極值出現(xiàn)在仰拱位置，為4.34 kN·m。

(2)安全系數(shù)

根據(jù)初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)據(jù)，處理計(jì)算所得結(jié)構(gòu)相應(yīng)最小安全系數(shù)，如圖8所示。提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最小安全系數(shù)如表6所示。

圖8 斷面安全系數(shù)圖

位置未防護(hù)防護(hù)增大百分比/%拱頂5.06 38.33 657.51右拱肩86.84 372.59 329.4右邊墻18.12 104.61 477.32右拱腳130.05 342.40 163.28仰拱38.97 44.01 12.93左拱腳121.71 98.39 -19.16左邊墻272.45 324.62 19.15左拱肩116.94 1 083.80 826.8

由圖8與表6可知，采取防護(hù)措施后安全系數(shù)明顯提高，斷面安全系數(shù)最小值均出現(xiàn)在拱頂位置，分別為防護(hù)前5.06，防護(hù)后38.33。左拱肩位置安全系數(shù)提高效果最為顯著，相對(duì)未防護(hù)提高了826.8%。采取防護(hù)措施后使得施工滿足當(dāng)?shù)匕踩刂茦?biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

采取防護(hù)措施不僅有效控制了既有特大橋墩柱的變形，且顯著提高了隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性：

(1)橋墩柱的位移值隨其與新建隧道距離的減小而增大，13號(hào)B號(hào)墩的沉降值最大，為70.882 mm；最大差異沉降出現(xiàn)在14號(hào)C號(hào)墩與15號(hào)C號(hào)墩之間，為1.220 mm；12號(hào)A號(hào)墩的縱向水平位移值最大，為-1.544 mm；13號(hào)A號(hào)墩的橫向水平位移值最大，為-1.014 mm，變形值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

(2)隧道結(jié)構(gòu)仰拱處軸力最大，為-190.42 kN·m，采取防護(hù)措施后，最大軸力減小為165.46 kN；采取防護(hù)措施后，彎矩絕對(duì)值極值由11.92 kN·m減小為4.34 kN·m；最小安全系數(shù)由防護(hù)前的5.06增大到防護(hù)后的38.33，左拱肩處提高最為顯著，相對(duì)未防護(hù)提高了826.8%。

(3)由位移及內(nèi)力可知，通過采取管幕防護(hù)和中隔壁防護(hù)措施，才使得施工滿足當(dāng)?shù)匕踩刂茦?biāo)準(zhǔn)。