探究明挖深埋隧道下穿施工對(duì)高速鐵路橋梁的影響

劉慶楠

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100855）

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的隧道施工項(xiàng)目需要在地下穿越高速公路、鐵路等市政管線，深埋隧道下穿施工是一種較為常見(jiàn)的隧道施工技術(shù)，但是深埋隧道施工的過(guò)程中，不可避免地會(huì)對(duì)地表、地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的影響，尤其是在地下隧道施工過(guò)程中，深埋隧道開挖和回填施工過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致土體產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力重分布，進(jìn)而對(duì)地表有影響。因此，在地下工程中，如何保證深埋隧道下穿施工對(duì)地表及地下結(jié)構(gòu)的影響控制在一定范圍內(nèi)，并在此基礎(chǔ)上確保建筑物本身的安全，是一個(gè)值得深入探討和研究的問(wèn)題。

1 明挖深埋隧道下穿施工的意義

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)也取得了前所未有的進(jìn)步，高速鐵路成為我國(guó)主要的交通工具，為了更好地滿足人們出行需求，我國(guó)鐵路線路正在向縱深發(fā)展。在修建高鐵線路的過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些特殊的地段，需要進(jìn)行特殊處理。明挖深埋隧道下穿施工是隧道施工中經(jīng)常遇到的一種情況，具有一定的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性。因此，要高度重視明挖深埋隧道下穿施工對(duì)高鐵橋梁造成的影響，通過(guò)采取有效措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。明挖深埋隧道下穿施工是指在明挖深埋隧道下穿鐵路橋梁施工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，使其不受周圍環(huán)境影響。

2 具體工程概況介紹

本工程是一條雙向四車道的高速公路，但是仍然不能滿足當(dāng)前的交通需要，因此，擬進(jìn)行一項(xiàng)改造，建設(shè)一條雙向8 車道的高速公路，時(shí)速100km/h。這條高速公路在施工的時(shí)候，正好和一條高速鐵路經(jīng)過(guò)，而這條高速公路的交匯處，是一條還沒(méi)有被挖掘的水庫(kù)。從整體上來(lái)看，本項(xiàng)目的建設(shè)區(qū)域具有良好的地質(zhì)條件，通過(guò)調(diào)查，查明了該項(xiàng)目的地層以第四系粉砂、白堊紀(jì)粉砂巖、圓礫、卵石、砂礫巖和砂巖為主。但是，該隧道穿越高鐵段的地層主要為強(qiáng)-中風(fēng)化的粉砂巖，其強(qiáng)度和強(qiáng)度均較大。

3 探討高速鐵路橋梁改擴(kuò)建工程施工的要求

本高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目在總體建設(shè)上與高速鐵路相比存在一定的差距。雖然這條高鐵還在建設(shè)中，但是它的建設(shè)卻已經(jīng)接近尾聲，如果在它的下面開挖一個(gè)20.62m 的深基坑，然后進(jìn)行現(xiàn)澆，將會(huì)對(duì)高鐵的運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生很大的影響。因此，在本次改擴(kuò)建項(xiàng)目建設(shè)中，需要明確內(nèi)容如下。

（1）在深基坑內(nèi)實(shí)施現(xiàn)澆隧道，會(huì)使基坑長(zhǎng)期處于裸露狀態(tài)，很有可能會(huì)加大高鐵的安全隱患，造成通車后不能正常運(yùn)營(yíng)，因此，在本項(xiàng)目的施工中，一定要確保高速公路和高鐵的施工同時(shí)進(jìn)行。由于本項(xiàng)目的最大開挖深度達(dá)到了20.62m，并且臨近高鐵橋墩，因此，在施工過(guò)程中，必須考慮對(duì)高鐵橋墩的影響，必須提前對(duì)高鐵的運(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，在施工前，先對(duì)高鐵樁基進(jìn)行加固，然后再進(jìn)行開挖。

