暗挖隧道同時(shí)下穿鐵路橋梁和隧道數(shù)值分析

周丁恒，郭華勝，田雪娟，賈世濤，馬永峰

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城市軌道與地下工程設(shè)計(jì)研究院，北京 102600； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

對(duì)新建隧道穿越鐵路橋的研究主要集中在盾構(gòu)隧道穿越鐵路橋方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段[1-8]，對(duì)盾構(gòu)穿越施工對(duì)鐵路橋影響進(jìn)行了分析研究。相對(duì)于豐富的盾構(gòu)穿越鐵路橋研究，暗挖隧道穿越鐵路橋的研究相對(duì)較少，馬偉斌等[9]對(duì)地鐵暗挖隧道下穿鐵路橋進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，評(píng)價(jià)了鐵路橋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)及安全性；閆鑫等[10]對(duì)暗挖隧道施工時(shí)鐵路框架橋與土層間的滑移和脫空進(jìn)行了分析；祁輝等[11]、張學(xué)鋼等[12]分析了隧道施工對(duì)鐵路橋樁基與位移的影響變化規(guī)律。暗挖隧道穿越鐵路隧道同樣較少，袁竹等[13]、陳志勇[14]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)既有鐵路隧道受下穿區(qū)間暗挖隧道近接施工影響進(jìn)行了研究；曹瑞瑯等[15]比較了地鐵區(qū)間臺(tái)階法、臨時(shí)仰拱臺(tái)階法、CD法以及CRD法極小間距下穿高鐵盾構(gòu)隧道。

為解決暗挖隧道同時(shí)下穿多個(gè)建(構(gòu))筑物風(fēng)險(xiǎn)控制問題，本文以地鐵暗挖區(qū)間隧道同時(shí)下穿京張高速鐵路隧道和京包鐵路橋?yàn)楣こ瘫尘?，在風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)措施的基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法，分析了不加固和加固方案下隧道、鐵路橋豎向位移和橫向位移極值隨施工步變化特征，以期為類似穿越工程提供參考。

1 工程背景

北京地鐵12號(hào)線大薊區(qū)間線路沿北三環(huán)西路敷設(shè)，區(qū)間埋深范圍為25.4～32.6m，長(zhǎng)度為835.10m，采用礦山法施工。地鐵暗挖區(qū)間隧道下穿京張高速鐵路隧道和京包鐵路橋。京張隧道結(jié)構(gòu)型式為單洞雙線的大斷面盾構(gòu)隧道，直徑和管片厚度分別為12.2m、550mm，在地鐵處隧道軌面標(biāo)高為28.313m。京包鐵路橋橋體結(jié)構(gòu)為四孔不等跨鋼筋砼結(jié)構(gòu)，下部為基樁承臺(tái)，基樁均為樁徑1.2m鉆孔樁。承臺(tái)高度為2.0m，樁長(zhǎng)25m和22m。工程勘探最大孔深65.00m深度范圍內(nèi)所揭露地層，按成因年代分為人工堆積層和一般第四紀(jì)沖洪積層兩大類，按地層巖性進(jìn)一步分為9個(gè)大層及亞層。

2 保護(hù)方案

2.1 京張隧道保護(hù)措施

下穿京張隧道時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)安全，采取如下保護(hù)措施(見圖1)。

圖1 區(qū)間下穿京張隧道風(fēng)險(xiǎn)源措施縱斷面圖(單位：mm)

1)穿越京張隧道段時(shí)，地鐵暗挖區(qū)間隧道采用臺(tái)階法開挖，并增設(shè)臨時(shí)仰拱，臨時(shí)仰拱與注漿里程相同。

2)洞內(nèi)管棚施工。I、抬高地鐵暗挖區(qū)間隧道斷面，為管棚創(chuàng)造洞內(nèi)工作面。C型斷面采用臺(tái)階法施工，該斷面增設(shè)臨時(shí)仰拱；II、拱頂100°范圍采用小導(dǎo)管注漿加固+DN180大管棚，大管棚參數(shù)：12mm壁厚，0～1°外插角，400mm環(huán)向間距，京張隧道前后10m范圍。小導(dǎo)洞注漿加固范圍為隧道輪廓線外1.5m。

