山地城市暗挖隧道近距離下穿橋梁施工技術研究與應用

李凌宜，趙 明

(北京市政路橋股份有限公司，北京 100068)

0 引言

近年來，隨著城市軌道交通建設的發展，地下暗挖隧道施工越來越普遍，近距離下穿城市橋梁等既有建(構)筑物暗挖施工更是比比皆是。在隧道下穿橋梁過程中，隧道的開挖引起周邊圍巖應力釋放，擾亂原有地應力場的分布，進而引發地層變形對鄰近橋樁的擾動，從而威脅橋梁使用和安全[1]，甚至可能誘發安全事故。

針對地鐵隧道下穿建(構)筑物施工及其對鄰近樁基的影響問題，國內外學者采用數值模擬、理論分析和模型試驗等方法進行了廣泛研究。Lee等[2]采用數值模擬方法從整體上研究了樁-土-隧道三者之間的作用特征，分析了隧道施工對鄰近樁基位移及內力的影響。李兆平等[3]探討了地鐵工程鄰近橋梁施工的風險等級劃分方法，并給出相應橋基加固保護對策。陶連金等[4]對國內隧道近接施工的特點、施工工法及沉降控制措施等進行了研究，對不同施工方法的適用性、主要影響因素、施工步序的變形分配進行了分析。總體來說，關于地鐵隧道下穿橋梁等既有建(構)筑物及其對鄰近樁基的影響方面已有較多研究，但由于問題的復雜性，加之不同地區工程地質條件的差別，目前的研究還很不成熟。

目前，在地表建筑物林立的城市環境下進行淺埋隧道掘進施工時，對于下穿地表抗震等級低的建(構)筑物困難地段，或不允許產生爆破振動地段，冷開挖往往成為一種不得不選用的手段。冷開挖就是非爆破措施的機械開挖，在下穿、側穿高層建筑、市政道路、河流、橋梁等安全風險高的環境下，冷開挖對圍巖擾動小，有利于周邊圍巖的自穩性，有效控制沉降，安全性高。但冷開挖方式方法繁多，為保證施工安全，尋求對于山地城市地鐵隧道近距離下穿城市橋梁施工的最優冷開挖方案也成為工程首要解決的問題。

1 工程概況

貴陽市軌道交通2號線為南北-東西-南北向骨干線，線路跨越新老城區，周邊環境復雜。而貴陽市地處云貴高原，奇特的喀斯特地貌大量分布，屬于以山地、丘陵為主的丘原盆地地區，地質條件復雜，巖溶富水、斷層發育。本文中省醫站—觀水路站區間位于南明區，下穿蟠桃宮立交橋段，隧道拱頂埋深18m，隧道采用全斷面開挖，洞身巖層處于中風化白云巖，巖體等級為Ⅳ～Ⅴ級，地下水發育，巖溶中等～強烈發育，拱部無支護時可產生小坍塌，側壁基本穩定，爆破振動過大易坍塌。蟠桃宮立交橋樁基、墩柱及橋面結構為C30混凝土，右隧拱頂距橋墩基底2.35m，3號樁距右隧中線1.5m，4號樁距右隧中線3.3m；左隧拱頂距橋墩基底6.5m，5號樁距左隧中線0.2m，6號樁距左隧中線4.6m，具體平面圖、斷面如圖1，2所示。

圖1 省醫站—觀水路站區間下穿蟠桃宮立交橋平面(單位：m)

圖2 左、右線隧道下穿橋樁橫斷面(單位：m)

2 施工方案理論分析

針對地鐵隧道下穿立交橋施工，為解決采用常規鉆爆法施工擾動大、風險高，社會影響大的突出問題，施工前經過現場勘察與分析，分別對劈裂機開挖、化學法(膨脹劑)開挖、破碎錘開挖等多種冷挖方式進行分析比較，最終確定采用潛孔鉆+破碎錘配合人工的冷開挖方式，必要時輔以CO2欲裂巖體，避免爆破荷載影響，減緩應力釋放過程，最大限度降低區間隧道下穿施工對立交橋運營安全的影響。同時，采用數值模擬方法對增加大管棚超前支護與減少開挖進尺(左隧0.5m、右隧0.35m)情況下左線先行(方案1)和右線先行(方案2)2種下穿方案的施工擾動效應進行分析探究。

2.1 建立模型

為消除邊界尺寸對數值試驗結果的影響，取三維地質模型x，y，z方向邊界長度分別為80，72，52m。模型中，圍巖采用實體單元進行模擬，管棚加固區通過改變圍巖屬性實現；初期支護、臨時支撐、二次襯砌和橋面采用板單元進行模擬，蓋梁、橋墩、系梁和橋樁利用梁單元進行模擬，樁、土間的相互作用以界面單元和樁端單元模擬。模型四周立面與底部邊界面采用法向位移約束，地表設置為自由邊界面，模型如圖3所示。

