山地城市暗挖隧道近距离下穿桥梁施工技术研究与应用

李凌宜，赵 明

(北京市政路桥股份有限公司，北京 100068)

0 引言

近年来，随着城市轨道交通建设的发展，地下暗挖隧道施工越来越普遍，近距离下穿城市桥梁等既有建(构)筑物暗挖施工更是比比皆是。在隧道下穿桥梁过程中，隧道的开挖引起周边围岩应力释放，扰乱原有地应力场的分布，进而引发地层变形对邻近桥桩的扰动，从而威胁桥梁使用和安全[1]，甚至可能诱发安全事故。

针对地铁隧道下穿建(构)筑物施工及其对邻近桩基的影响问题，国内外学者采用数值模拟、理论分析和模型试验等方法进行了广泛研究。Lee等[2]采用数值模拟方法从整体上研究了桩-土-隧道三者之间的作用特征，分析了隧道施工对邻近桩基位移及内力的影响。李兆平等[3]探讨了地铁工程邻近桥梁施工的风险等级划分方法，并给出相应桥基加固保护对策。陶连金等[4]对国内隧道近接施工的特点、施工工法及沉降控制措施等进行了研究，对不同施工方法的适用性、主要影响因素、施工步序的变形分配进行了分析。总体来说，关于地铁隧道下穿桥梁等既有建(构)筑物及其对邻近桩基的影响方面已有较多研究，但由于问题的复杂性，加之不同地区工程地质条件的差别，目前的研究还很不成熟。

目前，在地表建筑物林立的城市环境下进行浅埋隧道掘进施工时，对于下穿地表抗震等级低的建(构)筑物困难地段，或不允许产生爆破振动地段，冷开挖往往成为一种不得不选用的手段。冷开挖就是非爆破措施的机械开挖，在下穿、侧穿高层建筑、市政道路、河流、桥梁等安全风险高的环境下，冷开挖对围岩扰动小，有利于周边围岩的自稳性，有效控制沉降，安全性高。但冷开挖方式方法繁多，为保证施工安全，寻求对于山地城市地铁隧道近距离下穿城市桥梁施工的最优冷开挖方案也成为工程首要解决的问题。

1 工程概况

贵阳市轨道交通2号线为南北-东西-南北向骨干线，线路跨越新老城区，周边环境复杂。而贵阳市地处云贵高原，奇特的喀斯特地貌大量分布，属于以山地、丘陵为主的丘原盆地地区，地质条件复杂，岩溶富水、断层发育。本文中省医站—观水路站区间位于南明区，下穿蟠桃宫立交桥段，隧道拱顶埋深18m，隧道采用全断面开挖，洞身岩层处于中风化白云岩，岩体等级为Ⅳ～Ⅴ级，地下水发育，岩溶中等～强烈发育，拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破振动过大易坍塌。蟠桃宫立交桥桩基、墩柱及桥面结构为C30混凝土，右隧拱顶距桥墩基底2.35m，3号桩距右隧中线1.5m，4号桩距右隧中线3.3m；左隧拱顶距桥墩基底6.5m，5号桩距左隧中线0.2m，6号桩距左隧中线4.6m，具体平面图、断面如图1，2所示。

图1 省医站—观水路站区间下穿蟠桃宫立交桥平面(单位：m)

图2 左、右线隧道下穿桥桩横断面(单位：m)

2 施工方案理论分析

针对地铁隧道下穿立交桥施工，为解决采用常规钻爆法施工扰动大、风险高，社会影响大的突出问题，施工前经过现场勘察与分析，分别对劈裂机开挖、化学法(膨胀剂)开挖、破碎锤开挖等多种冷挖方式进行分析比较，最终确定采用潜孔钻+破碎锤配合人工的冷开挖方式，必要时辅以CO2欲裂岩体，避免爆破荷载影响，减缓应力释放过程，最大限度降低区间隧道下穿施工对立交桥运营安全的影响。同时，采用数值模拟方法对增加大管棚超前支护与减少开挖进尺(左隧0.5m、右隧0.35m)情况下左线先行(方案1)和右线先行(方案2)2种下穿方案的施工扰动效应进行分析探究。

2.1 建立模型

为消除边界尺寸对数值试验结果的影响，取三维地质模型x，y，z方向边界长度分别为80，72，52m。模型中，围岩采用实体单元进行模拟，管棚加固区通过改变围岩属性实现；初期支护、临时支撑、二次衬砌和桥面采用板单元进行模拟，盖梁、桥墩、系梁和桥桩利用梁单元进行模拟，桩、土间的相互作用以界面单元和桩端单元模拟。模型四周立面与底部边界面采用法向位移约束，地表设置为自由边界面，模型如图3所示。

图3 下穿段三维模型(单位：m)

