地鐵區(qū)間隧道下穿高速鐵路橋梁安全評(píng)價(jià)分析及防治對(duì)策

王佩新

（中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，福州 350000）

1 引言

隨著高速鐵路路網(wǎng)的逐步完善及城市化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免會(huì)與鐵路路網(wǎng)建設(shè)存在交叉。目前，大城市的地鐵運(yùn)營(yíng)里程在迅速增長(zhǎng)，為避免與高速鐵路產(chǎn)生較大干擾，一般盡可能使地鐵從高速鐵路橋梁下穿。因?yàn)橄麓└咚勹F路的項(xiàng)目日益增多，高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)要求較高，下穿高速鐵路風(fēng)險(xiǎn)較大[1-4]，為此，國(guó)家鐵路局發(fā)布了相關(guān)規(guī)程來(lái)規(guī)范下穿高速鐵路工程的設(shè)計(jì)與施工[5]。本文基于福州市某條地鐵區(qū)間隧道下穿高速鐵路橋梁的工程實(shí)例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，提出相應(yīng)防治對(duì)策，并通過(guò)Midas GTS 建模計(jì)算分析其對(duì)高速鐵路橋梁的影響，為今后類似項(xiàng)目提供參考。

2 工程概況及地質(zhì)條件

區(qū)間隧道為單線單洞盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)上方布置供地鐵使用的110 kV 電力管線。

區(qū)間隧道左右線及電力管線下穿福平鐵路閩江特大橋9#、10#橋墩。下穿處區(qū)間隧道左線與鐵路橋夾角74°；右線與鐵路橋夾角73°。下穿處橋梁孔跨為68 m+128 m+68 m 連續(xù)梁主跨，基礎(chǔ)為12 根φ2.5 m 鉆孔灌注樁。福平鐵路閩江特大橋9#、10#橋墩承臺(tái)尺寸均為19.90 m×14.6 m×5.0 m（長(zhǎng)×寬×高）。區(qū)間隧道埋深約9.9 m，左線隧道距離橋墩（9#）承臺(tái)邊緣最近距離為5.64 m，右線隧道距離橋墩（10#）承臺(tái)最近距離為62.8 m。區(qū)間隧道、保護(hù)涵下穿鐵路平面關(guān)系如圖1 所示。區(qū)間隧道橫斷面如圖2 所示。

圖2 區(qū)間隧道橫斷面圖（1∶50）

電力管線采用1-1.6×1.9 m 鋼筋混凝土保護(hù)涵下穿鐵路橋，交角59°。保護(hù)涵橫斷面如圖3 所示。保護(hù)涵距離9#墩承臺(tái)最小水平距離為17.23 m，距離10#墩承臺(tái)最小水平距離為69.74 m。下穿處橋下凈空約33 m。

圖3 保護(hù)涵橫斷面圖

涉鐵段區(qū)間隧道段主要穿越雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。

3 下穿方案

3.1 方案分析

新建區(qū)間隧道位于既有構(gòu)筑物下方且構(gòu)筑物基礎(chǔ)位于隧道襯砌上部時(shí)，隧道施工影響既有構(gòu)筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，同時(shí)構(gòu)筑物基礎(chǔ)的荷載也將通過(guò)地層作用在隧道襯砌上，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成影響。二者相互作用的范圍與隧道施工工法、尺寸、既有構(gòu)筑物與隧道空間位置及既有構(gòu)筑物基礎(chǔ)形式有關(guān)。

根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋?qū)儆冖髤^(qū)，需要采取措施范圍。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋需采取相關(guān)措施。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)源分析

經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)如下。

1）地質(zhì)條件較差，區(qū)間隧道頂部為雜填土、淤泥，洞深范圍為雜填土，若施工措施控制不當(dāng)，極易造成坍塌，劣化地層力學(xué)性能，從而引起橋墩承載力減少和位移變形。

2）根據(jù)隧道與構(gòu)筑物分區(qū)關(guān)系，隧洞施工將嚴(yán)重影響周邊土體承載性能，易引起樁基承載力減小和沉降變形，存在橋梁變形過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。

3）墩臺(tái)沉降、墩柱傾斜造成對(duì)鐵路的運(yùn)營(yíng)安全影響。

4）采用的加固或隔離措施時(shí)，施工過(guò)程中對(duì)橋墩造成不利影響。綜合調(diào)研國(guó)內(nèi)對(duì)隧洞工程下穿橋梁的成功案例，采用的主要措施為隔離樁隔離或地層注漿加固。若在區(qū)間與樁基礎(chǔ)之間打設(shè)隔離樁，隔離樁位于4d 影響范圍內(nèi)（d 為樁徑），對(duì)既有樁基礎(chǔ)的受力有一定影響；若對(duì)隧道穿越段采用地層注漿加固，若不能保證注漿施工效果，則會(huì)引起橋墩位移變形，從而影響鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

5）施工監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)施工組織管理不力。區(qū)間隧道下穿高速鐵路橋梁施工過(guò)程中，必然會(huì)擾動(dòng)地層，引起鐵路橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)變形，進(jìn)而影響軌道的平順性，對(duì)鐵路的運(yùn)營(yíng)安全造成直接影響。