（2）由于基坑開挖和路基開挖，高鐵路基將產(chǎn)生側(cè)向卸荷，并且局部地面將產(chǎn)生隆起，從而導(dǎo)致橋墩的偏移。卸荷太大，難以通過(guò)外部載荷達(dá)到平衡，需要對(duì)鄰近橋梁進(jìn)行卸荷，同時(shí)對(duì)基坑與高鐵樁基進(jìn)行有效隔離，將卸荷帶來(lái)的不利影響降到最低。

（3）依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行《城市下越鐵路規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，要求隧道結(jié)構(gòu)與高速鐵路梁樁基之間的最小間距不小于1.0 倍，若不滿足要求，則需采用隔離樁對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。本項(xiàng)目中，隧道寬度為42.8m，而隧道與高鐵橋墩之間的距離為4.2m，故采用隔離樁保護(hù)高鐵橋梁是必要的。

4 探究明挖深埋隧道下穿方案對(duì)比與設(shè)計(jì)

4.1 隧道施工方案的對(duì)比

從表1 中可以看出，這兩種方法的優(yōu)劣，因此，本項(xiàng)目應(yīng)優(yōu)先采用明挖法。同時(shí)，在隧道建設(shè)中，采用雙通道一橫斷面，兩邊設(shè)行車孔，每條行車孔的凈尺寸為6.65m×18.65m；中部為設(shè)備通道，其凈寬1.50m，凈高6.65m，結(jié)構(gòu)頂板為1.50m。而從軌道橋帽至隧道，則需控制在≥3 m 的范圍內(nèi)，河道底面至隧道頂面的間距為3.57m，其中，基坑基面為36.38m，隧道頂面標(biāo)高46.43m，基坑底部比435#墩低5.68m，比436#承臺(tái)底面要低7.56m。

表1 隧道方案對(duì)比

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)比

經(jīng)分析，本工程基坑開挖深部為強(qiáng)-中風(fēng)化粉砂巖，因此，推薦采用鉆孔咬合樁和鉆孔樁，并輔以止水。鉆孔樁是一種比較成熟的技術(shù)，適用于各種地質(zhì)條件下的深基坑工程。應(yīng)指出，鉆孔樁不具備止水作用，因此，在工程實(shí)踐中，可通過(guò)在鉆孔樁的外部加設(shè)高壓旋噴或三軸攪拌樁來(lái)實(shí)現(xiàn)止水。鉆孔咬合樁類似于鉆孔樁，它的剛度很大，而且它們是咬合的，因此，它可以起到止水的效果，在工程實(shí)踐中，它是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。鉆孔咬合樁止水效果明顯，它不受土層情況的影響，也不受地質(zhì)條件的影響，因此，它對(duì)工程具有較強(qiáng)的適用性。在工程實(shí)踐中，可將鉆孔咬合樁和鉆孔樁結(jié)合起來(lái)使用，以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。由于本工程中的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，因此，在實(shí)際施工中，應(yīng)避免出現(xiàn)問(wèn)題。

4.3 支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的支撐體系主要包括內(nèi)支撐系統(tǒng)和斜拉錨系統(tǒng)，結(jié)果表明：（1）鋼管支架可反復(fù)使用，布置靈活，施工快捷，成本低廉。但是由于其剛度偏低，所以在高鐵橋梁地基的變形控制方面比較薄弱。（2）由于RC 支架的剛度很大，因此基坑的變形很小，因此不會(huì)對(duì)橋梁的地基產(chǎn)生太大的影響，但它的投資和施工時(shí)間都比較長(zhǎng)。（3）索錨具有剛度小、成本低廉、施工方便、有較大的施工場(chǎng)地等優(yōu)點(diǎn)，但存在較大的基坑變形，易對(duì)高鐵橋梁地基的受力產(chǎn)生不利影響?？紤]到以上各支護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，并根據(jù)該項(xiàng)目的具體情況，最后決定采取四種支護(hù)方式。一支撐采用6m 高的鋼筋砼支架，其主要作用是控制基坑的側(cè)向變形，同時(shí)對(duì)鄰近建筑進(jìn)行防護(hù)。第2 ～4 層均采用鋼架支承，便于施工。