3)洞內(nèi)深孔注漿為全斷面范圍和側(cè)壁輪廓線外2.5m，注漿縱向長(zhǎng)度與大管棚加固長(zhǎng)度相同。

4)穿越段初支厚度為350mm(爭(zhēng)長(zhǎng)短250mm)，格柵密排，該措施設(shè)置范圍為京張隧道前后10m。

5)初期支護(hù)的縱向連接筋由間距1m減至0.5m。

6)初支和二襯背后注漿管加密，環(huán)向2～3m加密至2m，縱向3m加密至2m，初支背后及時(shí)進(jìn)行回填注漿，根據(jù)監(jiān)測(cè)補(bǔ)充多次注漿，注漿壓力和注漿量需進(jìn)行嚴(yán)格控制。

7)初支、二襯施工后，對(duì)背后進(jìn)行孔洞檢測(cè)，需要時(shí)采取注漿回填措施。

8)完成初支結(jié)構(gòu)后，盡快進(jìn)行二襯澆筑。

對(duì)于京張隧道，建議其施工時(shí)為穿越預(yù)定一定的條件：增加管片預(yù)留注漿孔，對(duì)周圍土體提前進(jìn)行注漿加固；管片鏈接加強(qiáng)、管片縱向拉緊。

2.2 京包鐵路橋保護(hù)措施

如圖2所示，下穿京包鐵路橋時(shí)保護(hù)措施有：①對(duì)地鐵暗挖區(qū)間隧道兩側(cè)橋樁樁底周邊3m范圍內(nèi)進(jìn)行深孔注漿加固，注漿加固范圍為向上和向下分別為3m，左右注漿范圍均取橋樁外邊緣3m。②京包鐵路橋橋樁之前采用深孔注漿加固，之后采用大管棚加固措施，大管棚措施具體參數(shù)與穿越京張隧道時(shí)相同。③增加臨時(shí)仰供，拉大上下導(dǎo)洞的步距，臨時(shí)仰拱里程同注漿里程。④及時(shí)進(jìn)行初支和二襯背后注漿，嚴(yán)格控制注漿壓力，必要時(shí)進(jìn)行多次補(bǔ)漿。

圖2 地鐵暗挖區(qū)間隧道下穿京包鐵路橋橫斷面圖(單位：mm)

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 模型概況

采用midas GTS NX軟件建立暗挖地鐵暗挖區(qū)間隧道下穿京張隧道、京包鐵路橋的三維有限元模型(見圖3)。模型尺寸參數(shù)：X向116m、Y向100.37m、Z向60m。模型邊界條件：底部三向位移約束，四面水平位移約束。京張隧道襯砌、地鐵暗挖區(qū)間隧道初支及二襯采用板單元模擬，地鐵暗挖區(qū)間隧道加固區(qū)、橋面、橋墩及承臺(tái)采用實(shí)體單元模擬，京包鐵路橋橋樁、管棚采用梁?jiǎn)卧M，土體本構(gòu)模型選取摩爾庫(kù)倫模型，不考慮地下水的影響，地面超載值為20kPa。

圖3 三維有限元分析模型

3.2 模型參數(shù)

模型土層數(shù)為11個(gè)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告確定各土層物理力學(xué)參數(shù)(見表2)。京包鐵路橋橋樁、承、承臺(tái)、橋墩及面板均采用C30混凝土模擬，管棚采用鋼管模擬，京張隧道襯砌、地鐵暗挖區(qū)間隧道大斷面二襯、地鐵暗挖區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面二襯均采用C50混凝土模擬，地鐵暗挖區(qū)間隧道大斷面初支和標(biāo)準(zhǔn)斷面初支則采用C20混凝土模擬。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬工況與施工步

