地铁区间隧道下穿高速铁路桥梁安全评价分析及防治对策

王佩新

（中土集团福州勘察设计研究院有限公司，福州 350000）

1 引言

随着高速铁路路网的逐步完善及城市化进程的迅猛发展，城市基础设施建设不可避免会与铁路路网建设存在交叉。目前，大城市的地铁运营里程在迅速增长，为避免与高速铁路产生较大干扰，一般尽可能使地铁从高速铁路桥梁下穿。因为下穿高速铁路的项目日益增多，高速铁路的安全运营要求较高，下穿高速铁路风险较大[1-4]，为此，国家铁路局发布了相关规程来规范下穿高速铁路工程的设计与施工[5]。本文基于福州市某条地铁区间隧道下穿高速铁路桥梁的工程实例，根据现场实际，提出相应防治对策，并通过Midas GTS 建模计算分析其对高速铁路桥梁的影响，为今后类似项目提供参考。

2 工程概况及地质条件

区间隧道为单线单洞盾构区间，盾构上方布置供地铁使用的110 kV 电力管线。

区间隧道左右线及电力管线下穿福平铁路闽江特大桥9#、10#桥墩。下穿处区间隧道左线与铁路桥夹角74°；右线与铁路桥夹角73°。下穿处桥梁孔跨为68 m+128 m+68 m 连续梁主跨，基础为12 根φ2.5 m 钻孔灌注桩。福平铁路闽江特大桥9#、10#桥墩承台尺寸均为19.90 m×14.6 m×5.0 m（长×宽×高）。区间隧道埋深约9.9 m，左线隧道距离桥墩（9#）承台边缘最近距离为5.64 m，右线隧道距离桥墩（10#）承台最近距离为62.8 m。区间隧道、保护涵下穿铁路平面关系如图1 所示。区间隧道横断面如图2 所示。

图2 区间隧道横断面图（1∶50）

电力管线采用1-1.6×1.9 m 钢筋混凝土保护涵下穿铁路桥，交角59°。保护涵横断面如图3 所示。保护涵距离9#墩承台最小水平距离为17.23 m，距离10#墩承台最小水平距离为69.74 m。下穿处桥下净空约33 m。

图3 保护涵横断面图

涉铁段区间隧道段主要穿越杂填土、淤泥、粉质黏土、中风化花岗岩、微风化花岗岩。

3 下穿方案

3.1 方案分析

新建区间隧道位于既有构筑物下方且构筑物基础位于隧道衬砌上部时，隧道施工影响既有构筑物基础的稳定性，同时构筑物基础的荷载也将通过地层作用在隧道衬砌上，对隧道衬砌结构造成影响。二者相互作用的范围与隧道施工工法、尺寸、既有构筑物与隧道空间位置及既有构筑物基础形式有关。

根据前期现场调研，区间隧道下穿福平铁路闽江特大桥属于Ⅲ区，需要采取措施范围。根据相关规范要求，区间隧道下穿福平铁路闽江特大桥需采取相关措施。

3.2 风险源分析

经风险辨识，区间隧道下穿福平铁路闽江特大桥存在的风险点如下。

1）地质条件较差，区间隧道顶部为杂填土、淤泥，洞深范围为杂填土，若施工措施控制不当，极易造成坍塌，劣化地层力学性能，从而引起桥墩承载力减少和位移变形。

2）根据隧道与构筑物分区关系，隧洞施工将严重影响周边土体承载性能，易引起桩基承载力减小和沉降变形，存在桥梁变形过大的风险。

3）墩台沉降、墩柱倾斜造成对铁路的运营安全影响。

4）采用的加固或隔离措施时，施工过程中对桥墩造成不利影响。综合调研国内对隧洞工程下穿桥梁的成功案例，采用的主要措施为隔离桩隔离或地层注浆加固。若在区间与桩基础之间打设隔离桩，隔离桩位于4d 影响范围内（d 为桩径），对既有桩基础的受力有一定影响；若对隧道穿越段采用地层注浆加固，若不能保证注浆施工效果，则会引起桥墩位移变形，从而影响铁路的安全运营。

