北京地铁新机场线下穿京沪高速铁路特大桥施工安全控制研究

武俊杰

(中铁二十三局集团第六工程有限公司， 重庆 400012)

随着我国城市建设的迅猛发展，城市轨道交通在给人们的出行带来便利的同时，其线路施工空间也面临极大挑战。在保证既有结构正常运营的同时，施工中如何有效采取防护措施成为近接隧道研究的关键。

近年来的主要研究有：对下穿车站工程的施工方案优选与安全性评估[1-3]，对近接桩基、墩柱等的影响分区研究[4-6]，下穿近接工程对既有结构的变形控制技术、现场监测沉降规律、力学影响规律研究[7-8]等。但对隧道暗挖下穿运营高速铁路大桥的施工安全研究较少，因此本文依托北京地铁新机场线下穿京沪铁路特大桥工程，对桥梁墩柱位移控制技术与隧道结构安全进行研究，以确保新建隧道地铁施工时既有铁路桥梁的安全运营及隧道施工的有序进行。

1 工程概况

1.1 工程地质

根据详勘资料，揭露地层最大深度为55.0 m。根据收集资料、钻探资料及室内土工试验结果，按地层沉积年代、成因类型，将本区段工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层、新近沉积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层和新近纪沉积层4大类。

1.2 线路概况

北京新机场折返线区间左右线分别于ZK 43+705～ZK 43+736、YK 43+716～YK 43+749段下穿北京特大桥，既有京沪高铁里程为K 3+924.87～K 3+990.50，对应京沪高铁北京特大桥12号墩～14号墩。新机场折返线与既有京沪高铁上下行交叉，左线中心线与京沪高铁上下行交叉里程为K 3+974.15，右线中心线与京沪高铁上下行交叉里程为K 3+941.09。其平面位置关系如图1所示。

图1 工程平面位置关系示意图

1.3 墩柱与隧道位置关系

京沪高速铁路为国家一级铁路，设计速度350 km/h，采用无砟轨道，双线辅轨，地铁隧道下穿位置为柳村线路所站内道岔区，现状为3股道线(京沪铁路上下行、1条安全线)，路基南测填方高约1.5 m，北侧基本与地面齐平。京沪高速铁路北京特大桥与地铁隧道交叉部位对应特大桥12号～14号墩柱结构，其中新建隧道与邻近墩柱位置关系示意图如图2所示。

图2 新建隧道与墩柱关系图

1.4 隧道设计概况

北京新机场折返线一期工程下穿北京特大桥区间左右线均为马蹄形单洞单线暗挖断面，采用CRD法+深孔注浆开挖，开挖断面总宽8.9 m，总高9.09 m，下穿铁路位置覆土约11 m。左右线隧道分别从相邻两跨桥梁下穿过，隧道与基础桩平面最小距离为8.41 m，隧道底位于桩底以上约7.8 m。隧道在穿越铁路桥梁施工前采用深孔注浆加固地层，减小开挖对桩基周边土体的扰动，施工时遇粉细砂层，对掌子面进行注浆加固，隧道采用CRD法施工，初衬厚度30 cm、二衬厚度45 cm。

1.5 下穿施工防护措施

地铁隧道左右线具体防护措施如表1所示，防护措施横断面如图3所示。

表1 隧道防护措施表

图3 横断面加固示意图

2 研究情况

2.1 变形控制标准

铁路的安全评估一般从结构及附属设施变形、结构强度及稳定性等方面来考虑，且一般采用变形作为主要控制指标。根据铁路现状及周边设施，参考国内类似工程经验并结合理论计算分析，制定本工程变形控制指标及标准。

根据TB 10621-2014《髙速铁路设计规范》规定，墩台顶竖向位移限值2 mm，单墩最大沉降不超过20 mm限值，桥梁结构相邻墩差异沉降不超过5mm；根据TB 10182-2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》规定，墩台顶纵向水平位移限值为2 mm，横向水平位移限值为2 mm[9-10]。

2.2 计算模型

模型以沿铁路桥方向为X轴；垂直铁路桥方向为Y轴；竖直方向为Z轴。为消除计算边界效应的影响，考虑施工过程中的空间效应，计算模型取其有效影响范围，即模型沿X方向取200 m，沿Y方向取90 m，土层总深度50 m。

模型建模思路为首先建立各土层、既有京沪高铁桥墩、承台、桩基，将上部结构荷载加在墩顶，以此作为初始阶段；然后建立防护桩、横撑、隧道、二次注浆土体等，并根据施工阶段激活或钝化相应单元及荷载，计算防护桩施工、隧道暗挖施工(采用CRD法)、二次注浆加固施工、隧道运营对既有铁路桥梁基础的影响。计算模型如图4所示。

图4 计算模型

2.3 施工步骤

以实际施工顺序为准，计算模型模拟施工步骤如图5所示。

图5 施工步骤图

(1)第一步：施作左侧拱部深孔注浆加固地层。开挖拱顶上部洞室①，并施作初期支护。封闭成环及时进行初支背后注浆。

(2)第二步：施作洞室②左侧深孔注浆，上下台阶法开挖左侧下部洞室②，并施作初期支护。掌子面前后错开一定距离。

(3)第三步：施作右侧拱部深孔注浆加固地层。上下台阶法开挖洞室③，并施作初期支护。

(4)第四步：施做洞室④右侧深孔注浆，上下台阶法开挖右侧下部洞室④，并施作初期支护。掌子面前后错开一定距离。

(5)第五步：凿除第一层格栅中隔壁间混凝土，穿过第二层初支格栅，铺设钢筋网，施工第二层初支。

(6)第六步：第二层初支达到强度，地表沉降监测结果趋于稳定后分段拆除中隔板、中隔壁，敷设防水层，浇注二衬，完成隧道二衬结构。

2.4 计算参数

本文主要物理力学参数如表2所示。

表2 计算参数

注：h、E、c、φ和γ分别代表材料厚度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角和重度；调压站基础之间用接触面来模拟