本次計(jì)算分析了不加固和加固兩種工況，不加固指的是不進(jìn)行深孔注漿和管棚加固，其他措施正常實(shí)施。每種工況均以分段的方式模擬隧道開挖的空間影響，分段進(jìn)尺依次按照11、11.43、10.13、9.44、9、9、8.85、9.15、9和13.37m進(jìn)行設(shè)置。先施工右線再施工左線，每個(gè)開挖斷面的上、下臺(tái)階相隔1個(gè)分段進(jìn)尺，右線、左線二襯在貫通后施工。

3.4 京張隧道計(jì)算結(jié)果與分析

京張隧道豎向位移、水平位移極值隨施工步變化曲線如圖4所示(Z向位移為豎向位移，Y向水平位移為橫向水平位移，X向水平位移為縱向水平位移)。由圖4(a)可看出：①不加固和加固工況下京張隧道襯砌豎向位移極值隨施工步變化趨勢(shì)基本一致，均可定義為兩階段“S”型曲線；②同一工況下，右線和左線引起的位移變化過程均包括了緩慢變化、急速增大和穩(wěn)定三個(gè)階段。不加固工況下，以京張隧道中心為坐標(biāo)零點(diǎn)，-18～16m范圍是穿越影響顯著區(qū)域(負(fù)值表示開挖面未達(dá)到京張隧道中心處)，加固工況下影響范圍為-16～14m；③不加固工況下右線、左線施工后的京張隧道襯砌豎向位移極值分別為3.89mm和5.70mm，右線、左線施工引起的位移分別約為總位移的68.2%和31.8%。加固工況下右線、左線施工后的京張隧道襯砌豎向位移極值分別為1.94mm和2.84mm，右線、左線施工引起的位移分別約為總位移的68.3%和31.7%；④加固后京張隧道豎向位移極值減少了50.07%，控制效果明顯。

由圖4(b)可知：①同一施工步下豎向位移極值大于水平位移極值，水平位移極值中橫向水平位移極值稍大于縱向水平位移極值；②不加固和加固工況下施工全過程中橫向水平位移極值為-1.14mm和-0.86mm，極值發(fā)生在下穿過程中。不加固和加固工況下施工全過程中縱向水平位移極值為-0.83mm和-0.42mm，最極值為最終值；③加固后橫向水平位移極值和縱向水平位移極值分別減少了24.6%和49.4%，加固處理對(duì)縱向水平位移控制效果較好；④兩種工況下縱向水平位移極值變化趨勢(shì)與豎向位移基本一致，經(jīng)歷緩慢、快速及穩(wěn)定三個(gè)階段，區(qū)別在于極值的方向后期發(fā)生變化。兩種工況下橫向水平位移極值變化經(jīng)歷了增大、減小及穩(wěn)定三個(gè)階段，右線、左線施工過程變化趨勢(shì)一致。

(a)豎向位移極值 (b)水平位移極值圖4 京張隧道襯砌位移極值隨施工步變化曲線

3.5 京包鐵路橋計(jì)算結(jié)果與分析

1)絕對(duì)位移

京包鐵路橋橋樁豎向位移極值、水平位移極值隨施工步變化曲線如圖5所示(Z向位移為豎向位移，X向水平位移為橫向水平位移，Y向水平位移為縱向水平位移)。通過圖5(a)可以看出：①鐵路橋橋樁豎向位移極值與京張隧道豎向位移極值變化規(guī)律基本一致，包含緩慢變化、急速增大和穩(wěn)定的兩階段“S”型曲線；②不加固工況下右線、左線施工后的豎向位移極值分別為3.99mm和5.69mm，分別約占總位移的70.2%和29.8%。加固工況下右線、左線施工后的京包鐵路橋橋樁豎向位移極值分別為1.95mm和2.28mm，分別約占總位移的85.9%和14.1%；③根據(jù)位移云圖，兩種工況下橋樁豎向位移從大到小依次為2軸、3軸、1軸、4軸、5軸(從左到右依次編號(hào)為1～5軸，同一軸承臺(tái)下從左側(cè)最上方橋樁開始，以逆時(shí)針方向編號(hào)為1#～6#樁)；④加固后鐵路橋橋樁豎向位移極值減少了60%，控制效果十分明顯。

