城际铁路明挖隧道下穿既有高铁施工控制技术及标准探讨

蒋小锐,黄 杰,李 楠

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

随着城市基础设施的进一步完善，在我国高速铁路规模也逐年增长的情况下，越来越多新建地下工程下穿既有高铁桥梁的近接工程出现，邻近施工对既有高铁桥梁影响较大。特别是明挖基坑工程临近既有高铁桥梁，可能导致其桥梁基础沉降、变形，从而引起轨道产生位移，影响既有高铁线路的安全运营，尤其高铁对位移和沉降的影响要求高。如中山市某市政工程基坑临近广珠城际铁路桥梁施工，造成相关段落内城际铁路轨道发生横向偏移，致使该段线路限速运营。一般认为，基坑工程施工引起临近桥梁桩基或承台的位移、沉降是由基坑土方开挖造成坑外土体位移和坑外水位降低导致土体固结造成的，因此必须采取可靠的基坑支护及桥桩保护措施，严格控制基坑施工对高铁桥梁位移和沉降的影响，必要时还应研究对既有高铁相关区段采取限速运营，以确保既有高铁运营的绝对安全[1-8]。

以珠三角城际铁路新塘经白云机场至广州北工程明挖区间隧道下穿武广高铁花都大桥为依托，分析相关保护措施下基坑施工对既有高铁桥梁的影响，并据此对该工程既有高铁运营限速标准进行研究，为本工程的建设提供指导，对类似工程的设计提供参考。

1 工程概况

珠三角城际铁路新塘经白云机场至广州北工程广州北站—天贵路站明挖区间隧道下穿武广高铁花都特大桥，平面线位垂直交叉，如图1所示。下穿段明挖区间隧道长度45 m(DK50+960～DK51+260)，由武广高铁205号、206号桥墩间通过，桥墩间距离32.7 m，桥下地面以上净空高度约17.5 m。明挖隧道基坑围护结构外边线，与205号桥墩承台边缘最小距离4.85 m、与206号桥墩承台边缘3.33 m。

图1 隧道与武广高铁桥梁位置关系平面(单位：m)

1.1 下穿段城际铁路隧道概况

下穿武广高铁花都特大桥段城际铁路区间隧道为单洞双线(设中隔墙)矩形断面，左、右线线间距6.9 m，受前后交叉河渠及重力流管线高程限制，该段隧道结构顶埋深约6.5 m，采用明挖顺筑法施工，分段、分层开挖，基坑开挖宽度14.3 m、深度约16 m，围护结构采用地下连续墙+内支撑的支护形式，如图2所示。

图2 隧道与武广高铁桥梁位置关系立面(单位：高程m，其余cm)

根据钻孔揭露，下穿区段范围内上覆第四系全新统人工堆积层(Q4ml)、第四系冲洪积层(Q4al+pl)，第四系残积层(Qel)，石炭系下统岩关阶孟公坳组(C1ym)泥质粉砂岩。隧道基坑开挖深度范围内主要地层为：①1素填土、②12粉质黏土、②61粗砂、⑧2强风化泥质粉砂岩，基坑底以下一定深度为⑧3弱风化泥质粉砂岩。地下水发育，水位埋深约2.5m。

1.2 既有武广高铁花都特大桥概况

根据竣工资料，既有武广高铁花都特大桥采用(32+48+32) m连续梁跨越平步大道，其中城际铁路隧道下穿位置为32 m连续梁边跨，桥上采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道。205号桥墩桩基为9根φ1.25 m钻孔桩，桩长19 m，嵌入弱风化泥质粉砂岩，顶承台尺寸11.1 m(长)×7.4 m(宽)×2.5 m(高)，桥墩断面尺寸3.9 m×7.8 m，墩身高18 m；206号桥墩桩基采用11根φ1.25 m钻孔桩，桩长26.5 m，嵌入中风化泥质粉砂岩，桩基顶承台尺寸12.2 m(长)×8.9 m(宽)×3.0 m(高)，桥墩断面尺寸3.9 m×7.8 m，墩身高18 m。

