地铁隧道临近既有线高架桥桩施工影响分析

北京城建设计发展集团股份有限公司 申齐豪

1、工程概况

北京地铁某区间线路右起讫里程为YK10+574.35～YK11+249.75，轨顶埋深为23.55m～24.65m，区间采用矿山法施工，区间断面主要为单线单洞马蹄形隧道、岔线区为双线或三线单洞马蹄形大断面隧道，左右线线间距约15～17m，区间在一交叉路口下方（里程左K11+217.54处）沿东西向侧穿既有高架线的桥桩，既有高架区间南北方向敷设。

新建区间隧道左线结构外皮距离既有桥桩净距为3.5m，右线隧道结构外皮距离既有桥桩净距为3.889m。穿越段线间距为17m，该处区间隧道埋深为12.85m，区间隧道线路轨顶标高24.377，底板底标高23.107，结构底距离桥桩桩底距离为13.4m，基本位于桥桩中间的位置。穿越桥桩段区间隧道采用标准单线单洞马蹄形断面。如图1、2所示。

新建区间左线临近北侧的12-2号桥桩；区间右线临近南侧的12-1号桥桩。两处桥桩采用C25钢筋混凝土桥台，承台长度5m、宽度5m、高度2m。每个承台下均设四根桥桩，桥桩为C25钻孔灌注桩，直径为1000mm，长度为30米，桥桩间距3m。承台以上为C30钢筋混凝土墩柱，墩柱顶宽3.6m，底宽2.2m，整个墩柱高7m。墩柱以上为C45预应力砼连续箱梁，箱梁顶宽度8.6m。

该处桥桩桩底标高为9.705，桥桩主要穿越土层为：①1杂填土层；②粉土填土层；③粉土层；④1粉质粘土层；⑤2粉土层；⑥3粉细砂；⑦2中粉土层；⑧粉质粘土层；⑨2粉质粘土层。

2、工程地质

本工程场地勘探范围内的土层划分为人工填土层（Qml）、第四纪全新世冲洪积层（Q41al+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl ）三大层。本场区按地层岩性及其物理力学性质进一步分为9个大层。各层土的物理力学参数见表1。

3、风险保护措施

图1 区间隧道与邻近桥基位置关系

图2 新建区间隧道与既有线桥桩平剖面关系图

表1 土层物理力学参数表

为保证区间隧道侧穿既有桥桩施工安全，对侧穿段区间进行全断面注浆，左线全断面注浆里程范围为：左K11+174.208～左K11+249.75，长75.542m，区间隧道右线全断面注浆里程范围为：右K11+ 147.5～右K11+249.75，长102.25m，此范围对拱顶和边墙外圈2.5m区域，进行后退式(WSS)袖阀管深孔注浆。浆液采用水泥-水玻璃浆；纵向搭接均为2m。注浆工艺如下：

1）成孔

采用后退式(WSS) 袖阀管深孔注浆施工，钻杆采用φ32中空钻杆，分节钻孔，每节长度为2.0m，两节之间采用双孔专用接头和专用钻头钻孔，单根注浆管长度12m，加固注浆管间距1m×1m。

2）注浆

采用后退式劈裂注浆工艺，钻一孔，注一孔。长度根据钻孔情况确定，如无涌水涌泥（砂）和卡钻的情况发生，则可采用全孔一次性注浆方式进行。以保证注浆质量和减少扫孔作业，增加作业时间和效率，保证注浆饱满。

3）注浆参数

注浆终压：注浆过程中将注浆压力控制在0.8～1.2Mp；浆液根据地层采用水泥浆、水泥水玻璃双液浆。

4、计算模型、结果及分析

4.1 计算模型

采用三维数值计算程序MIDAS/GTS对新建暗挖区间侧穿既有线桥桩的施工过程进行了仿真模拟计算。计算模型周围土体和既有结构采用实体单元，导洞开挖断面采用壳单元。不同的土层和结构采用不同的材料属性常数，模拟边界条件的选取时除了顶面取为自由边界，其他面均采取法向约束。计算模型的网格划如图3所示。

图3 区间隧道施工对既有桥桩影响计算的数值模型

4.2 计算结果及分析

4.2.1 既有线砼连续箱梁结构的变形结果如图4、5、6、7所示。

图4 梁体结构竖向变形云图

图5 梁体结构横向变形云图

由上述典型截面变形曲线可知，新建暗挖区间隧道侧穿既有桥桩工程施工后，既有线轨道结构产生的最大竖向变形值为1.15mm；最大横向变形值为0.69mm，偏向首先开挖侧。如图8、9、10所示。

4.2.2 既有线梁体下部结构（包括桥墩、承台和桥桩）的变形结果

4.3 计算结果及结论分析

（1）区间隧道埋深较大，在17m左右，开挖引起的最大地表沉降接近16mm，在隧道顶部对应的地表点，沉降槽宽度约为60m。实测隧道开挖通过时地表最大沉降测点位移16.98mm，与计算预测数值较为接近。

（2）承台中心点的沉降值为4mm。离区间隧道较远的1＃和2＃桩，其沉降为4.45mm；而离区间隧道较近的3＃和4＃桩，其沉降为3.26mm；实测隧道开挖通过时1号承台最大沉降3.5mm，与计算预测数值较为接近。

（3）桩基中最大的轴力为361.1kN，发生

在桩基中部，即中性点（正负摩阻力交界处）的位置；4根桩几乎都是下部承受正弯矩，上部承受负弯矩，弯矩的最大值为158.5kNm。

图6 典型截面一竖向位移曲线

图7 典型截面一横向位移曲线

发生在1＃和2＃桩与隧道等高的位置处。同时距离区间隧道较近的1＃、2＃桩基承受负摩阻力的范围较距离稍远的3＃、4＃桩基承受负摩阻力的范围小。最大正摩阻力值为34.96kPa，发生在1＃、2＃桩基的桩端处。

图8 梁下结构竖向变形云图

图9 梁下结构横向变形云图

图10 梁下结构纵向变形云图

（4）桩基底面与隧道的相对空间位置直接

决定桩基的沉降和侧向变位大小，对于桩基底面标高处于隧道下面的情况，桩基的下沉和侧移都比较小。

4.4 施工控制分析

（1）施工中应加强侧墙和拱顶处的注浆效果，防止桩端处产生过大侧移，从而引起桩基过大的沉降。本文中粗砂、卵石圆砾地层注浆扩散半径取 R=0.8m时，结果显示可以有效控制桩基沉降。对于短桩，应当在短桩底部也同时注浆。注浆参数需在施工前进行实验，采用有效方法检测浆液扩散半径。

（2）施工前，应根据桥梁结构型式、使用年限，对桥梁结构进行检测，主要包括桥梁墩柱和梁体混凝土外观质量、道床桥梁墩柱和梁体混凝土外观质量、道床及桥面板裂缝、桥梁墩柱混凝土强度、各构件混凝土锈蚀率及线路状态、线路轨道轨距、水平尺寸偏差等。并根据检测结构进行评估，制定合理的变形指标，根据墩台的允许下沉量，选择合理可行的桥基加强措施和区间隧道施工方案。