城市軌道交通隧道下穿既有高架線風險評估

韓 博，吳鋒波

（1.地質出版社，北京 100083；2.河北地質大學勘查技術與工程學院，河北省石家莊 050031）

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，世界各國政府均致力于城市地下空間的開發和利用。城市軌道交通是世界公認的低能耗、少污染的“綠色交通”，對于實現城市的可持續發展具有非常重要的意義。目前，我國城市軌道交通建設已經進入快速和集中發展期，國內各大城市相繼開展了軌道交通建設。

城市軌道交通工程多處于復雜的城市地質條件和環境條件之中，工程建設主要以地下工程為主，工程場地分布區域線長面廣，不僅地質條件復雜多變，環境條件也十分復雜，不可避免地給工程設計、施工帶來各類環境技術難題。其中城市軌道交通地下工程施工與橋梁樁基之間的相互作用是一個復雜的結構-巖土的動態響應問題，成為相關學者關注的研究重點。

Cheng（2004）、Pang（2005）等對新加坡東北線隧道鄰近新建高架橋樁工程的隧道-土-樁相互作用進行了三維數值分析和反分析研究。Lee、Gordon、Emilios（2005）采用三維彈塑性有限元模型，考慮土體的固結作用來預測樁-土-隧道之間的相互作用機理，研究了樁基在隧道推進過程中的響應。Lee和Ng（2005）采用巖土離心機模型試驗分析，提出隧道開挖影響范圍為隧道縱向開挖面1倍洞徑，并且隧道開挖面的推進不會顯著影響到樁上已有彎矩和軸向荷載的分布。何海健等（2006，2007）采用數值模擬輔以現場實測的方法，研究了地鐵洞樁法施工引起鄰近基樁的變形、變化情況。李寧等（2006）采用有限元數值模擬分析技術，研究因隧道開挖施工而引起周圍土體及不同位置單樁的變形規律。研究了樁洞距、樁端位置、樁土模量比、樁承載特性等因素對樁體變化規律的影響。吳波等（2006，2007）采用ABAQUS軟件動態模擬了北京地鐵10號線國貿站西北風道施工過程、鄰近短樁和長樁橋基的變形和受力性態以及樁土相互作用機理。

城市軌道交通地下工程下穿城市橋梁的相關研究日益得到國內外學者的重視。本文以北京地鐵15號線隧道工程下穿既有地鐵5號線高架結構為背景，研究了地下工程下穿城市橋梁的風險評估與控制工作，以作為類似工程的參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京地鐵15號線安立路站—大屯路東站區間線路西起安立路站，位于大屯路下方沿大屯路東行，在大屯路東口與北苑路交叉路口下側穿既有5號線橋樁后到達大屯路東站。在區間左、右線兩側各有一處橋樁，左線結構外側距離5號線橋樁樁基凈距為3.5m，右線隧道結構外側距離橋樁樁基凈距為3.9m，線間距為17.0m，該處區間隧道埋深為12.85m。

5號線橋樁為C25鉆孔灌注樁，直徑為1000 mm，長度為30.0m。地鐵15號線暗挖區間沿東西方向下穿地鐵5號線高架橋第12聯，下穿段高架區間為28.0m+35.0m+28.0m三跨預應力鋼筋混凝土連續箱梁，地鐵15號線暗挖區間從35.0m跨下穿，下穿段高架橋為4樁方形承臺，長寬均為5.0m，厚2.0m，埋深約為0.5m，樁徑1.0m，樁長30.0m，樁底位于粉土、粉質粘土層。

工程影響范圍的地鐵5號線線路為高架區間線路，采用軌60kg/m鋼軌，扣件采用有螺栓小壓力ω彈條DTⅥ2型扣件，檢測范圍內扣件無調高，道床為混凝土整體道床。DTⅥ2型扣件利用更換絕緣軌距墊可調整軌距+8～-4mm，利用鐵墊扳倒邊可調整軌距0～-12mm，兩者結合可調整軌距+8～-16mm，采用調高墊板調整水平最大調高量為+15mm。圖1所示為區間隧道與5號線橋樁剖面關系圖，圖2所示為高架橋墩臺橫斷面圖。

1.2 地質條件

區間下穿北苑路段主要穿越土層為①1雜填土層、①粉土填土層、③粉土層、③1粉質粘土層、④2粉土層、④3粉細砂、④2中粉土層、⑥粉質粘土層、⑥2粉質粘土層。對工程有直接影響的地下水為上層滯水（一）和潛水（二），兩層水的水位埋深為7.3～11.7m，幾乎涵蓋整個結構范圍。