2 工程风险及相关控制标准

2.1 工程风险

(1)下穿段地层存在一定厚度富水砂层，在基坑围护结构施工过程中易产生塌孔及地层位移、基坑开挖过程中围护结构出现漏水。

(2)明挖基坑紧临高铁桥桩，且其开挖深度达16 m，基坑开挖过程中围护结构的变形对桥梁结构沉降及影响范围较大。

(3)武广高铁设计速度350 km/h，现状运行速度保持在300 km/h，在列车高速运行情况下，桥梁结构沉降、变形引起的轨道偏差，都将直接反应到列车上，影响列车运行的安全性及舒适性。

2.2 控制标准

(1)桥梁结构控制标准

项目设计阶段，针对隧道临近高铁桥梁工程，规范暂无明确统一的控制标准。根据类似工程，桥梁的控制标准项目主要包括：桥墩沉降、相邻桥墩差异沉降、墩台水平位移。结合武广高铁管理部门意见以及《高速铁路设计规范》[9]，参照区域内珠三角穗莞深城际铁路太平隧道下穿广深港高铁虎门站特大桥工程案例，本工程桥梁控制标准为：桥墩均匀沉降小于7 mm，相邻墩台的沉降差小于5 mm，墩台顶面的顺桥向和横桥向水平位移均不大于5 mm，施工期间按上述标准的80%作为警戒值。

(2)轨道几何尺寸控制标准

依据现行《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》[10]关于高速铁路250～350km/h线路静态几何尺寸容许偏差管理值及线路轨道动态质量容许偏差管理值的各项要求。

(3)列车运行安全性及舒适性标准

列车运行安全性主要涉及列车是否会出现脱轨和倾覆问题，目前我国车辆部门主要采用脱轨系数和轮重减载率两项评价指标。对于脱轨系数，依据《高速动车组整车试验规范》、《高速铁路设计规范》，脱轨系数<0.8；对于轮重减载率，一般考虑动态轮重减载率，参考国外标准及我国脱轨试验成果，按≤0.8考虑。

列车高速运行状态下，必须对轮轨间的动力作用加以限制。《高速动车组整车试验规范》要求对于最高运营速度200 km/h以上的电动车组，轮轨垂向力最大限值为170 kN；轮轨横向力一般也取0.4倍轴重(动车组最大轴重按170 kN考虑)作为轮轨横向力的限值。

评价列车乘坐舒适性最直接的指标就是车体振动加速度，参考规范[10]关于线路轨道动态质量容许偏差管理舒适度限值要求，垂向振动加速度0.15g，横向振动加速度0.09g。

3 下穿段区间隧道设计及工程措施

基于对下穿段地层分布情况、区间隧道明挖基坑规模、基坑与桥墩承台距离及既有高铁桥梁结构情况等因素分析，区间隧道下穿过程中需考虑地下水、富水砂层、地层沉降、地层变形对基坑施工安全以及既有高铁桥梁结构安全、运营安全的影响。除加强基坑围护结构设计，控制基坑围护结构变形外，仍需从地层加固、隔离桩防护及有效的地下水控制等方面着手，减小基坑开挖对桥梁基础及承台的影响。

3.1 加强基坑围护结构设计

为有效控制施工过程中，因基坑围护结构变形产生的对桥墩的影响，针对该段下穿范围基坑围护结构进行加强设计，以增加围护结构刚度[11]，控制围护结构变形。

(1)结合既有高铁桥下作业条件，基坑围护结构采用整体性及止水效果较好的地下连续墙，地下连续墙厚度较一般段落加厚至1 m，嵌入基坑底以下6.0 m，减小分幅长度按4 m控制。墙幅间采用工字钢接头，以隔断基坑内外地下水联系，同时基坑开挖前，在地连墙接缝处外侧进行补注浆，基坑开挖过程中在地连墙接缝内侧补贴钢板，以保证地连墙接缝止水效果。

(2)基坑竖向共设置4道内支撑及1道倒换撑(图2)。第1～第3道采用钢筋混凝土支撑(0.8 m×0.8 m)，纵向间距6 m；第四道支撑及倒换撑采用钢管撑φ609 mm(t=16 mm)，纵向间距3 m。支撑应及时施作及架设，并对钢支撑及时施加预应力。同时，该段基坑严禁爆破开挖，采用人工或机械开挖。

