暗挖隧道下穿跨河桥部分桥桩的影响分析及对策——以北京地铁14号线北工大站—平乐园站区间为例

张晓光，剧 亮，李 菲

(1.广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010;2.北京建工土木工程有限公司，北京 100013; 3.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

0 引言

伴随着国内地铁事业的蓬勃发展，地铁区间的施工环境越来越复杂，各种下穿、侧穿桥桩、房屋等障碍物的工程实例越来越多，设计方案与施工方案也逐渐多样化［1-12］。文献［3-4］分析了盾构法隧道下穿人行天桥、通车桥桥桩的变形及应对措施;文献［5］基于浅埋暗挖隧道施工引起地表沉降的时空效应和沉降机制，分析了暗挖隧道地面沉降规律;文献［6-7］通过二维有限元方法对邻近建筑物工况的暗挖隧道施工进行了模拟，分析了地面建筑物的变形规律;文献［8-11］分析了暗挖隧道近距离侧穿桥桩引起的变形及内力变化;文献［12］分析了暗挖隧道下穿河流与桥梁的施工技术，施工过程中对河流进行引排并铺设防水毯，同时在洞外进行降水，工程前期协调量大。以上文献介绍了盾构隧道与暗挖隧道下穿、侧穿障碍物的大量工程案例，但对于暗挖隧道在无法降水工况下下穿跨河桥桥桩的工程案例还比较少。

暗挖隧道在不降水情况下下穿跨河桥时，由于存在河水渗漏造成掌子面坍塌的风险，同时，开挖过程中地表变形过大会危及上部桥梁的安全与车辆的通行，一旦发生灾害后果不堪设想;因此，暗挖隧道下穿跨河桥工程中在不降水情况下如何确定设计方案与施工方案以确保河流、桥梁与隧道的安全亟待进一步研究。本文以北京地铁14号线北—平区间下穿跨河桥桥桩为例，为确保安全，根据隧道下穿桥桩后结构变形特点建立有限元模型，进行计算分析后进一步细化设计与施工方案。施工过程中对桥桩变形进行了监测，并与有限元计算结果进行对比。

1 工程概况

1.1 暗挖隧道及桥梁概况

北京地铁14号线北—平区间沿城市主干道西大望路南北向敷设，下穿东南郊灌渠、东南郊灌渠桥桩。区间全长972.206 m，采用矿山法施工。区间附属工程包括施工竖井及A肢横通道、B肢横通道。区间南端为地下2层车站，北端为地下3层盖挖车站，整个区间呈南高北低的态势。区间出站后线路以-28‰和-4‰的坡度下坡至区间最低点后，以8‰的坡度爬坡进入北端车站。

东南郊灌渠桥为上跨东南郊灌渠的跨河桥。东南郊灌渠底深约2 m，上部宽约20 m，底部宽约8 m，河底有衬砌。东南郊灌渠桥上部结构为单跨混凝土简支梁板桥，跨度20 m(该桥为旧桥加宽后形成，旧桥宽40.4 m，东侧加宽3.4 m，西侧加宽6.2 m)，设计荷载为城市A级荷载;下部结构为桩接帽梁式桥台，旧桥桩基长14 m，直径0.8 m，间距2.55 m，新桥桩基长22 m，直径1.2 m，间距3.8 m，旧桥桩基底距离地铁隧道拱顶3.42～3.78 m。跨河桥实景如图1所示，隧道与跨河桥桥桩关系如图2和图3所示。

1.2 工程地质与水文地质

区间隧道所处地层从上到下依次为中粗砂〈4-4〉、黏土〈4-1〉、粉质黏土〈4〉、中粗砂〈4-4〉、中粗砂〈7-1〉层。地下水主要为:潜水(二)(含水层主要为上部的中粗砂〈4-4〉层和粉细砂〈4-3〉层)、层间水-承压水(三)(含水层主要为下部的中粗砂〈4-4〉层、卵石〈7〉层及中粗砂〈7-1〉层)。暗挖隧道下穿桥桩区各层土物理力学参数如表1所示。

图1 东南郊灌渠桥实景图Fig.1 Picture of canal bridge

图2 区间下穿东南郊灌渠桥桩总平面图(单位:m)Fig.2 Plan of tunnel crossing underneath existing piles(m)

图3 区间下穿东南郊灌渠桥桩横剖面图Fig.3 Cross-section showing tunnel crossing underneath existing piles

2 设计方案与变形预测

2.1 区间设计方案

对于线路经过桥桩的区间，一般优先考虑线路避让桥桩，采用侧穿的方式通过。东南郊灌渠桥桩间距仅2.55 m，区间隧道无法从桩间穿过，同时，该桥总宽度达50 m，与道路红线同宽，桥梁西北、东北、西南3个象限内均为住宅楼，线路避开桥桩的方案必然下穿住宅。由于隧道下穿房屋施工风险极大，本着避重就轻的原则，同时避免线路采用小半径曲线，本区间线路直接从旧桥桥桩范围内穿越，这样可保证在穿越范围内线路为直线(如图2所示)。