1.3 施工方法

區間隧道采用標準單線單洞馬蹄形斷面，下穿段區間隧道寬6.2m，高6.5m，左右線間距17.0m。區間采用臺階法開挖，主要施工步驟為：

（1）深孔注漿加固隧道頂部及側墻部分地層，加固范圍為開挖面及拱頂和邊墻外圈2.5m區域。

注漿方式采用后退式（WSS）繡閥管深孔注漿施工，隧道結構頂部為粉細砂層注漿采用后退式注漿工藝，漿液采用水泥-水玻璃漿。其余部分位于粘土和粉質粘土層中，注漿方式采用后退式劈裂注漿工藝，注漿液采用水泥漿。

圖1 區間隧道與5號線橋樁剖面關系圖Fig.1 Sectional diagram between interval tunnel and metro line 5 bridge pile

圖2 地鐵5號線高架橋墩臺橫斷面圖Fig.2.Metro line 5 viaduct pier cross-sectional map

注漿時分節鉆孔，每節長度為2.0m，兩節之間采用雙孔專用接頭和專用鉆頭鉆孔，鉆一孔，注一孔。注漿管長度為12.0m，縱向搭接長度為2.0m，漿液采用水泥漿。注漿壓力1.0～1.2Mpa。注漿加固段總長21.5m。

（2）地層注漿加固后單軸抗壓強度達到0.6～1.0 MPa，滲透系數為1×10-8cm/s。

（3）采用臺階法開挖斷面土體，短進尺施工，循環進尺長度0.5m。左、右線在下穿段都增設臨時仰拱，開挖至橋樁水平距基礎12.0m時，開始增設臨時仰拱。直到安全通過橋樁并延伸12.0m，臨時仰拱設置總長為24.0m。

（4）每步開挖均打設鎖腳錨管，采取兩根并排，每榀鋼支撐共打設4根。

（5）待初期支護達到強度后，在初期支護背后注漿,使初期支護與地層密貼。注漿管直徑φ42，間距3m×3mm，梅花型布置，對初襯背后全周注漿。每開挖2.0m，就及時進行初至背后的注漿，注漿壓力控制在0.5MPa。初支背后注漿應分多次補償。注漿采用從下到上的順序進行。注漿參數需根據現場試驗進行調整。

（6）拱部二次襯砌預留壓漿孔，采用φ42注漿管注漿，注漿壓力不大于0.2MPa，側穿5號線橋樁范圍，二襯背后的回填注漿，應采用強度高、流動性好的硫鋁酸鹽類水泥漿液。保證初期支護與二襯之間密實。

區間隧道左線先行下穿5號線高架橋，完成穿越后右線隧道開始施工，最終兩線隧道完成高架橋的穿越工程。

2 工程風險評估

根據工程情況，對礦山法隧道穿越區域可能影響到的既有高架結構的安全狀態進行評估，主要包括隧道兩側各兩個橋樁。

2.1 重要性評估

工程影響范圍的高架橋為北京地鐵5號線高架區間為很重要的城市高架橋，重要性等級為Ⅰ級。

2.2 安全現狀評估

該區段高架橋梁建成距施工時約5年半多的時間，結構檢測結果表明其主體結構外觀完好，盆式橡膠支座外觀完好。橋梁墩柱混凝土強度按單個構件進行評定，其推定值為51.0～52.5MPa，梁體混凝土強度按批構件評定推定值為56.6MPa。

橋梁墩柱混凝土碳化深度在2.0～4.0mm之間，梁體混凝土碳化深度在4.0～6.0mm之間。橋梁墩柱混凝土鋼筋保護層厚度在58.0～69.0mm之間，梁體混凝土鋼筋保護層厚度在38.0～45.0mm之間。檢測范圍內所有構件鋼筋銹蝕概率小，綜合評定該高架橋安全性等級為良好。

2.3 施工影響預測評估

采用數值模擬方法對區間隧道下穿引起的既有5號線高架橋樁變形進行預測。數值模擬計算采用FLAC-3D建立計算模型，地層計算設置大變形，其中土層、既有橋梁結構、橋梁承臺和樁基礎均采用實體單元，不同的土層采用不同的材料參數模擬。

土體采用摩爾-庫侖彈塑性本構模型，既有橋梁結構、橋梁承臺和樁基礎，基礎采用線彈性本構模型，橋梁樁基礎與土層的接觸采用接觸面單元進行模擬。通過剛度等效的方法，將橋梁結構等效為一種同剛度材料。

邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界，其他5個面均采取法向約束。計算模型橫剖面左側區域至隧道開挖影響12-3橋梁承臺外側11.0m，右側至隧道開挖影響12-0橋樁外側11.0m，模型長度共118.0m。模型高度至地面以下50.0m。模型寬度以橋梁承臺為中心，向兩側各30.5m，共61.0m（圖3）。計算荷載考慮既有高架橋列車荷載等作用，綜合為20kPa 。

圖3 計算模型橫剖面示意圖（單位：m）Fig.3.Sketches section of calculation model (unit: m)

