浅埋暗挖地铁区间下穿高铁特大桥风险分析

陈 明

(中铁工程设计咨询集团有限工程，北京 100055)

近年来，我国交通设施规模取得了前所未有的发展，截止2021年12月31日，我国高铁运营里程超40 000 km，铁路运营总里程超150 000 km[1]，城市轨道交通运营里程达8 708 km[2]，高速公路通车里程超155 000 km，均位列世界首位。随着上述工程的蓬勃发展，交叉穿越工程也越来越多，尤其是隧道下穿桥梁，隧道施工对邻近桥桩影响显著[3]，如何确保下穿既有工程施工及运营安全是穿越工程的重难点。近年来，多位学者针对地铁区间下穿桥梁工程进行研究，黄茂松等利用剪切位移法分析了隧道施工过程中桩周土体位移对桩体摩阻力及轴力的影响[4]；任建喜等分别以不同地铁区间侧穿市政高架桥桩基为工程背景，采用数值模拟分析和现场监测的方法，分析隧道侧穿桥桩对桩基的影响[5-8]；王国富等研究地铁盾构区间下穿普速铁路桥涵结构应力变形和铁路轨道变形特征，并对防护措施进行比选[9-10]；孟繁增等对新建公路路堑、桥梁结构及桩板结构下穿既有高速铁路桥墩的影响及建设方案进行研究[11-12]；唐黎明以宁波市某地铁区间隧道下穿杭深线、北环线鄞县特大桥工程为背景，分析不同施工工况下盾构下穿高铁桥梁的变形情况[13]；毕景佩等以天津地铁7号线某区间下穿京沪高铁南仓特大桥为背景，通过有限元数值分析，探究盾构隧道下穿高铁特大桥施工过程中桥面、桥墩、承台、桥桩的位移以及桥桩附加应力的变化规律[14]。

以上研究主要针对地铁区间侧穿市政高架桥、暗挖区间下穿普速铁路桥或盾构区间下穿高铁特大桥，而对浅埋暗挖隧道近距离侧穿高铁特大桥桥桩的研究较少。以北京某暗挖地铁区间小角度近距离下穿既有京张高铁西二旗左线特大桥工程为背景，通过建立三维数值模型模拟暗挖段施工过程，揭示暗挖区间侧穿既有高铁特大桥桩基的变形特性，并提出相应的风险控制措施。

1 工程概况

京张高铁为最高设计速度为350 km/h的电气化高速铁路，其中西二旗左线特大桥速度目标值为120 km/h，采用有砟轨道、无缝线路、60 kg/m钢轨，全桥长2 429.7 m，共75跨，其中72跨为32 m简支梁(双线)，3跨为(40+64+40)m连续梁(双线)，均为现浇箱梁。地铁区间侧穿20号～21号桥墩，20号桥墩墩高11 m，设11 m×14.2 m×3.6 m单层八边形承台，采用10根φ1 600 mm钻孔灌注桩，桩长75 m；21号桥墩墩高15 m，设12.2 m×6.3 m×3 m单层矩形承台，采用8根φ1 250 mm钻孔灌注桩，桩长62.5 m；22号桥墩墩高16 m，设10.2 m×6.8 m×2.5 m单层矩形承台，采用11根φ1 000 mm钻孔灌注桩，桩长52.5 m，桥桩均为摩擦桩。

新建地铁区间线间距为20.7～21.8 m，采用矿山法施工，左、右线均为单洞单线隧道，马蹄形断面，断面宽6.2 m，高6.5 m，采用复合式衬砌，初支厚0.25 m，二衬厚0.3 m。左线区间覆土6.2～7.1 m，与高铁特大桥平面交角为41.4°，隧道外侧距离21号桥墩桩基础最小水平净距为2.23 m，距离22号桥墩桩基础最小水平净距2.10 m。右线区间覆土12.1～13.3 m，与高铁特大桥平面交角为40.3°，下穿(40+60+40)m连续梁边跨，隧道外侧距离21号桥墩桩基础最小水平净距为2.24 m，距离20号桥墩桩基础最小水平净距为2.52 m。新建地铁区间与既有高架桥平面关系见图1，竖向位置关系见图2。

图1 地铁区间与既有高铁特大桥平面位置关系(单位：m)

图2 地铁区间与既有高铁特大桥竖向位置关系(单位：m)

2 工程地质及水文地质

根据地质勘察报告，拟建场地范围地势平坦，现状为绿地，区间隧道沿线地层主要为第四系人工堆积层、第四系全新统冲洪积层。从上至下的地层主要为素填土、黏质粉土、粉质黏土及细砂层，区间穿越地层主要为粉质黏土层及细砂层。拟建场地55 m深度范围内，揭露了2层地下水，第一层为潜水，静止水位埋深10.2～12.1 m；第二层为微承压水，静止水位埋深29.6～32.3 m。

3 工程风险

3.1 风险分析

区间隧道开挖会使隧道周边土体产生应力释放，引起隧道上方及两侧土体变形，直观表现为土体松动和沉陷，同时引起周边桥桩变形、沉降或变位，导致桥梁上部轨道变形，进而影响铁路列车运营安全。

高速铁路对轨道平顺性的要求极高，区间左、右线小角度下穿西二旗左线特大桥，与既有桥桩距离近、穿越距离长，对既有桥梁的影响较大，不利于铁路轨道整体沉降及差异沉降的控制，根据相关规范，京张高铁西二旗左线特大桥为重要设施，隧道与桥桩的水平净距小于0.5B(B为隧道毛洞宽度)，相对关系为非常接近，风险等级为Ⅰ级[15]。

