京沈客专朝阳隧道下穿既有锦赤铁路桥梁施工安全性数值分析

陈 宇

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

近年来，随着国家基础建设迅猛发展，新建高速铁路与既有公路相互交叉，新建隧道近接既有结构物的工程案例越来越多。隧道施工过程中需要同时保证新建隧道的施工安全和既有结构物的安全稳定，特别是新建隧道下穿既有桥梁时，需采取可靠的工程措施予以解决存在的安全隐患，否则会造成既有结构破坏，影响正常使用。

文献[1]通过数值模拟对新建隧道出口段近接穿过已建高架桥采用不同开挖方法时，施工的安全性进行了全面分析，确定开挖方案和施工监测重点。文献[2]采用数值模拟计算估算城市地铁隧道下穿既有桥梁时桥梁基础变形，根据推算梁体的次应力判断既有桥梁的安全状态，以便确定地铁隧道施工方法以及对桥梁的加固措施。在新建隧道近接下穿既有桥梁施工研究方面，绝大多数研究均集中于浅埋暗挖法及盾构法施工的城市地铁和地铁车站近接既有城市桥梁施工，且施工所近接的既有桥梁一般多为公路梁桥，很少研究新建铁路隧道施工对下穿既有铁路桥梁安全性的影响。特别是在我国交通基础设施建设大跨步发展的今天，新建铁路隧道近接既有各种桥梁的工程将日益增加。因此，对新建隧道下穿既有铁路桥梁的研究具有重要的现实意义[3-14]。

本文结合新建北京至沈阳客运专线工程(以下简称京沈客专)下穿既有锦赤铁路霍家特大桥的工程实例，通过采取合理的工程措施，采用Flac3D数值分析软件对隧道施工过程中引起地表沉降变形、桥墩位移等方面进行了计算分析，确保隧道施工过程中既有线安全运营。

1 工程概况

1.1 新建隧道下穿段概况

京沈客专朝阳隧道进口里程DK407+100，出口里程DK413+850，全长6 750 m，最大埋深约140 m，地层以凝灰质砾岩、安山岩为主。

朝阳隧道在DIK410+042.15处隧道下穿锦赤铁路霍家特大桥4、5号桥墩，交叉角度120°20′，如图1所示。锦赤铁路既有轨面高程260.84 m，京沈客专轨面设计高程为223.56 m，地面高程为241～242 m，覆土约8.1 m，桥梁桩基设计为摩擦桩。地面距离既有霍家特大桥梁底16 m，满足梁下施作钻孔桩净高要求(一般5～6 m即可)，如图2所示。

图1 桥隧平面位置关系示意

图2 桥隧立面位置关系示意(高程单位：m，其余cm)

1.2 既有特大桥结构现状

京沈客专下穿锦赤铁路霍家特大桥位置处，锦赤铁路是高架铁路结构，隧道下穿的4号桥墩的中心里程DK112+264.887，承台长宽分别为7.7 m和5.4 m，承台底埋深约3 m，6根φ1.0 m桥桩，单桩长度22 m；5号桥墩中心里程DK112+297.667，承台长宽分别为7.7 m和5.4 m，承台底埋深约3 m，6根φ1.0 m桥桩，单桩长度26.5 m，两桥墩之间的距离为32.5 m，4号及5号桥墩纵断面如图3所示。

图3 4号桥墩及5号桥墩纵断面(高程单位：m，其余cm)

1.3 工程地质与水文地质

桥隧交汇处里程为DK410+042.15，地质情况为：凝灰质砾岩，灰褐色，强风化，层状构造，岩体破碎，呈碎石角砾状结构，该处围岩分级为Ⅴ级，围岩破碎，易坍塌掉块。

DK407+000.0～DK410+735.0隧道区地下水类型主要为基岩裂隙水。地下水位和水量受季节降雨量影响明显，勘探期间，该段洞身范围内未见地下水。

2 工程措施

2.1 隔离防护措施

DIK410+010～DIK410+080段采用钻孔灌注桩，桩间距1 000 mm，桩径800 mm，打设深度至仰拱以下2.5 m，桩长23 m。钻孔桩外侧距离既有桥梁墩台0.8 m，钻孔桩内侧距离隧道最大跨处0.28 m。隔离桩顶设冠梁，冠梁间设钢筋混凝土横撑。临近既有墩台处的钻孔桩配筋加强，加大刚度。