3.3 方案設(shè)計(jì)

區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋處在區(qū)間隧道外側(cè)15 m處采取C30 鋼筋混凝土冠梁+φ100 cm 鉆孔樁+φ60 cm攪拌樁作為橋墩隔離樁和止水帷幕，平面范圍為超出承臺(tái)兩側(cè)各10 m，鉆孔樁底標(biāo)高為區(qū)間隧道底標(biāo)高向下5 m 或伸入基巖層，攪拌樁底標(biāo)高與隧道底標(biāo)高齊平。部分隔離樁位于魁岐互通匝道橋下方，受凈空限制（凈空約5 m），樁間止水采用MJS 樁。

為保證施工期間減小對(duì)既有橋墩的影響，保護(hù)涵基坑開(kāi)挖采用鋼板樁防護(hù)，并設(shè)置鋼管橫撐，間距5 m。

4 三維數(shù)值建模

4.1 模型及計(jì)算單元

采用Midas GTS 有限元軟件分析區(qū)地鐵區(qū)間隧道及電力管線保護(hù)涵對(duì)福平鐵路閩江特大橋橋墩產(chǎn)生的影響。巖土、橋墩、承臺(tái)、框架采用3D 實(shí)體單元模擬，橋梁鉆孔樁及圍護(hù)鉆孔樁采用1D 梁?jiǎn)卧M，管片及鋼板樁采用2D 板單元模擬。土層本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，橋墩、承臺(tái)、保護(hù)涵結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中僅發(fā)生彈性變形。

4.2 模型計(jì)算過(guò)程

福平鐵路閩江特大橋9#墩、10#墩整體分析模型如圖4 所示，建立如下施工階段：（1）初始應(yīng)力平衡；（2）鐵路成橋階段；（2）位移清零；（4）保護(hù)涵施工；（5）區(qū)間隧道開(kāi)挖施工。

圖4 9#墩、10#墩整體模型

4.3 模型計(jì)算結(jié)果

電力保護(hù)涵施工對(duì)福平鐵路閩江特大橋的順橋向、橫橋向及豎向影響依次如圖5～圖7 所示。

圖5 福平鐵路閩江特大橋順橋向位移圖

圖6 福平鐵路閩江特大橋橫橋向位移圖

圖7 福平鐵路閩江特大橋豎向位移圖

盾構(gòu)施工對(duì)福平鐵路閩江特大橋的順橋向、橫橋向及豎向影響依次如圖8～圖10 所示。

圖8 福平鐵路閩江特大橋順橋向位移圖

圖9 福平鐵路閩江特大橋橫橋向位移圖

圖10 福平鐵路閩江特大橋豎向位移圖

將以上結(jié)果匯總于表1。

表1 福平鐵路閩江特大橋橋墩墩頂位移變化表 mm

綜上可知，在采取相關(guān)防護(hù)措施后，保護(hù)涵及區(qū)間隧道施工引起的9#橋墩墩頂及10#墩墩頂?shù)捻槝蛳蛭灰?、橫橋向位移及豎向位移均滿足墩臺(tái)頂位移限值2 mm 的要求。

5 結(jié)論

采用Midas GTS 對(duì)地鐵區(qū)間隧道下穿鐵路橋梁段進(jìn)行三維數(shù)值建模分析，結(jié)合施工及高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全要求，采取了相應(yīng)防護(hù)措施，期望為今后類似項(xiàng)目提供工程借鑒，結(jié)論及建議如下。

1）采用鉆孔隔離樁防護(hù)措施后，地鐵區(qū)間隧道下穿福平鐵路閩江特大橋，影響較小，在鐵路運(yùn)營(yíng)安全可控范圍之內(nèi)。

2）在施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作。把施工引起的鐵路橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)變形信息及時(shí)反饋給施工單位，使之能夠在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，優(yōu)化改進(jìn)施工方法。

3）隔離樁成樁應(yīng)采用振動(dòng)較小的旋挖鉆，并且跳樁施工，同時(shí)所選設(shè)備需滿足橋下作業(yè)空間要求。橋下隔離樁施工應(yīng)采取必要的防塌孔措施，避免隔離樁塌孔對(duì)鐵路橋梁墩頂位移產(chǎn)生影響。

4）區(qū)間隧道下穿鐵路前，應(yīng)積極協(xié)調(diào)鐵路有關(guān)部門(mén)，充分做好下穿鐵路前的相關(guān)準(zhǔn)備和保護(hù)工作，密切配合，加強(qiáng)與鐵路部門(mén)聯(lián)系。施工單位應(yīng)編制完整的施工組織方案和應(yīng)急預(yù)案，報(bào)送鐵路管理部門(mén)審批，并通過(guò)鐵路管理部門(mén)批準(zhǔn)。

5）做好施工機(jī)械、車(chē)輛安全管理，防止機(jī)械倒塌或車(chē)輛失控撞擊橋墩。