3.2 控制标准

受下穿工程影响，采用有砟轨道的高速铁路桥梁墩台顶位移限制应符合表1[16]规定可满足轨道高低不平顺性的要求。

表1 墩台顶位移限制 mm

200～250 km/h高速铁路有砟轨道线路静态几何尺寸偏差应符合表2规定[17]。

表2 轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

3.3 风险防护措施

根据地铁区间与西二旗左线特大桥相对位置关系及周边环境情况，为减少暗挖区间施工对既有高铁的影响，区间下穿京张高铁西二旗左线特大桥时，拟采取如下措施。

(1)隧道与桥桩之间设置隔离桩，距承台边9.3 m，规格为φ800 mm@1 200 mm，桩顶设置冠梁，桩底深入隧道底以下3 m，对于隧道与桥桩之间空间较小处设置复合锚杆桩，规格为φ150 mm@400 mm，双排交错布置，桩长同隔离桩，见图3、图4。

图3 桥桩加固措施平面布置

图4 桥桩加固措施横剖面(高程单位：m;其余：mm)

(2)隧道穿越范围内，采用地表袖阀管注浆加固。

(3)区间隧道进入铁路影响范围前，设置试验段，以获得最佳施工参数。

(4)及时施作初支背后注浆及二衬背后注浆，严格控制注浆压力和注浆量，以保证注浆效果。

(5)加强结构强度，提高防水等级。

(6)采用“短进尺、强支护、快封闭”，充分利用“时空效应”，在既有结构产生位移前隧道封闭。

4 数值模拟

4.1 计算模型及参数

采用Midas GTS NX三维数值计算程序对新建地铁区间下穿高铁特大桥的施工过程进行仿真模拟计算。模型尺寸为130 m×80 m×90 m，土体、桥墩、承台采用实体单元，钻孔灌注桩采用植入式梁单元，隧道初支及隔离桩采用板单元，模型四边为水平约束，底部为竖向约束，顶面为自由面。采用有限元弹塑性本构模型Mohr-Coulomb准则，并假定材料为各向同性均匀介质。在未施加防护措施和设置防护措施工况下进行数值模拟，计算模型见图5～图7。

图5 有限元计算模型(单位：m)

图6 有限元计算模型相互关系(无防护措施)

图7 有限元计算模型相互关系(有防护措施)

工程地质力学参数见表3。本区间隧道从北往南开挖，开挖进尺为2 m，每次分2个计算步序，分别为：钝化土体和激活初支；先挖左线再挖右线，左、右线步距12 m。

表3 工程地质参数

4.2 计算结果分析

区间施工完成后桥墩的位移见图8～图13，由图可知，未施加防护措施工况下，墩台顶最大竖向位移为5.03 mm，横向最大位移为3.23 mm，纵向最大位移为3.96 mm(大于控制标准值)。在采取隔离桩及注浆加固措施的工况下，桥墩顶最大竖向位移为2.91 mm、横向最大位移为1.71 mm，纵向最大位移为1.13 mm，均小于控制标准值。

图8 未施加防护措施桥桩竖向位移云图(单位：mm)

图9 未施加防护措施桥桩横向位移云图(单位：mm)

图10 未施加防护措施桥桩纵向位移云图(单位：mm)

图11 施加防护措施后桥桩竖向位移云图(单位：mm)

图12 施加防护措施后桥桩横向位移云图(单位：mm)

图13 施加防护措施后桥桩纵向位移云图(单位：mm)

未施加防护措施工况下，21号桥墩最大竖向位移为5.03 mm，20号及22号桥墩最大竖向位移分别为2.82，3.46 mm，区间左、右线从21号桥墩两侧穿过，隧道开挖对21号桥墩两侧土体扰动较大，两次穿越的叠加效应致使21号桥墩竖向位移大于20号及22号桥墩。

未施加防护措施工况下，21号桥墩最大纵向位移为0.15 mm，20号及22号桥墩最大纵向位移分别为1.64，3.96 mm，21号桥墩最大横向位移为0.28 mm，20号及22号桥墩最大横向位移分别为2.29，3.23 mm，区间左右线从21号桥墩两侧穿过，从20号、22号桥墩单侧穿过，两线区间开挖引起的位移反向叠加使得21号桥墩顶部横向位移及纵向位移小于两侧桥墩。

5 结论及建议

对暗挖地铁区间下穿京张高铁西二旗左线特大桥施工影响进行数值计算分析，分析了未施加防护措施和施加防护措施两种工况下，桥墩竖向位移、横向位移及纵向位移，得出如下结论及建议。

(1)采取注浆加固及隔离桩防护措施后，暗挖地铁区间下穿京张高铁西二旗左线特大桥后墩顶横向水平位移、纵向水平位移、竖向位移约为未采取防护措施时的50%，说明隔离桩及注浆加固是桥梁防护的有效措施。

(2)左、右线隧道分别从两跨穿越时，存在二次叠加效应，中间桥墩竖向位移约为两侧桥桩的1.7倍，两隧道之间的桥墩水平位移约为两侧桥桩的10%，说明隧道下穿对中间桥墩的竖向位移、两侧桥桩水平位移影响较大。

(3)为降低对既有高铁桥梁的影响，隔离桩应伸入隧道底≮3 m，隔离桩及注浆加固应在靠近隧道侧设置，以降低隔离桩及注浆加固对桥桩的影响，注浆参数应根据现场试验及监测数据确定。