2.2 地表注浆加固土体及止水帷幕

(1)小导管注浆加固隔离桩间隧道顶土体。隔离桩间采用φ42 mm小导管进行地表注浆，加固隧道顶土体，加固深度至隧道开挖轮廓线。

(2)袖阀管注浆加固及止水帷幕。隔离桩外侧3 m范围内采用袖阀管注浆，形成止水帷幕，必要时补充注浆，确保注浆效果。

2.3 隧道施工中地层加固措施

(1)超前支护加固。DIK410+010～DIK410+080段隧道拱部140°范围采用φ89 mm超前中管棚配合φ42 mm超前小导管支护。

(2)洞内注浆加固。DIK410+026～DIK410+063段隧道内采用拱部径向注浆措施，实现堵水及加固效果，避免隧道掘进过程中发生塌方。

2.4 施工方法

DIK410+010～DIK410+080段采用三台阶法施工，利用单臂掘进机非爆破开挖，避免爆破振动对既有桥墩的影响。

2.5 加强衬砌

考虑下穿段地质情况，采用加强复合式衬砌，支护参数如下。

(1)初期支护。全环喷C30混凝土，厚度35 cm；拱墙设置φ8 mm钢筋网，间距20 cm×20 cm；拱部有条件施作锚杆部位采用φ22 mm中空注浆锚杆，环向间距1.2 m、纵向间距1.0 m；全环设置I25b型钢钢架，纵向间距0.6 m。

(2)二次衬砌。衬砌材料采用C35钢筋混凝土，拱墙厚度60 cm、仰拱厚度70 cm；主筋采用φ22 mm HRB400钢筋，间距100 mm，纵筋采用φ16 mm HRB400钢筋，环向间距250 mm[6]。

3 隧道施工对既有桥梁安全性评价

3.1 计算模型

为便于分析计算，在建立计算模型中做如下假定：其一各种材料均为各向同性；其二土体按弹塑性计算，混凝土结构按弹性计算。

在建立计算模型时，采用位移边界条件，模型的顶面土体为自由边界，模型底面设为竖向约束，两侧面为水平约束[7]。

三维模型沿霍家特大桥方向涵盖4号、5号桥墩及其桩基，沿隧道前进方向涵盖里程DK400+990～DK410+100段，根据有限元计算原理及计算能力，兼顾考虑边界条件的影响，合理确定计算规模如下。

(1)长度方向(X方向)：沿隧道前进方向，模型在该方向上取110 m。

(2)宽度方向(Y方向)：与隧道前进方向垂直，模型在该方向取97.5 m。

(3)深度方向(Z方向)：考虑到5号桥墩的桩基长26.5 m，模型在土层深度方向上取45 m。

各土层、注浆加固层、隔离桩、初支、二衬、超前支护、4号和5号桥墩的承台及桥墩用实体单元模拟；桩基用梁单元模拟。三维整体有限元计算模型如图4所示。4号和5号桥墩与下穿隧道的位置关系模型如图5所示。

图4 整体有限元计算模型

图5 桥墩与区间位置关系

3.2 计算荷载

(1)隧道施工期间，考虑土层、桥墩结构(含桥墩、承台及桩基)及隧道结构的自重荷载。

(2)地面超载按20 kPa考虑。

(3)桥墩墩顶竖向荷载400 kPa。

3.3 参数选取

根据工程地质纵断面图、《岩土工程勘察报告》及相关设计资料，将模型45 m深度范围内的土体近似分为5层，土层计算参数选取如表1所示，结构计算参数选取如表2所示。

表1 土层计算参数

表2 结构计算参数

3.4 施工过程模拟

3.4.1 初始地应力平衡

在实际工程中，由于天然土层在土体自重和周围建筑物荷载作用下，已固结沉降完毕，隧道施工是在此基础上进行的，需要将已完成固结沉降的原状土作为后续施工步的初始状态。因此，计算分析时，需先建立初始自重应力场。在有限元模拟隧道施工过程时，若要达到天然土层的初始状态，必须平衡初始地应力，使得在土体模型中只存在初始应力场而不出现初始位移。第一阶段利用模型计算出土体及结构在自重作用下的位移场和应力场，通过Midas/GTS的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，并构造初始应力场[7]。

3.4.2 施工过程模拟

隧道施工采用矿山法非爆破开挖，开挖过程为三台阶法。具体的施工步序如表3所示。

表3 施工步序

3.5 计算结果分析

京沈客专朝阳隧道下穿锦赤铁路霍家特大桥的施工过程对既有铁路桥结构及地表产生一定程度的附加变形，为有效了解这种附加变形，将分析各工序下桥梁结构(承台及桩基)的X向变形、Y向变形和竖向变形。依据上述模型的计算结果，为了简洁、直观地反映既有结构的变形情况及规律，下面将提取下穿过程中的典型阶段进行分析，主要有：施工开始(CS4)、隧道接近4号桥墩(CS28)、从4号桥墩旁边通过(CS34)、接近5号桥墩(CS49)、从5号桥墩旁边通过(CS55)、远离5号桥墩(CS64)、施工完成(CS92)。