4.4 高速鐵路橋墩基礎(chǔ)的保護(hù)

因?yàn)樗淼篮鸵蛔哞F橋梁435#、436#墩之間的距離很近，因?yàn)檫@座高鐵橋梁已經(jīng)完工，而且這個(gè)隧道的基坑很深，因此，在高速鐵路橋梁改擴(kuò)建工程中，應(yīng)該對(duì)高鐵橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)，防止因基坑開挖而改變橋梁樁基受力方式的研究既可采用鉆咬式樁支護(hù)，又可在435#和436#橋墩的下部結(jié)構(gòu)中，通過(guò)運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行施工。用鉆樁圍封起來(lái)。另外，為有效地防止基坑開挖引起的橋墩周圍地下水位的降低，還在樁基的外側(cè)增加了一層。采用60cm 直徑的水泥攪拌樁作為止水帷幕，起到止水的作用。

4.5 基坑安全性的計(jì)算

在《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程的實(shí)際情況，將其確定為1 級(jí)安全，重要系數(shù)1.1，總體穩(wěn)定安全系數(shù)1.35，最大水平位移不超過(guò)0.18%，且不超過(guò)30mm，基坑底部抗隆起系數(shù)為1.8。通過(guò)對(duì)該隧道的計(jì)算和分析，得到了基坑的總體穩(wěn)定安全系數(shù)為4.14、最大的水平位移和最大的沉降量分別為6.9mm 和4.42。

5 深埋明挖隧道對(duì)高速鐵路的作用模擬研究

采用PLAXIS3D 軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其對(duì)高鐵434#～437#橋墩的變形影響。該模型尺寸為400.0m×270.0m×106.7m，分別表示X 軸和軌道的長(zhǎng)度；與軌道方向垂直的y 軸；z 軸是垂直的。模型底面的水平位移和豎向位移均采用固定約束，而豎向位移仍為自由狀態(tài)。

在土體的模擬中，采用了土體的小應(yīng)變強(qiáng)化模型，而在橋梁樁基和橋墩等部分，則采用了線性彈性模型。按地質(zhì)調(diào)查報(bào)告確定的地層參數(shù)，如表2 所示。其中，γ 為巖土體自然重力值；其中，c 是巖土體的粘聚力，而φ 是巖土體的內(nèi)摩擦角；E50 為割線彈性模數(shù)；Eur表示模數(shù)的卸荷量；G0 表示較小的剛性模量。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的、具有31.5GPa 的C35 混凝土結(jié)構(gòu)。其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用的是1000@750 的鉆孔咬合樁，其等效厚度為0.789m，彈性模量30.0GPa。本文以一個(gè)鐵路橋梁的橋墩位移為實(shí)例來(lái)說(shuō)明。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，在對(duì)地鐵隧道的設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)充分考慮其對(duì)周圍環(huán)境的影響。對(duì)高鐵橋梁和周圍環(huán)境的影響，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對(duì)其進(jìn)行必要的控制，以保證其正常運(yùn)行。在實(shí)踐中，可以通過(guò)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)、數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程中高鐵橋梁的穩(wěn)定性的監(jiān)控。在地鐵施工過(guò)程中，隧道下穿高鐵橋梁是不可避免的，因?yàn)楦哞F橋梁有很多優(yōu)點(diǎn)：使用壽命長(zhǎng)，具有良好的抗震性能，安全性高；由于沒(méi)有任何噪聲和廢氣污染，因此可以大大降低噪音污染。因此，必需加強(qiáng)施工過(guò)程中高鐵橋梁的保護(hù)措施，確保其安全穩(wěn)定地運(yùn)行。