5）施工监测及现场施工组织管理不力。区间隧道下穿高速铁路桥梁施工过程中，必然会扰动地层，引起铁路桥梁墩台基础变形，进而影响轨道的平顺性，对铁路的运营安全造成直接影响。

3.3 方案设计

区间隧道下穿福平铁路闽江特大桥处在区间隧道外侧15 m处采取C30 钢筋混凝土冠梁+φ100 cm 钻孔桩+φ60 cm搅拌桩作为桥墩隔离桩和止水帷幕，平面范围为超出承台两侧各10 m，钻孔桩底标高为区间隧道底标高向下5 m 或伸入基岩层，搅拌桩底标高与隧道底标高齐平。部分隔离桩位于魁岐互通匝道桥下方，受净空限制（净空约5 m），桩间止水采用MJS 桩。

为保证施工期间减小对既有桥墩的影响，保护涵基坑开挖采用钢板桩防护，并设置钢管横撑，间距5 m。

4 三维数值建模

4.1 模型及计算单元

采用Midas GTS 有限元软件分析区地铁区间隧道及电力管线保护涵对福平铁路闽江特大桥桥墩产生的影响。岩土、桥墩、承台、框架采用3D 实体单元模拟，桥梁钻孔桩及围护钻孔桩采用1D 梁单元模拟，管片及钢板桩采用2D 板单元模拟。土层本构模型采用摩尔-库伦准则，桥墩、承台、保护涵结构在受力过程中仅发生弹性变形。

4.2 模型计算过程

福平铁路闽江特大桥9#墩、10#墩整体分析模型如图4 所示，建立如下施工阶段：（1）初始应力平衡；（2）铁路成桥阶段；（2）位移清零；（4）保护涵施工；（5）区间隧道开挖施工。

图4 9#墩、10#墩整体模型

4.3 模型计算结果

电力保护涵施工对福平铁路闽江特大桥的顺桥向、横桥向及竖向影响依次如图5～图7 所示。

图5 福平铁路闽江特大桥顺桥向位移图

图6 福平铁路闽江特大桥横桥向位移图

图7 福平铁路闽江特大桥竖向位移图

盾构施工对福平铁路闽江特大桥的顺桥向、横桥向及竖向影响依次如图8～图10 所示。

图8 福平铁路闽江特大桥顺桥向位移图

图9 福平铁路闽江特大桥横桥向位移图

图10 福平铁路闽江特大桥竖向位移图

将以上结果汇总于表1。

表1 福平铁路闽江特大桥桥墩墩顶位移变化表 mm

综上可知，在采取相关防护措施后，保护涵及区间隧道施工引起的9#桥墩墩顶及10#墩墩顶的顺桥向位移、横桥向位移及竖向位移均满足墩台顶位移限值2 mm 的要求。

5 结论

采用Midas GTS 对地铁区间隧道下穿铁路桥梁段进行三维数值建模分析，结合施工及高速铁路运营安全要求，采取了相应防护措施，期望为今后类似项目提供工程借鉴，结论及建议如下。

1）采用钻孔隔离桩防护措施后，地铁区间隧道下穿福平铁路闽江特大桥，影响较小，在铁路运营安全可控范围之内。

2）在施工过程中，应加强监控量测工作。把施工引起的铁路桥梁墩台基础变形信息及时反馈给施工单位，使之能够在现场及时调整施工参数，优化改进施工方法。

3）隔离桩成桩应采用振动较小的旋挖钻，并且跳桩施工，同时所选设备需满足桥下作业空间要求。桥下隔离桩施工应采取必要的防塌孔措施，避免隔离桩塌孔对铁路桥梁墩顶位移产生影响。

4）区间隧道下穿铁路前，应积极协调铁路有关部门，充分做好下穿铁路前的相关准备和保护工作，密切配合，加强与铁路部门联系。施工单位应编制完整的施工组织方案和应急预案，报送铁路管理部门审批，并通过铁路管理部门批准。

5）做好施工机械、车辆安全管理，防止机械倒塌或车辆失控撞击桥墩。