圖3 下穿段三維模型(單位：m)

兩種方案中各施工步緊密銜接，左線和右線下穿段每次進尺分別為0.5，0.35m，其余區段每次進尺3m，先行隧道下穿段二次襯砌澆筑完成后開始后行隧道下穿段開挖。

2.2 確定材料參數

根據工程地質勘察報告及工程經驗，大管棚超前支護范圍內巖層c，φ，E值依據文獻資料及取原圍巖相應值的1.2倍，其余參數保持不變，其折算后的力學參數及橋梁相關計算參數如表1所示。

2.3 數據結果分析

2.3.1地表沉降與拱頂沉降

2種方案下穿施工完成后的地表沉降云圖和距起始開挖面(y=0)不同距離下的隧道拱頂豎向位移變化曲線如圖4，5所示。由圖4可知，方案1施工引起的地層沉降量大多處于0.176 3～2.056mm，方案2施工引起的地層沉降量大多處于0.177 8～2.055mm；此外，2種下穿方案施工完成后，橋樁附近土層沉陷均較大而其他區域沉降量相對較小且沉陷均沿橋樁橫向連線(與行車道垂直)大致呈片狀分布，以左線上部5號樁周邊土層沉降最大，沉降量達13.22mm。

表1 結構物理力學參數

圖4 地表沉降

圖5 拱頂沉降

由圖5可看出，一方面，同一下穿方案下，左線隧道與右線隧道拱頂沉降規律基本一致，整體呈“山峰”狀凸起，兩側沉降值較大而峰頂沉降值較小，而峰頂位置均位于下穿段，這說明增加超前大管棚支護并減少開挖進尺可降低下穿施工引起的拱頂沉降量。另一方面，不同下穿方案下，同一隧道拱頂沉降規律一致，僅沉降量存在差別，具體表現為先行隧道拱頂沉降量較小：方案1施工引起的左隧拱頂沉降量小于方案2，而方案2施工引起的右隧拱頂沉降量小于方案1。此外，不同下穿方案下，左隧拱頂沉降量始終較小，當左線先行時，左隧拱頂沉降全段均值為0.957mm，其中下穿段拱頂沉降均值為0.894mm，分別占右線相應區段拱頂沉降均值的90.48%和90.22%；當右線先行時，右隧拱頂沉降全段均值為1.037mm，其中下穿段拱頂沉降均值為0.973mm，比左隧相應區段拱頂沉降均值均多出約0.060mm。

2.3.2樁基軸力與橋墩沉降

2種下穿方案施工完成后的樁基軸力如圖6所示，從圖中可看出，不同下穿方案施工引起的樁基軸力無論是大小或分布規律均幾乎一致。其中，方案1和方案2皆以右隧上方3號與4號橋樁中部及以上位置軸力最大，最大軸力值分別為3 905，3 906kN。

圖6 樁基軸力

為直觀反映下穿施工完成后的橋墩最終沉降及其差異沉降，將其匯總列于表2。需要說明的是，橋墩橫向差異沉降指與行車道垂直方向上兩橋墩的沉降差，如表2中-0.151mm為1號橋墩與2號橋墩的沉降差；縱向差異沉降指沿行車道方向，相鄰奇數或相鄰偶數樁號的沉降差，如-2.012mm為1號橋墩與3號橋墩的沉降差。

表2 橋墩最終沉降及差異沉降 mm

由表2可看出，在橋墩沉降方面，同一下穿方案施工引起的各橋墩最終沉降量均以左隧上部5號橋墩與6號橋墩較大，且方案2中5號橋墩與6號橋墩最終沉降量更大。在差異沉降方面，2種方案施工引起的橫向沉降差均較小而縱向沉降差較大，這是因為蓋梁和系梁將橫向橋墩連接為一個整體，受力體系較好；此外，方案2中的橋墩差異沉降與方案1同項相比多數略大或持平。

根據數值模擬計算結果，兩種下穿方案施工引起的地表沉降、拱頂沉降、樁基軸力、橋墩沉降與差異沉降差別不大，出于橋梁運營安全考慮，為盡可能減少下穿施工對橋梁的影響，現場選用橋墩沉降與差異沉降較小的方案1進行施工，即先進行左隧下穿段施工，其二次襯砌施工完成后，再進行右隧下穿段施工。另外，左線隧道與橋樁距離稍大，先行開挖可為后續樁隧距離更近、施工難度更大的右隧下穿施工積累經驗，提供施工反饋。