基坑内沿基坑纵向15 m布置φ700 mm降水井，降水深度为基坑底以下1 m，基坑开挖及主体结构回筑期间进行基坑内降水。

3.2 桥桩周边地层注浆加固

对既有高铁桥梁205号、206号桥墩桩周边地层及桥桩与基坑之间地层进行注浆加固，提高地层物理力学性质，同时对基坑外地层起到一定的堵水作用。加固平面范围如图3所示：沿基坑纵向为既有高铁桥梁承台前后各约10 m，沿基坑横向为既有高铁桥梁承台外5 m至基坑围护结构外边线；加固竖向范围如图2所示：地面至W2中风化泥质粉砂岩层顶面或地连墙底(取两者高程较高者)。

图3 武广高铁桥墩防护措施平面示意(单位：cm)

注浆材料为水泥-水玻璃液浆，根据桥桩影响区外的相似地层段落注浆试验，采取低压缓慢注浆方式，隔孔交替注浆、分段跳做，桥桩承台轮廓外3m范围内注浆作业施工在武广高铁运营天窗时间段内实施，确保注浆施工不影响高铁运营。

3.3 刚性隔离桩防护

经对桥桩所在地层进行注浆加固后，在基坑围护结构临近桥墩之间“L”形设置1排钻孔灌注桩作为隔离防护桩，以尽量隔断和减小地连墙成槽、基坑开挖以及小里程下穿广清高速段基坑旋喷桩施工引起的地层变形对桥桩周边地层影响。隔离桩采用φ1.2 m、间距1.35 m钢筋混凝土桩，防护桩底深度至基坑围护结构地连墙底，并且使用对地层扰动最小的旋挖钻施工。

3.4 地下水位控制

为防止基坑开挖过程中坑内降水引起坑外地下水流失、地下水位下降，坑外土体有效应力增加，从而引起坑外土体的固结沉降，对桥墩产生影响。除采取前述各项帷幕止水措施外，在坑外桥墩周边50 m范围内设置水位观测孔及回灌井，在基坑降水期间进行地下水位及地表、桥墩沉降监测。结合降水期间地表及桥墩变形监测综合评定结果，确因基坑降水引起地表及桥墩沉降，需对地下水采取回灌措施。同时在对高铁桥桩周地层进行注浆加固、隔离防护桩及基坑两侧地连墙施工完毕后，在基坑内开始井点降水和开挖之前进行抽水试验，以进一步核实基坑底部地层渗透系数及基坑内外水力联系情况，据此评估和完善基坑止水方案。

3.5 其他措施

施工前由专业检测机构对武广高铁花都特大桥205号～206号桥墩进行桥梁健康状况、桥墩基础及轨道几何形位进行检测和评定。

4 区间隧道施工对既有桥梁影响分析

4.1 计算模型

采用岩土与隧道有限元分析软件MIDAS GTS NX对桥桩保护、明挖隧道施工全过程进行有限元计算，分析隧道施工过程中对桥梁的影响。整体模型包含区间方向45 m范围，该范围内包含基坑下穿花都特大桥部分，如图4、图5所示。