国内外对于下穿桥桩的隧道，一般采用盾构法施工，相对于矿山法，盾构法无需降水，具有安全、高效、经济等诸多优点。本区间原设计方案采用盾构法施工，但由于北端车站采用倒边盖挖法施工，施工工期较紧张，无法提供盾构接收条件，为保证本区间能按照节点工期贯通，调整为采用矿山法施工。

在线路纵断面上，结合地质情况，为使暗挖隧道拱顶距离黏土、砂土分界线1.5 m以上，纵断面坡度按以下进行调整:-28‰(坡长220 m)，-4‰(坡长292 m)，+8‰(坡长398.19 m)。调整后暗挖隧道拱顶距离桥桩底3.42～3.78 m。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

2.2 下穿桥桩设计方案

东南郊灌渠桥位于区间中部，将区间分为(472+ 450)m 2段。根据北京地区类似工程经验，穿越桥桩相关手续较为繁杂，为避免办理手续影响东南郊灌渠桥南北两侧正线区间的开挖，区间竖井设置A肢与B肢共2肢横通道(如图2所示)。其中，B肢横通道下穿东南郊灌渠后转向桥桩北侧，开挖北侧正线区间。

北京地区暗挖法隧道一般采用降水施工，对于降水效果不理想或者隧道拱顶界面水较大时，一般采用全断面或半断面超前注浆堵水。东南郊灌渠桥为跨河桥，灌渠常年流水，桥底无法打设降水井，因此隧道穿越桥区范围只能采用堵水施工，这在北京地区尚不多见。根据地下水分布情况，隧道上半部位于潜水(二)，下半部位于层间水-承压水(三)，为保证隧道开挖过程中的无水作业，设计采用全断面注浆堵水:注浆范围为隧道开挖面轮廓以外3 m，土体的胶结强度达到0.8 MPa，全断面注浆后要求土体渗透系数≤1×10-7cm/s，掌子面注浆范围内的土体胶结强度达到0.5 MPa。同时为减小隧道开挖尺寸，确保初期支护尽早封闭成环，初期支护设置临时仰拱将隧道分为上下2个导洞进行开挖。

2.3 变形预测

根据暗挖隧道施工工序，对区间下穿东南郊灌渠桥桩进行了数值模拟分析。在实际施工中，隧道与桥桩的相互影响是一个非常复杂的三维问题，但考虑到桥梁及隧道的走向基本一致，且在其纵向延伸方向上长度较长，可将其简化为平面应变问题进行考虑，并以垂直于其走向的断面作为计算剖面［6-7］。值得注意的是，简化为平面模型后不能考虑暗挖施工带来的左右线错距、时空效应等影响，存在一定近似。

本文采用Plaxis有限元软件建立地层-结构二维模型，按照实际尺寸建模。计算模型范围以桥梁结构边线为基准并结合消除边界效应的条件，外扩不小于25 m而建立。有限元模型中，暗挖隧道、桥桩采用plate单元模拟，采用线弹性本构;土层采用 soil＆interface单元模拟，采用土体-硬化本构 (即HS模型)。有限元模型的边界条件为:模型底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移，桥桩顶部考虑20 kPa的行车荷载。桩土之间的相互影响采用界面强度折减系数Rinter来表示，该系数表示桩-土界面的内摩擦角φinter和黏聚力cinter比临近土体有所折减，其折减关系按式(1)确定。根据文献［13］，Rinter取0.7。

计算过程考虑地层预加固效果，围岩及支护计算参数见表2，其余参数均按地勘报告提供参数选取(见表1)，计算模型如图4所示。

表2 围岩及支护计算参数Table 2 Parameters of ground and support

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model

施工模拟过程主要分以下2步进行:

1)左线隧道开挖完成，左线隧道中心线正上方的9号桥桩竖向变形最大，达到16.05 mm，以9号桥桩为中心，两侧桥桩竖向变形逐渐减小，其中西侧19号桥桩竖向变形最小，为1.54 mm(如图5所示)。

2)右线隧道开挖完成，左右线隧道之间的6，7号桥桩竖向变形最大，达到21.45 mm和21.05 mm。以6，7号桥桩为中心，两侧桥桩竖向变形逐渐减小，其中西侧19号桥桩竖向变形最小，为1.31 mm(如图6所示)。计算结果满足东南郊灌渠桥产权单位给出控制标准:竖向沉降控制值为25 mm，桥梁横向相邻桩基的竖向不均匀沉降位移控制值为3.0 mm，两侧加宽桥墩中心与旧桥基础西侧边线之间的竖向不均匀沉降位移控制值为2.0 mm。