3 施工控制技術要點

考慮到數值計算時假定巖(土)體材料為均勻和各向同性的連續介質，忽略了巖(土)體中的節理、裂隙等材料力學行為及施工過程中行車與爆破擾動等荷載影響，且施工現場周邊環境與工程地質復雜，巖溶中等～強發育。因此，為保證施工安全，順利完成下穿施工，決定在方案1的基礎上，采用冷開挖法進行施工，避免爆破荷載影響，減緩應力釋放過程，最大限度降低區間隧道下穿施工對立交橋運營安全的影響。開挖時，首先利用潛孔鉆在掌子面上鉆孔，然后利用破碎錘配合人工修整。鉆孔間距25～30cm，采用梅花形布置。

施工要點為：①施工前按要求開展超前地質預報工作，重點探測前方地下水及巖溶發育情況，避免開挖掌子面前方及上部出現溶腔充水造成開挖洞內涌水、涌泥現象，及時發現風險隱患并提前進行處理；②施工前做好大管棚超前支護工作，施作采用跟管鉆進技術，減小因管棚鉆孔引起的變形；③下穿時嚴格采用非爆破開挖，利用破碎錘配合人工修整，嚴格控制施工期間的振動效應，確保圍巖少受擾動；④洞身采用臺階法開挖，嚴格控制開挖進尺，及時進行初期支護，盡早封閉成環，上下臺階錯開距離≤5m；⑤當初期支護通過1根樁基、達到1個二次襯砌循環長度時，須停止掌子面開挖，封閉掌子面，及時澆筑二次襯砌混凝土，強度達到設計強度的80%后，方可進行下一襯砌循環的開挖，且一次、二次襯砌循環不得同時跨越2根樁基；⑥加強對蟠桃宮立交橋樁基沉降、橋梁傾斜等監測，加強地表沉降監測，加強洞內拱頂沉降、水平收斂等監測。

4 現場監測與分析

為確保施工安全，下穿過程中對橋墩沉降及其傾斜進行了跟蹤監測，每一橋墩設沉降監測點與傾斜測點。下穿段橋梁監測點布置如圖7所示。根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》及CJJ 99—2017《城市橋梁養護技術規范》中的相關規定，蟠桃宮立交橋沉降差暫按5mm控制，橋墩整體傾斜按0.001控制(傾斜指基礎傾斜方向兩端點的沉降差與其距離的比值)。當監測數據達到或超過管理基準值時，應立即停止施工，修正支護參數后方能繼續施工。

圖7 橋梁測點布置示意

下穿施工前至下穿施工完成以后各橋墩的差異沉降值變化曲線及傾斜度變化曲線如圖8所示。由圖8a可看出，監測前期，5號與7號橋墩及6號與8號橋墩的差異沉降較大，隨后時間推移迅速減小，而1號與3號橋墩及2號與4號橋墩的差異沉降隨開挖推進由小變大，存在量值約2.3mm且同時間點的突變；監測中期，各橋墩差異沉降值相對平穩，其絕對值保持在4mm以內；監測后期，下穿施工完成后，3號與5號橋墩、4號與6號橋墩及6號與8號橋墩發生同時間點的突變，前兩者差異沉降先增大后減小，后者則相反，期間以4號與6號橋墩差異沉降-4.745mm為最大。

圖8 橋墩差異沉降與傾斜值變化

圖8b表明，各橋墩傾斜率隨施工階段呈差異性變化。施工起始，各橋墩傾斜率差別不大，變化范圍較小，而后3號橋墩傾斜率率先迅速增大，在0.06%附近波動；施工至130d左右時，各橋墩傾斜率明顯拉開，而后以1號、2號和5號橋墩傾斜率較大，其中又以2號橋墩傾斜率0.095 4%為最大；監測末期，1號、2號和5號橋墩傾斜率均有所降低，各橋墩傾斜率也較小。

從監測結果全過程分析可得出，冷開挖法下穿施工引起的橋梁差異沉降及橋墩傾斜均在目標范圍內，滿足預期控制要求。

5 結語

針對貴陽典型的山鎮復雜環境下地鐵下穿既有建(構)筑物的施工難題，在確定采用冷開挖施工方法的基礎上，利用MIDAS GTS NX軟件，模擬了區間隧道左線先行和右線先行2種下穿既有橋梁方案的施工過程，對不同下穿方案施工可能引起的圍巖變形、樁基軸力與橋墩沉降等結果進行了對比分析，發現隧道拱頂距離樁基底部越近時樁基受到的擾動越大，采取先行開挖距離樁基底部較遠的隧道時沉降相對較小。結合工程實際情況，最終確定了左線先行的技術方案，并對施工中橋墩沉降及其傾斜的監測數據進行了分析，認為該方法可減少隧道開挖時對周邊環境的擾動，降低施工風險，保證既有立交橋運營安全。

但在施工中，應著重注意以下兩點：①必須進行超前地質預報，并通過反饋的超前地質預報信息及時指導施工和修正支護參數；②二襯施工必須待隧道初支變化基本穩定后才能進行，并對隧道斷面中心和拱頂高程進行重新復核，控制隧道凈空和線形，減少隧道開挖時對周邊環境的擾動。