图4 计算模型

图5 模型基坑与桥桩结构示意

4.2 计算参数

依据城际铁路勘察资料，各地层主要物理力学参数取值见表1。

表1 各层物理力学指标

4.3 计算荷载

承台按实体单元建模。综合考虑单墩处的桥梁支座荷载、桥墩自重及列车荷载，桥墩底部的竖向压力荷载按31 300 kN计算(支座反力+桥墩自重+列车荷载)。

4.4 计算工况

结合施工顺序，本次计算按照以下工况实施。

工况1：基坑施工前的初始应力状态。

工况2：土体注浆加固。

工况3：施作第1根隔离桩。

工况4：施作全部隔离桩。

工况5：施作地下连续墙。

工况6：基坑第1步开挖，施作第1道支撑。

工况7：基坑第2步开挖，施作第2道支撑。

工况8：基坑第3步开挖，施作第3道支撑。

工况9：基坑第4步开挖，施作第4道支撑。

工况10：基坑第5步开挖。此阶段模拟基坑土体5次开挖过程，得到基坑土体累计5次卸载对桥梁产生的影响。

4.5 计算结果与分析

通过对模型的数值模拟与计算结果的分析，得出桥墩竖向变形最大结果数值见表2(计算模型中左侧为205号桥墩，右侧为206号桥墩)。

表2 各工况桥墩变形最大值计算结果汇总 mm

注：1.X方向以沿武广高铁205号墩至206号墩方向为正值；Y方向为垂直于武广高铁线路方向；Z方向为竖直方向；

2.Z方向的负值为沉降，正值为隆起；

3.所列数值为该工况对应施工阶段完毕后的累加值。

桥墩最大竖向(Z向)和水平(X向)位移出现在第5工况(地下连续墙施作完毕)之后，205号桥墩最大竖向位移为-2.302 mm，最大水平位移为1.203 mm；206号桥墩最大竖向位移为-2.411 mm，最大水平位移为-2.001 mm。桥墩最大纵向(Y向)位移出现在第10工况(基坑开挖完毕)之后，205号桥墩最大纵向位移为-0.310 mm；206号桥墩最大纵向位移为-0.316 mm。205号、206号桥墩不均匀沉降值最大为0.11 mm。桥墩沉降值、水平位移值以及不均匀沉降值，均小于前述章节关于本项目制定的桥墩沉降、变形预警值。

桥墩墩顶位移通过支座传递给上部结构。墩顶竖向位移及横桥向位移值均由支座以等量强迫位移值直接施加于上部结构。墩顶顺桥向位移传递关系较为复杂，由于上部结构通过支座摩阻力与纵桥向桥墩形成排架，对桥墩纵向提供约束，实际发生的位移值比计算值偏小，而且上述计算中顺桥向位移值不足2 mm，远小于桥梁梁缝的伸缩值(最大伸缩量约为30 mm)。

通过数值模拟分析表明，在城际铁路明挖隧道下穿武广高铁桥梁施工过程中，采取一系列的工程措施后，桥梁相关变形、沉降均在允许控制范围内，隧道施工过程对桥梁结构影响非常有限，桥梁结构是安全的。

5 高铁轨道变形及列车动力响应分析

隧道下穿高速铁路会引起桥梁墩台沉降，从而引起轨道动态不平顺，对列车安全性、平稳性和舒适性产生影响[12]。

5.1 桥墩沉降、位移与钢轨变形的映射关系

基于ANSYS有限元建立无缝线路-无砟轨道-桥梁精细化静力模型，分析桥墩沉降造成的轨面不平顺，以此为基础进一步分析桥墩沉降对行车安全性、舒适性的影响，分如下2种工况进行模拟分析。

工况1：依据表2桥墩墩顶沉降、位移计算值进行分析。

工况2：考虑实际施工环境、列车运营环境的复杂性及下穿区段地层岩土力学参数的离散性，为研究各种不利条件同时发生时桥梁上列车高速通过的安全性，依据表2中桥墩墩顶沉降、位移计算值放大处理后进行分析(考虑以表2中计算值增加5倍)。

得到该桥墩位移(2种工况)下的钢轨变形曲线，如图6所示。

图6 桥墩沉降、位移与钢轨变形的映射关系

从不同条件下钢轨变形曲线得出如下结论。

(1)钢轨随桥墩沉降发生的变形与桥墩沉降成正比，且钢轨变形在进出沉降区域时，会出现上拱，在远离沉降区域时会迅速衰减。

(2)简支梁墩(图6左侧)发生沉降对应的钢轨变形比连续梁墩(图6右侧)发生沉降对应的钢轨变形反应更为剧烈。

5.2 桥墩沉降、位移条件下高速列车车辆系统动力响应分析

基于刚柔耦合理论[13]，通过ANSYS有限元软件和UM多体动力学软件的联合仿真，集成车辆模型、基础结构模型、轮轨空间动态耦合模型，得到的车-线-桥刚柔耦合动力学分析模型如图7所示。

图7 车-线-桥刚柔耦合动力学模型

将前述章节分析所得的桥墩沉降、位移不同工况下的钢轨的变形曲线作为轮轨系统激励仿真计算不同行车速度下车辆动力响应时程曲线，输入车-线-桥动力学模型进行分析。

根据各个速度(2种工况下)动力响应分析，速度350 km/h时桥墩沉降及位移条件下车辆运行品质指标见表3。

表3 车辆运行品质指标(速度350 km/h)