(a)豎向位移極值 (b)水平位移極值圖5 京包鐵路橋橋樁位移極值隨施工步變化曲線

由圖5(b)可知：①同一施工步下橋樁豎向位移極值大于水平位移極值，縱向水平位移極值大于橫向水平位移極值；②縱向水平位移極值變化經(jīng)歷初期快速增長(zhǎng)后，后期變化較小。橫向水平位移極值在右線施工階段變化比較劇烈，經(jīng)歷了增大、穩(wěn)定、減少、增大及穩(wěn)定5個(gè)階段，左線施工對(duì)橫向水平位移極值影響較??；③不加固和加固工況下施工全過程中橫向水平位移極值為-3.07mm和-1.73mm，不加固和加固工況下施工全過程中縱向水平位移極值為-0.94mm和-0.74mm；④加固后橫向、縱向水平位移極值分別減少了42.9%和21.27%，加固處理對(duì)橫向水平位移控制效果較好，對(duì)縱向水平位移較差。

2)差異沉降

京包鐵路橋承臺(tái)最終豎向位移列如表3所示， 通過表3中各承臺(tái)計(jì)算相鄰承臺(tái)的差異沉降。 不加固工況下相鄰承臺(tái)間差異沉降分別為2.228mm、 2.061mm、3.276mm、1.751mm， 不加固工況下相鄰承臺(tái)間差異沉降分別為0.814mm、 0.669mm、 1.378mm、0.746mm，兩種工況下承臺(tái)間最大差異沉降均為3～4軸承臺(tái)間差異沉降，加固后各承臺(tái)間差異沉降減少63.5%、67.5%、57.9%、57.4%，承臺(tái)差異沉降明顯得到控制。

表3 京包鐵路橋承臺(tái)豎向位移最終值 mm

京包鐵路橋橋樁樁底最終豎向位移及各承臺(tái)下樁底差異沉降列如表4所示。經(jīng)過加固處理后，各承臺(tái)間差異沉降減少48.7%、72.5%、47.2%、56.9%、60.4%，加固后樁底差異沉降明顯得到控制。

表4 鐵路橋橋樁樁底豎向位移及差異沉降/mm

5 結(jié)論

(1)地鐵暗挖區(qū)間隧道同時(shí)下穿京張高速鐵路隧道和京包鐵路橋，京張隧道和京包鐵路橋橋樁豎向位移極值變化過程可描述為“S”型曲線，每一階段包含了緩慢增長(zhǎng)、快速增大及穩(wěn)定變化三個(gè)過程。

(2)對(duì)于京張隧道和京包鐵路橋，不加固和加固工況下豎向位移大于水平位移，不加固時(shí)位移超過5mm位移控制標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過加固處理后，京張隧道豎向位移極值減少了50%左右，京包鐵路橋豎向位移極值和橫向水平位移極值分別減少了60%和42.9%，位移均得到了明顯控制，表示加固處理降低了地鐵暗挖區(qū)間隧道對(duì)上部結(jié)構(gòu)的施工風(fēng)險(xiǎn)。

(3)京張隧道豎向位移極值發(fā)生在中間偏左的位置，京包鐵路橋豎向位移極值發(fā)生在2軸結(jié)構(gòu)，京包鐵路橋最大差異沉降發(fā)生在中間偏右的3軸～4軸間。

(4)不加固和加固工況下右線施工引起的京張隧道豎向位移超過總豎向位移的68%，不加固和加固工況下右線施工引起的京包鐵路橋豎向位移超過總豎向位移的85.9%，因此，先行施工的地鐵暗挖區(qū)間隧道是京張隧道、京包鐵路橋沉降控制關(guān)鍵階段。