实际暗挖隧道施工过程中，全断面注浆堵水因施工质量等各种原因，有时效果欠佳，往往注浆完成后仍带水作业。为研究注浆堵水效果对变形的影响，有限元模型中假定水位降低2 m，水位降低后的桥桩竖向变形如图7所示。计算结果表明:水位下降2 m后，竖向沉降最大的6，7号桥桩沉降增大约32%。根据以往暗挖工程实际经验，带水作业往往导致格栅连接等质量较差，从而进一步增大了隧道本身以及周边环境的变形，带水作业下的沉降变形达到不带水作业情况下的1.5～2.5倍。因此本区间隧道下穿桥桩施工过程中，保证注浆堵水的质量是成功的关键。

图7 水位变化的影响Fig.7 Influence of water level fluctuation

3 施工方案及对策

3.1 施工方案

暗挖隧道施工过程中，桩底土体存在一定扰动，因此在隧道开挖前，从桥头搭板位置打设长管对桥梁盖梁下方及桥桩下方的土体进行注浆加固，要求注浆后土体的抗压强度不小于0.8 MPa。

注浆堵水的效果是暗挖下穿桥桩能否成功的关键。根据设计方案下穿桥桩架设了临时仰拱，隧道分为上下2个导洞进行施工。下穿桥桩施工时，左右线拉开步序，即左线隧道穿过桥桩并施工完成二次衬砌后方可进行右线隧道开挖。在隧道开挖之前，先采用水平注浆的方式对上导洞进行加固，注浆时应从2肢横通道向中间对打，每侧注浆纵向长度为21 m，搭接1 m，注浆一次到位后，方可进行上导洞开挖;上导洞开挖完成后，在临时仰拱上采用注浆小导管镜像注浆加固下导洞。深孔注浆止水浆液材料的种类、规格为:水玻璃(模数2.2～2.8，浓度40 Be′)、水泥(强度等级P·O 42.5)、uea抗裂微膨胀剂、液体速凝剂。材料质量比为水玻璃∶水泥∶水∶uea抗裂微膨胀剂∶液体速凝剂= 1∶0.65∶0.65∶0.06∶0.03。注浆加固方式如图8所示。

图8 注浆加固示意图(单位:mm)Fig.8 Schematic diagram of grouting consolidation(mm)

3.2 预防措施

为减小暗挖隧道施工对灌渠桥的影响，在施工过程中尽可能减小暗挖施工对周围土体的扰动，减小沉降，确保东南郊灌渠桥的安全，采取了以下预防措施: 1)在穿越东南郊灌渠桥之前，通过地质雷达的探测，对桥区出现的空洞不密实区域进行注浆加固;2)区间临近穿越东南郊灌渠桥期间，检修各类机械，储备机械部件，加强设备保障力量，及时排除机械设备故障，力求连续施工;3)对穿越区域的地质情况提前掌握，做好超前注浆地层加固，及时跟进背后回填注浆;4)严格控制注浆配合比和注浆压力，避免对地面及地层扰动过大;5)严格遵循浅埋暗挖法的“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针;6)在区间穿越东南郊灌渠桥时加强实时监测，加大监测频率，一旦发现监测数据异常或速率增大时，立即处理分析，根据分析结果进行土体注浆加固。

3.3 施工监测

暗挖隧道下穿桥桩施工期间，监测人员、安质人员应保持24 h值班。监测项目主要有地面沉降、桥桩变形、拱顶变形和水平收敛。在东南郊灌渠桥上方设置2个主观测断面，对南北两端每根桥桩均进行监测。地面沉降及桥桩沉降监测频率为:距工作面≤20 m时，4次/d;距工作面≤50 m时，2次/d;距工作面＞50 m时，1次/周;数据分析确定沉降基本稳定后，1次/月。

实测结果表明:左线隧道开挖完成后，左线隧道中心线正上方的9号桥桩竖向变形最大，达到18.43 mm;右线隧道开挖完成后，左右线隧道之间的7号桥桩竖向变形最大，达到25.19 mm。左线隧道、右线隧道开挖完成后的桥桩竖向变形实测值如图9所示，同时将实测值与有限元计算值进行了对比，进一步表明有限元计算值基本与实测值吻合。

图9 桥桩变形实测值Fig.9 Curves of measured pile deformation

4 结论与讨论

本文介绍了暗挖隧道在不降水情况下下穿通车的跨河桥桥桩工程案例，通过建立有限元模型，确定并细化下穿桥桩的设计方案与施工方案，结果表明:架设临时仰拱+注浆堵水下穿桥桩的方案是可行的;有限元模型可预测隧道下穿桥桩全过程的变形，可为设计方案的优化提供参考;注浆堵水的效果是暗挖下穿桥桩施工成功的关键。