统计100～350 km/h列车速度情况下，车体垂向加速度、车体横向加速度的变化曲线如图8、图9所示。

图8 车体垂向加速度

图9 车体横向加速度

根据表3及图8、图9分析如下。

(1)由于205号、206号桥墩沉降及位移引起的区域内钢轨下沉变形，导致车体产生垂向加速度，也产生一定的轮重减载率。

(2)不同桥墩沉降及位移量下，车体垂向加速度、车体横向加速度随行车速度的增加而增大，且当速度为120～200 km/h时，车体垂、横向加速度增加较为缓慢；当速度为200～350 km/h时，车体垂、横向加速度增加较为迅速。以速度350 km/h运行条件下的各项安全性、舒适性指标作为最不利状况分析是合理的。

(3)在列车运营速度为350 km/h的条件下，列车运行安全性、舒适性指标随着桥墩沉降、位移量的增加而增大。当桥墩位移为工况1时，车体垂向加速度最大值为0.06 m/s2，车体横向加速度最大值为0.01 m/s2；当桥墩位移为工况2，车体垂向加速度最大值为0.38 m/s2(0.038g)，小于其舒适性限值0.15g，桥墩位移区段车体横向加速度最大值为0.09 m/s2(0.009g)，小于其舒适性限值0.09g。各指标均满足安全性及舒适性要求。在列车运营速度为120～300 km/h的条件下，两种工况同样满足其安全性及舒适度要求。

6 武广高铁限速运行标准分析

对于隧道下穿高速铁路产生的沉降及轨道不平顺等问题，除了在隧道施工期间对高铁设施采取工程措施进行保护外，以往工程实例还会采取限速运行措施。结合施工过程中对桥梁结构、轨道、列车的影响及国内既有案例，分析工程影响段武广高铁限速运行标准。

6.1 结构限速要求

根据桥梁墩台变形分析计算，桥墩沉降、位移及相邻墩台沉降差均未超过标准限值，对桥梁结构的影响较小，结构本身是安全可靠的。

6.2 轨道几何尺寸状态管理限速要求

结合高铁运营单位提供的区段动检波形资料，轨向不平顺最大偏差短波0.85 mm，长波1.2 mm；高低不平顺最大偏差短波0.23 mm，长波1.19 mm。与墩台沉降、变形计算值(工况1)引起的轨道变形横向0.316 mm、垂向-2.343 mm叠加后，本区段轨道的水平、高低偏差不超过4 mm。

静态方面，上述轨道偏差值位于规范[10]要求的经常保养范围；动态方面，上述轨道偏差值，也未超过规范[10]偏差等级Ⅰ级高低5 mm的要求。在墩台沉降、变形理论计算值(工况1)引起轨道变形条件下，轨道偏差值在静态几何尺寸、动态质量方面均未达到限速200 km/h管理值要求。

6.3 动力学仿真计算限速要求

行车速度为350 km/h时，即使考虑实际施工环境、列车运营环境的复杂性及各项计算参数离散性，将205号、206号桥墩沉降、变形计算值增加5倍后(工况2)进行车辆系统动力响应分析，高铁列车车体垂向、横向加速度均远小于舒适性限值，车辆轮重减载率、脱轨系数、轮轨垂向力、横向力远低于其安全限值，预留充分安全余量。因此，根据动力仿真计算，在车辆安全性及舒适性方面，此段无需限速要求。

6.4 高铁限速运行案例

姚西平等[14]结合地铁隧道侧穿京沪高铁桥梁工程，研究隧道穿越施工对高铁桥梁桩基的影响和控制措施，在分析承台沉降0.55 mm、墩顶水平位移0.43 mm的条件下仍提出：为保证高铁运行安全，列车通过时应限速至120 km/h；张碧文[15]针对广州地铁下穿武广高铁路基，模拟分析限速120 km/h情况下无砟轨道道床板沉降，最大约为5 mm，考虑实际施工条件下影响因素更为复杂，为确保运营安全，建议施工期间高铁限速至80 km/h；朱春雷、周顺华[16]在研究杭州地铁下穿沪杭甬客运专线高架桥，为确保隧道穿越高铁的运营安全，基于列车运行动力学计算，施工期间高速铁路限速200 km/h。