3 研究结果分析

3.1 墩柱位移分析

(1)竖向沉降

根据计算模型提取的各阶段铁路桥梁基础沉降数据，将每个基础对应的独立墩柱A、B、C号桥墩的沉降值与相应差异沉降极值汇于表3。

表3 墩台最大竖向变形值及差异沉降值(mm)

由表3可知，在施工过程中11号墩的沉降极值出现在A墩上，为9.665 mm；12号墩的沉降极值出现在C号墩上，为9.985 mm；13号～15号墩的沉降极值均出现在B墩上，分别为10.763 mm、10.882 mm、9.664 mm。由此可见，随桥墩与新建隧道距离的减小，桥墩的沉降值逐渐增大，桥墩沉降最大值为10.882 mm，满足规范要求的单墩最大沉降不超过20 mm限值。横向水平差异沉降出现在14号C号墩与15号C号墩之间，最大差异沉降值为1.220 mm，纵向水平差异沉降出现在13号A号墩与13号B号墩之间，最大差异沉降值为0.058 mm，均满足规范要求的桥梁结构相邻墩差异沉降不超过5 mm限值。

(2)水平位移

根据计算模型提取各阶段桥墩纵向水平变形数据，将每个基础对应的独立墩柱A、B、C号桥墩的纵向水平位移值如表4所示，横向水平位移值如表5所示。

表4 墩台最大纵向水平位移值(mm)

注：纵向水平变形正值为变形指向隧道小里程，负值为变形指向隧道大里程

表5 墩台最大横向水平位移值(mm)

注：纵向水平变形正值为变形指向桥梁小里程，负值为变形指向桥梁大里程

由表3与表5可知，14号墩的纵向水平极值出现在B墩上，为1.464 mm，其余均出现在A号墩上，分别为-0.303 mm、-1.544 mm、-0.081 mm、0.303 mm，可见桥墩纵向水平位移随距新建隧道的距离的减小而增大，桥墩纵向水平位移极值为-1.544 mm。14号墩的横向水平极值出现在B墩上，为-0.554 mm，其余均出现在A号墩上，分别为-0.074 mm、-0.616 mm、-1.014 mm、0.074 mm，可见桥墩横向水平位移随距新建隧道的距离的减小而明显增大，桥墩纵向水平位移极值为-1.014 mm。

3.2 隧道结构内力分析

(1)轴力与弯矩

根据计算模型针对施工期间产生的附加力，计算新建机场线暗挖隧道第一层初支结构防护前后的轴力、弯矩，相应监测断面内力图如图6、图7所示。

图6 断面轴力图(kN)

图7 断面弯矩图(kN·m)

由图6、图7可知，随着开挖的进行，先开挖步的初支结构内力普遍大于后开挖步的内力，且采取防护措施后隧道初支结构轴力与弯矩均明显下降，轴力极值均出现在仰拱处，分别为防护前-190.42 kN、防护后-165.46 kN；未采取防护措施时初支结构弯矩对值极值出现在拱顶位置，为11.92 kN·m，防护后初支结构弯矩绝对值极值出现在仰拱位置，为4.34 kN·m。

(2)安全系数

根据初支结构内力数据，处理计算所得结构相应最小安全系数，如图8所示。提取各监测点最小安全系数如表6所示。

图8 断面安全系数图

位置未防护防护增大百分比/%拱顶5.06 38.33 657.51右拱肩86.84 372.59 329.4右边墙18.12 104.61 477.32右拱脚130.05 342.40 163.28仰拱38.97 44.01 12.93左拱脚121.71 98.39 -19.16左边墙272.45 324.62 19.15左拱肩116.94 1 083.80 826.8

由图8与表6可知，采取防护措施后安全系数明显提高，断面安全系数最小值均出现在拱顶位置，分别为防护前5.06，防护后38.33。左拱肩位置安全系数提高效果最为显著，相对未防护提高了826.8%。采取防护措施后使得施工满足当地安全控制标准。

4 结论

采取防护措施不仅有效控制了既有特大桥墩柱的变形，且显著提高了隧道结构的安全稳定性：

(1)桥墩柱的位移值随其与新建隧道距离的减小而增大，13号B号墩的沉降值最大，为70.882 mm；最大差异沉降出现在14号C号墩与15号C号墩之间，为1.220 mm；12号A号墩的纵向水平位移值最大，为-1.544 mm；13号A号墩的横向水平位移值最大，为-1.014 mm，变形值均在规范允许范围内。

(2)隧道结构仰拱处轴力最大，为-190.42 kN·m，采取防护措施后，最大轴力减小为165.46 kN；采取防护措施后，弯矩绝对值极值由11.92 kN·m减小为4.34 kN·m；最小安全系数由防护前的5.06增大到防护后的38.33，左拱肩处提高最为显著，相对未防护提高了826.8%。

(3)由位移及内力可知，通过采取管幕防护和中隔壁防护措施，才使得施工满足当地安全控制标准。