3.5.1 土体变形

(1)X向位移

施工完成时，土体水平位移(X向)云图如图6所示。

由图6可以看出，隧道施工对地层产生扰动，土体产生水平方向的变形，施工结束后，地表X向位移约为-5.6 mm，背向开挖面向小里程方向移动。

(2)Y向位移

施工完成时，土体水平位移(Y向)云图如图7所示。

图6 土体水平方向位移(X向)

图7 土体水平位移(Y向)

由图7可以看出，隧道施工引起土体产生Y方向的位移。从地表的位移趋势可以看出，靠近4号桥墩一侧的土层Y向位移为正，靠近5号桥墩一侧的土层Y向位移为负。

施工结束后，地表最大Y向正位移约为8.57 mm，负位移约为7.27 mm，发生在第一步开挖土体位置处。4号桥墩周边地表最大Y向正位移约2 mm，5号桥墩周边地表最大负位移约3 mm。

(3)Z向位移

施工完成时，土体竖向位移(Z向)云图如图8所示。

图8 土体竖向位移

从图8可以看出，隧道施工引起地层损失，使土体发生Z向位移，隧道顶部土体产生沉降，底部由于卸荷出现隆起，同时，地表产生较大的沉降，地表沉降槽宽度在4号与5号桥墩位置略有减小，分析原因是桥墩周边土体采取了注浆加固措施且桥墩结构的刚度较大，变形小于土体所致。

施工结束后，地表最大竖向位移为24.6 mm，发生在第一步开挖土体位置处，4号、5号桥墩周边地表最大沉降值约为9 mm。

3.5.2 承台及桩基变形

隧道施工引起土体的移动，势必会带动埋在土中的4号及5号桥墩桩基及承台的变形。以4号及5号桥墩的承台及桩基为研究对象，分别观察其在施工阶段X、Y、Z三个方向的位移变化情况。

(1)Y方向位移

隧道施工过程中，4号、5号桥墩的承台及桩基Y方向的位移归纳如表4所示。

表4 承台及桩基Y方向位移 mm

从表4可以看出，隧道施工过程中，引起4号及5号桥墩的承台及桩基向4号桥墩一侧移动。随着施工的深入，4号及5号桥墩的承台及桩基Y方向位移逐渐增大。施工结束后，4号桥墩最大位移为2.48 mm，5号桥墩为-2.3 mm，均出现在桩底。

(2)X方向位移

施工过程中，4号、5号桥墩的承台及桩基X方向位移归纳如表5所示。

表5 承台及桩基X方向最大位移 mm

从表5可以看出，从开始施工至远离5号桥墩的过程中，4号及5号桥墩横向的位移逐渐增大，且位移方向与隧道开挖前进方向相反。从开始至隧道通过4号桥墩的过程中，4号桥墩的位移增大更多，隧道开挖经过4号桥墩后，5号桥墩X方向的位移增大更多，4号桥墩X方向最大位移为-4.21 mm，5号桥墩为-4.51 mm。远离5号桥墩后桥墩位移呈现减小的趋势。最大横桥向位移逐渐减小至-3.23 mm。

(3)竖向位移

通过对施工过程中，4号、5号桥墩的承台及桩基的竖向位移的计算分析可知，随着施工进行，桥桩竖向沉降逐渐增大，施工结束后，5号桥墩最大沉降量为0.16 mm。与X、Y方向位移相比，桩竖向沉降很小。

4 结论

(1)根据京沈客专和既有锦赤铁路的交叉位置关系，朝阳隧道下穿段的地质条件为围岩破碎，易坍塌掉块，隧道施工中需采取一定的防护和工程措施等。

(2)隧道下穿锦赤铁路霍家特大桥施工过程中，由于矿山法开挖，造成土体扰动、地层损失等因素会引起地层产生移动和变形，导致邻近的4号和5号桥墩及桩基发生移动和变形。

(3)利用有限元模拟计算分析，通过预测隧道下穿施工过程对临近桥墩的影响程度及可能带来的危害，为实际施工提供理论依据，以确保施工过程的安全和控制桥桩的变形在允许范围之内。

(4)京沈客专朝阳隧道下穿锦赤铁路霍家特大桥4号及5号桥墩施工过程中，土体及桥墩结构发生一定的变形。通过数值计算可知，4号及5号桥墩的承台及桩基X方向最大位移为3.55 mm，Y方向最大位移为2.48 mm，Z方向最大位移为0.16 mm。

通过计算分析可知，采取隔离防护、注浆堵水、超前支护等一系列措施后，隧道各开挖步骤产生的位移均小于5 mm的预警值，故朝阳隧道和锦赤铁路交叉处，采取的工程措施是可行的，施工风险是可控的。

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