根据对受城际铁路明挖隧道下穿施工影响的武广高铁桥梁结构、轨道变形及列车动力学仿真分析成果，在理论上武广高铁线路尚未达到需限速运行的标准。但结合目前国内下穿高速铁路案例，大都采取一定的限速措施。因此综合考虑现场施工环境、铁路运营环境等各项因素的复杂性，为确保高速列车运行绝对安全和平稳，因此建议针对城际铁路明挖区间隧道下穿既有武广高铁桥梁的施工期间，采取武广高铁列车适当限速，考虑限速200 km/h通过本区段。

7 桥墩变形控制效果

隧道下穿武广高铁花都特大桥实施过程中，针对明挖隧道基坑、高铁桥墩开展专项监控量测工作。根据现场监测成果，至下穿段明挖隧道开挖并完成回填覆土，高铁桥墩及隧道基坑工程主要沉降、变形情况如下。

(1)高铁桥墩最大水平位移(垂直高铁线路方向)，205号桥墩2.7 mm，206号桥墩1.4 mm。

(2)高铁桥墩最大水平位移(沿高铁线路方向)，205号桥墩3.2 mm，206号桥墩3.2 mm，均向明挖隧道基坑内侧变形。

(3)高铁桥墩最大沉降值，205号桥墩2.4 mm，206号桥墩2.8 mm。在下穿隧道实施过程中，205号、206号桥墩最大差异沉降1.9 mm。

(4)基坑周边地表沉降最大值-12.5 mm，基坑围护结构地连墙水平方向变形最大值18.56 mm。

高铁桥墩沉降、变形现场实测数据与前期有限元分析计算值存在一定差异，但总体上较为吻合。同时桥墩各监测项目的最大值均在可控范围，未达到既定的预警水平，且存在较大富裕，可见在城际铁路明挖隧道下穿过程中对高铁桥梁的各项保护措施效果是明显的。

8 结语

(1)既有高铁桥梁下深基坑开挖，是地层卸载的过程[17]，其最直接的影响是基坑围护结构变形后桥梁桩基、承台等结构的水平位移，同时基坑开挖后坑外土体在发生水平位移或地下水位下降情况，会出现地层的重新固结沉降，进而对桥梁桩基产生向下的负摩阻力，致使其发生沉降。因此针对该类问题，需着重从有效控制基坑围护结构变形、桥桩基础周边地层沉降以及地下水流失等方面采取相应的防护措施。

(2)通过采取有限元分析手段，在采取相应措施后，对隧道下穿武广高铁花都特大桥的影响进行预测，计算表明桥墩最大沉降2.441 mm，最大水平位移2.001 mm(朝基坑向)，对桥梁结构影响有限，桥梁结构是安全的。结合后期现场实施过程中实测数据，桥墩最大沉降值2.8 mm，朝基坑向最大水平位移3.2 mm，未超过相关限值及预警值要求，所采取工程防护措施是有效的。

(4)隧道下穿高速铁路会引起桥梁墩台沉降，从而引起轨道动态不平顺，对线上列车安全性、平稳性和舒适性产生影响。通过有限元对桥墩沉降、变形值的预测，结合车-线-桥动力学模型进行分析，对列车安全性、舒适性进行评价。计算表明，行车速度为350 km/h时，行车安全性及乘坐舒适性均满足要求，其动力性能符合要求；在桥墩沉降、变形计算预测值增加5倍工况下，也满足行车安全性及舒适性的要求。

(5)预测的桥墩沉降、变形条件下，在桥梁结构安全、轨道几何尺寸偏差、列车动力学仿真分析等方面的计算，均显示下穿区段武广高铁均未达到限速运行的要求。综合考虑现场施工环境、铁路运营环境复杂性，在实施过程中该区段列车仍采取了限速200 km/h通过的措施，以确保高铁运营的绝对安全。

(6)对既有桥梁的保护，不应忽略防护措施其本身在实施过程中对既有桥梁的影响，如：地层加固注浆压力对桥桩的影响，隔离桩实施过程中松散地层的塌孔风险等。

(7)在施工过程中，桥墩实际沉降、变形量超过预测数据时，应加强对桥上轨道几何尺寸及变形量的上道检测，及时调整桥上轨道的不平顺，使其达到最佳状态。