場區內地層主要為粉土填土、粉土、粉質粘土、粉細砂、粘土等層，根據勘察報告中提供的參數，各個地層主要物理力學參數見表1。根據檢測結果，高架結構的物理力學參數見表2。

計算模型見圖4、圖5，共劃分了175384個實體單元，183786個節點。

左側隧道首先開挖，第一步開挖上部土體5.0m，第二步繼續開挖左線隧道上部土體5.0m，下部土體5.0m；穿越段按3.0m進尺進行開挖，共計14步。左側隧道貫通后開挖右側隧道，第一步開挖上部土體5.0m，第二步繼續開挖右線隧道上部土體5.0m，下部土體5.0m；穿越段按3.0m進尺進行開挖，共計14步。

表1 地層和建筑基礎的物理力學參數表Tab.1 Physical and mechanical parameters of building and formation foundation

表2 既有高架結構物理力學參數Tab.2 Elevated structure physical and mechanical parameters

在各個橋梁承臺上表面的四角和中部布設監測點，4個墩臺共計20個監測點。既有高架結構承臺和樁基的豎向沉降計算結果見圖6。各個橋梁承臺的豎向沉降計算結果見表3。

圖4 計算總模型Fig.4 Calculation model

圖5 隧道與橋梁結構位置關系Fig.5 Tunnel and bridge structure Location diagram

圖6 既有高架結構承臺和樁基豎向沉降等直線圖Fig.6 Elevated structure cap and pile vertical settlement straight line chart

表3 既有高架結構承臺上表面監測點變形結果Tab.3 The deformation monitoring results of elevated structure cap surface

由計算結果可知，隧道穿越部位兩側的兩個橋梁承臺可出現向上的隆起位移，最大隆起值為2.697mm。橋梁樁基在隧道穿越注漿加固部位可出現上浮，底部出現一定的沉降變形。兩個橋梁承臺之間的差異沉降較小，為0.014mm。

穿越區外側的兩個橋梁承臺主要為向下的沉降位移，最大值沉降值為-2.313mm。橋梁樁基主要為沉降變形。穿越區外側和中部橋梁承臺之間的差異沉降值較大，可達到4.209mm，工程實際應注意對其差異沉降的變形控制。

根據變形計算結果可知，隧道下穿施工引起的橋梁變形值較小，但該既有5號線高架橋對變形的要求較為嚴格，較小的變形也可能引起既有線路的運營安全。因此，綜合評定礦山法隧道施工對既有地鐵5號線高架結構的影響程度可為嚴重。

2.4 綜合性評估

根據以上分析，重要性評估結果，該既有線高架結構重要性等級為Ⅰ級；安全現狀評估結果，其安全性等級為良好；施工影響預測評估結果，礦山法隧道下穿施工對既有線高架結構的影響程度為嚴重。因此，根據該既有線高架結構的風險發生的可能性為可能發生，綜合評定其工程環境風險等級為一級，為風險等級最高的環境風險。

施工過程中嚴格執行施工方案，深孔注漿加固體達到預定強度后進行地層開挖。臺階法開挖斷面土體，循環進尺長度為0.5m。左、右線在下穿段24.0m范圍內增設臨時仰拱。同時，對隧道初支背后進行注漿，采用從下到上的順序進行。拱部二次襯砌與處支間進行注漿，保證初期支護與二襯之間密實。

礦山法隧道下穿過程中，既有5號線高架梁體結構豎向變形的最大沉降值為-1.1mm，最大隆起值為+0.9mm。橋墩結構豎向變形的最大值為-1.3mm，最小值為+0.9mm，均小于控制值3.0mm，相鄰橋墩的差異沉降值較小。軌道結構變形較小，未超過控制值。既有線安全運營未受到影響，工程施工圓滿完成了對高架結構的穿越。

3 結論

通過北京地鐵15號線安立路站—大屯路東站區間礦山法隧道下穿既有5號線高架結構的風險評估與控制研究得出以下結論：

（1）礦山法隧道工程影響范圍內的高架橋為北京地鐵5號線高架區間結構，其重要性等級為Ⅰ級。

（2）根據相關檢測結果，該區段高架橋梁主體結構外觀完好，強度、混凝土鋼筋保護層厚度等符合相關要求，其安全性等級為良好。

（3）三維數值模擬結果表明，工程施工造成既有高架結構的變形約為-2.3～2.7mm，高架橋對變形的要求較為嚴格，受影響程度可評定為嚴重。

（4）綜合以上分析，該既有線高架結構風險發生的可能性為可能發生，綜合評定其工程環境風險等級為最高級一級。

（5）施工過程嚴格執行深孔注漿加固方案和開挖要求，監測結果表明高架結構和軌道結構等的變形滿足控制要求，既有線安全運營未受到影響，礦山法隧道工程圓滿完成對地鐵5號線的穿越施工。

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