新建公路桥梁对既有铁路桥隧的影响分析

徐亚光,曹 文，康圣雨

(1.中国铁路成都局集团有限公司，四川 成都 610031；2.中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

1 工程概况

一新建高速公路桥梁需同时跨越40 m宽城市道路、该道路上空的地铁线高架桥和20 m深的城轨铁路隧道(见图1)。新建高架桥与地铁线及城轨铁路交角为83.8°。因受既有厂房、居民楼影响，新建高架桥采用上下行分离的叠层结构，上下层共6车道设计，单层桥面宽度为16.25 m。上部结构采用(34+60+34)m双层预应力变截面混凝土连续刚构，单层梁高2.1～3.6 m，主梁采用悬臂浇筑施工方案。下部结构采用双层独柱式桥墩，桩基采用4根直径2.8 m的钻孔灌注桩，桩基按嵌岩桩设计。地铁线高架桥梁结构形式为40 m跨单箱单室简支箱梁。城轨铁路隧道为双线分离式矿山法隧道，线间距为29 m，隧道埋深为24.7 m。隧道所处的地层为含砾砂岩，围岩级别为Ⅳ级，采用Ⅳa 级支护形式。

图1 新建高架桥与地铁线高架桥、城轨隧道的关系(单位：m)

高速公路桥梁与地铁高架桥净空高度为9.59 m，桩基距城轨隧道衬砌结构最小水平净距为7.0 m。

2 潜在风险及评估方法

2.1 潜在风险

根据本工程桥梁结构特点、施工工艺和与既有铁路构造物的空间关系，新建高速公路桥梁对既有地铁线高架桥和城轨铁路区间隧道的影响主要包括以下2个方面：

1)新建桥梁施工及运营过程中，由于工程措施不当或高空坠物，对地铁线高架桥造成影响，危及既有桥梁行车安全。

2)新建桥梁桩基施工过程中，由于新增结构自重、振动荷载等因素引起周边土层的变形和应力调整，导致既有隧道沉降和不均匀沉降，严重时使既有隧道衬砌开裂，影响既有隧道衬砌结构安全和城轨交通安全运营。

2.2 评估方法

为明确新建高速公路桥梁施工对既有地铁线高架桥及城轨隧道的影响，识别可能出现的安全、环境等各方面的潜在风险，并针对各种风险提出降低风险的措施，需进行安全影响分析，以达到既有铁路桥梁、隧道运营安全的目的。

根据该工程空间立交关系特点，采用工程类比与有限元程序MIDAS/GTS进行数值模拟计算，以评估新建高速公路桥梁施工及运营对既有铁路桥梁和隧道的影响。

3 安全影响分析

3.1 工程类比[1-2]

根据既有线行车施工安全管理的相关规定，列车通过时，严禁在铁路限界内作业。须搭设专用高压绝缘隔电板或采取专门的防电设施，为铁路和地铁安全行车提供屏障。须对高压接触网线上方限界实施全面电气安全防护。

本工程跨越地铁线为高架桥结构形式，地铁轨面距离新建桥梁底面最小距离为9.59 m，接触网杆距离桥底面最小距离为3.04 m。地铁接触网高压线电压为 1 500 V。参考同类新建桥梁上跨既有运营铁路工程防护措施及既有线行车施工安全管理的相关规定，采用钢结构排架防护棚和专用防电板进行防护，可满足地铁行车运营的安全。

3.2 数值模拟计算

由于岩土工程的复杂性及差异性，经验方法与解析方法往往缺乏通用性，其结果的准确性很难得到保证。数值模拟分析方法可以考虑地层条件、空间条件、辅助工法等外在因素的影响，可以较真实地模拟桥梁施工对运营地铁隧道的影响，在接近隧道施工安全评估中得到广泛应用[3-4]。

新建桥梁桩基距城轨隧道左线最小距离为7.0 m，距离城轨隧道右线最小距离为8.0 m。因此本文采用三维空间模型进行数值计算分析。模型x方向取100 m，模型竖向即z向取60 m，模型中城轨隧道埋深28.8 m，模型y方向取50 m。模型中隧道衬砌以板单元模拟，桩以梁单元模拟，桩与土体之间以及桩端设置界面接触，模型共划分 219 595 个单元，41 162 个节点。有限元数值计算分析模型如图2所示。

图2 数值计算分析有限元模型

3.2.1 隧道围岩分析

桩基施工过程中会在隧道围岩内引起附加的弯矩、剪力及轴力，会产生水平向和竖向位移变形[5]，其中最大水平位移为5.3 mm，隧道围岩的竖向沉降值为11 mm，隧道围岩的水平变形如图3所示。隧道围岩产生的最大主应力为6.44 MPa，如图4所示。

图3 城轨隧道围岩位移(单位：m)

图4 隧道围岩地层主应力(单位：kPa)

3.2.2 隧道结构分析

隧道结构最大水平位移约为0.2 mm，出现在隧道结构内侧墙处。左右线隧道结构最大沉降值基本相同，其中左线隧道最大沉降值为1.14 mm，右线隧道最大沉降值约为1.12 mm，均出现在隧道拱顶偏下的位置处。隧道仰拱的下沉降量约为0.7 mm，城轨隧道结构衬砌水平变形如图5所示。城轨隧道结构衬砌的最大主应力为2.96 MPa，如图6所示。

图5 城轨隧道结构变形(单位：m)

图6 隧道结构最大主应力

3.2.3 桩基结构位移

数学建模是数学知识与数学应用的桥梁。因此，教学中教师要以建模的意识对待和处理教学内容。教师应从学生已有的生活经验出发，让学生亲身经历将实际问题抽象成数学模型并进行解释与运用的过程，进而使学生在获得对数学理解的同时，在思维能力、情感态度与价值观等多方面得到进步和发展。现以人教版三上“用乘除法解决两步计算的实际问题”为例，探讨教学中教师应如何让“建模思想”落实在课堂中。