在城市轨道交通领域，下穿桥桩工程经常发生，如何选择施工方法、加固方法确保既有结构的安全，如何有效地预测既有结构的变形是本课题研究的重点。本工程结合实际情况，选择了暗挖不降水下穿通车桥桥桩的方案，可为今后类似工程提供参考，也可为后续研究者系统归纳、总结地铁隧道下穿障碍物提供工程案例。如何确保注浆堵水效果，是本工程实施过程中的一大难点，尚待进一步研究。本文在有限元模拟过程中采用了二维模型，不能考虑暗挖施工带来的左右线错距、时空效应等影响，存在一定近似性，可作进一步研究。

［1］ 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.(WANG Mengshu.Tunneling and underground engineering technology in China［M］.Beijing: China Communications Press，2010.(in Chinese))

［2］ 张庆贺，朱合华，庄荣，等.地铁与轻轨［M］.北京:人民交通出版社，2006:40-55.(ZHANG Qinghe，ZHU Hehua，ZHUANG Rong，et al.Metro and light rail［M］.Beijing: China Communications Press，2006:40-55.(in Chinese))

［3］ 井景凤，王综勇.砂卵石地层中某盾构区间过桥区段的方案优化［J］.隧道建设，2011，31(2):208-214，227.(JING Jingfeng，WANG Zongyong.Optimization on design of shield-bored tunnel crossing underneath pile foundations in sandy gravel strata［J］.Tunnel Construction，2011，31(2): 208-214，227.(in Chinese))

［4］ 储柯钧，赵亮，徐骞.盾构区间下穿并截除人行天桥部分桥桩的对策［J］.隧道建设，2014，34(11):1071-1076.( CHU Kejun，ZHAO Liang，XU Qian.Countermeasures for shield cutting and passing underneath piles of existing pedestrian bridge［J］.Tunnel Construction，2014，34(11): 1071-1076.(in Chinese))

［5］ 齐震明，李鹏飞.地铁区间浅埋暗挖隧道地表沉降的控制标准［J］.北京交通大学学报，2010，34(3):117-121.(QI Zhenming，LI Pengfei.Control standard of ground surface settlements in Metro section shallow tunnel［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2010，34(3):117-121.(in Chinese))

［6］ 魏纲，裘新谷，魏新江，等.邻近建筑物的暗挖隧道施工数值模拟［J］.岩土力学，2009，30(2):547-552.(WEI Gang，QIU Xingu，WEIXinjiang，etal.Numerical simulation of underground excavated tunnel construction of adjacent structure［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30 (2):547-552.(in Chinese))

［7］ 卿伟宸，廖红建，钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表的沉降的影响［J］.地下空间与工程学报，2005，1 (6):960-963，978.(QING Weichen，LIAO Hongjian，QIAN Chunyu.The effects construction on the settlements of adjacent building and earth surfaces of underground tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1(6):960-963，978.(in Chinese))

［8］ 张金伟.暗挖地铁区间穿越城市大型立交桥桥区风险工程设计优化研究［J］.隧道建设，2014，34(9):887-894.(ZHANG Jinwei.Study on optimization of design of mined running tunnel crossing underneath large-scale interchange in urban area［J］.Tunnel Construction，2014，34 (9):887-894.(in Chinese))

［9］ 孟昭晖，徐霖，武子荐.地铁暗挖隧道施工对邻近桥桩的影响［J］.市政技术，2014，32(1):81-82.(MENG Zhaohui，XU Lin，WU Zijian.The influences of subway tunneling construction on adjacentbridge piles［J］.Municipal Engineering Technology，2014，32(1):81-82.(in Chinese))

［10］ 李强，王明年，李德才，等.地铁车站暗挖隧道施工对既有桩基的影响［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(1): 184-190.(LI Qiang，WANG Mingnian，LI Decai，et al.Effects of subsurface construction of Metro station tunnel on existing pile foundation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(1):184-190.(in Chinese))

［11］ 谭富圣.浅埋暗挖车站近距离穿越既有桥桩影响分析［J］.铁道标准设计，2009(10):32-37.(TAN Fusheng.Analysis on influence of shallow station with mining method closely underpassing through existing bridge piles［J］.Railway Standard Design，2009(10):32-37.(in Chinese))

［12］ 吴波.浅埋暗挖地铁隧道下穿河流和桥梁施工技术研究［J］.现代隧道技术，2008(S1):278-282.(WU Bo.Research on construction technology of shallow embedded tunnel underneath passing bridges and rivers［J］.Modern Tunnelling Technology，2008(S1):278-282.(in Chinese))

［13］ R B J Brinkgreve，Al-Khoury R，Bakker K J，et al.PLAXIS finite element code for soil and rock analyses［M］.［s.l.］:Balkema，2001.