在内力的作用下新建高架基桩会产生竖向的压缩变形和水平向的位移变形。经计算，基桩的桩端竖向压缩变形值最小为5 mm，而基桩桩顶的竖向压缩值为10.5 mm，与承台的竖向变形一致，基桩的水平向位移值最大为4.2 mm。

3.2.4 数值分析结果

计算结果表明，隧道围岩产生的最大主应力为6.44 MPa，城轨隧道结构衬砌产生的最大主应力为2.96 MPa。高架桥施工对既有城轨隧道结构影响很小，其中隧道结构最大沉降值约为1.1 mm，隧道结构产生的最大水平向位移更小，约为0.2 mm。表1 为新建高架桥桩基施工引起的城轨隧道结构变形。

表1 新建高架桥桩基施工引起的城轨隧道结构变形 mm

注：x方向为垂直于城轨隧道轴线方向,y方向为平行于城轨隧道轴线方向,z方向为竖直方向；正值为隆起变形，负值为沉降变形。

3.3 桥梁施工振动的影响

桥梁施工振动的影响主要表现为桥梁桩基施工引起的地层振动对城际铁路隧道结构的影响[6]。

交通隧道振动安全允许质点振动速度与施工振动频率有关，考虑到城际铁路为高速铁路，其允许质点振动速度V取规程中的最小值，即V=10 cm/s。

嵌岩桩一般采用冲击钻或者旋挖机施工，其中旋挖机产生的振动较小，而冲击钻引起的振动较大[7-8]。如果冲击钻产生的振动能够满足铁路隧道安全运营的要求，则旋挖机产生的振动也必然满足要求，故以冲击钻施工为例分析施工振动对铁路的影响。冲击钻施工引起的振动速度会随着冲击能量和距离的变化而变化。在冲击钻施工下，震源会产生一种向四周辐射的弹性振动波，即地震波。在岩土中传播时，地震波由震源向介质四面传播，随着传播距离的增加波前面积越来越大，即地震波在传播介质中进行了几何扩散，而震源形成的固定能量分布在面积不断增大的波前面上，导致地震波的振幅随着传播距离的增大而减弱。此外，在地震波的传播过程中，其质点间的相互摩擦造成了振动能量的损耗，而由于介质的不均匀性，造成地震波在传播过程中产生能量的不规则漫射，导致了地震波能量的减弱。因此，在冲击钻施工下产生的振动在传播过程中会随着传播距离的增大而逐渐衰减。

冲击钻施工引起的周边建筑物振动速度可采用下述经验公式估算

v=K·r-β

各桥墩桩基与城际铁路隧道初支结构的最小净距为7.0 m。不同冲击钻冲程引起的城际铁路隧道结构振动速度见表2。可知，隧道结构振动速度最大值为0.53 cm/s。

表2 不同冲击钻冲程引起的隧道结构振动速度

尽管按GB 6722—2014《爆破安全规程》交通隧道的安全振动速度可以取10 cm/s，考虑到铁路列车对振动的严格要求，以及国内并无铁路附近施工的相关规程，通过查阅相关研究文献及工程类比，桥梁上跨铁路隧道段设计中确定爆破震动安全允许振速为2 cm/s。本工程计算结果表明，各桥墩桩基如果采用冲击钻施工，冲击钻施工引起的振动速度最大值为0.53 cm/s，满足规范和设计要求。为了进一步控制桩基施工引起的振动，可采用旋挖工艺，其施工引起的振动速度将小于0.53 cm/s。

3.4 安全风险分析

3.4.1 上跨既有线地铁高架桥施工的潜在风险

跨越既有地铁线路进行桥梁施工时，施工也对高速行驶的列车安全、施工结构物和施工作业产生影响[9-10]。根据公路桥梁上跨既有地铁线施工相关要求，结合工序作业特点、环境条件等致险因子，其可能存在的重大风险事件包括：①桥梁基础开挖引起地铁桥梁基础的稳定问题；②机械设备侵占既有线路限界；③坠落物威胁接触网线和列车安全；④基础施工影响地铁通信信号光缆以及与行车相关的供水、供电管线等设施安全；⑤高速列车通过时诱导气流会对附近的结构设施、设备产生非常大的作用力；⑥桥梁施工引发的触电伤亡及接触网损坏事故；⑦作业时人身伤害事故。

3.4.2 上跨既有城轨隧道

城轨隧道为双线分离式矿山法隧道，隧道埋深为28.8 m。隧道所处的地层为含砾砂岩，围岩条件较好。因新建高架桥横跨既有隧道，且隧道埋深大，桥梁施工对隧道影响较小，仅在桥梁桩基础施工阶段对隧道有一定的影响。该方案桥梁桩基距离隧道净距最小距离为7.0 m，桩基为嵌岩桩，因此可以保证基础施工过程中隧道结构的受力安全。

4 结论

1)新建桥梁与地铁线高架桥竖向净空不小于7.5 m，满足净空要求。目前桥梁现浇箱梁挂篮施工工艺成熟，在跨越既有地铁线高架桥时，采取必要的防护措施后，安全风险可控。

2)新建桥梁桩基与隧道衬砌结构距离7.0 m，桩基施工引起隧道结构最大沉降值为1.1 mm，最大水平向位移值为0.2 mm，对隧道结构受力影响很小。根据GB 50911—2013《城市轨道交通工程检测技术规范》第9.3.5条，隧道结构沉降累积限值为3～10 mm，隧道结构水平位移限值为3～5 mm。因此，新建桥梁桩基施工对隧道影响满足要求。