两种方案中各施工步紧密衔接，左线和右线下穿段每次进尺分别为0.5，0.35m，其余区段每次进尺3m，先行隧道下穿段二次衬砌浇筑完成后开始后行隧道下穿段开挖。

2.2 确定材料参数

根据工程地质勘察报告及工程经验，大管棚超前支护范围内岩层c，φ，E值依据文献资料及取原围岩相应值的1.2倍，其余参数保持不变，其折算后的力学参数及桥梁相关计算参数如表1所示。

2.3 数据结果分析

2.3.1地表沉降与拱顶沉降

2种方案下穿施工完成后的地表沉降云图和距起始开挖面(y=0)不同距离下的隧道拱顶竖向位移变化曲线如图4，5所示。由图4可知，方案1施工引起的地层沉降量大多处于0.176 3～2.056mm，方案2施工引起的地层沉降量大多处于0.177 8～2.055mm；此外，2种下穿方案施工完成后，桥桩附近土层沉陷均较大而其他区域沉降量相对较小且沉陷均沿桥桩横向连线(与行车道垂直)大致呈片状分布，以左线上部5号桩周边土层沉降最大，沉降量达13.22mm。

表1 结构物理力学参数

图4 地表沉降

图5 拱顶沉降

由图5可看出，一方面，同一下穿方案下，左线隧道与右线隧道拱顶沉降规律基本一致，整体呈“山峰”状凸起，两侧沉降值较大而峰顶沉降值较小，而峰顶位置均位于下穿段，这说明增加超前大管棚支护并减少开挖进尺可降低下穿施工引起的拱顶沉降量。另一方面，不同下穿方案下，同一隧道拱顶沉降规律一致，仅沉降量存在差别，具体表现为先行隧道拱顶沉降量较小：方案1施工引起的左隧拱顶沉降量小于方案2，而方案2施工引起的右隧拱顶沉降量小于方案1。此外，不同下穿方案下，左隧拱顶沉降量始终较小，当左线先行时，左隧拱顶沉降全段均值为0.957mm，其中下穿段拱顶沉降均值为0.894mm，分别占右线相应区段拱顶沉降均值的90.48%和90.22%；当右线先行时，右隧拱顶沉降全段均值为1.037mm，其中下穿段拱顶沉降均值为0.973mm，比左隧相应区段拱顶沉降均值均多出约0.060mm。

2.3.2桩基轴力与桥墩沉降

2种下穿方案施工完成后的桩基轴力如图6所示，从图中可看出，不同下穿方案施工引起的桩基轴力无论是大小或分布规律均几乎一致。其中，方案1和方案2皆以右隧上方3号与4号桥桩中部及以上位置轴力最大，最大轴力值分别为3 905，3 906kN。

图6 桩基轴力

为直观反映下穿施工完成后的桥墩最终沉降及其差异沉降，将其汇总列于表2。需要说明的是，桥墩横向差异沉降指与行车道垂直方向上两桥墩的沉降差，如表2中-0.151mm为1号桥墩与2号桥墩的沉降差；纵向差异沉降指沿行车道方向，相邻奇数或相邻偶数桩号的沉降差，如-2.012mm为1号桥墩与3号桥墩的沉降差。

表2 桥墩最终沉降及差异沉降 mm

由表2可看出，在桥墩沉降方面，同一下穿方案施工引起的各桥墩最终沉降量均以左隧上部5号桥墩与6号桥墩较大，且方案2中5号桥墩与6号桥墩最终沉降量更大。在差异沉降方面，2种方案施工引起的横向沉降差均较小而纵向沉降差较大，这是因为盖梁和系梁将横向桥墩连接为一个整体，受力体系较好；此外，方案2中的桥墩差异沉降与方案1同项相比多数略大或持平。

根据数值模拟计算结果，两种下穿方案施工引起的地表沉降、拱顶沉降、桩基轴力、桥墩沉降与差异沉降差别不大，出于桥梁运营安全考虑，为尽可能减少下穿施工对桥梁的影响，现场选用桥墩沉降与差异沉降较小的方案1进行施工，即先进行左隧下穿段施工，其二次衬砌施工完成后，再进行右隧下穿段施工。另外，左线隧道与桥桩距离稍大，先行开挖可为后续桩隧距离更近、施工难度更大的右隧下穿施工积累经验，提供施工反馈。

3 施工控制技术要点

考虑到数值计算时假定岩(土)体材料为均匀和各向同性的连续介质，忽略了岩(土)体中的节理、裂隙等材料力学行为及施工过程中行车与爆破扰动等荷载影响，且施工现场周边环境与工程地质复杂，岩溶中等～强发育。因此，为保证施工安全，顺利完成下穿施工，决定在方案1的基础上，采用冷开挖法进行施工，避免爆破荷载影响，减缓应力释放过程，最大限度降低区间隧道下穿施工对立交桥运营安全的影响。开挖时，首先利用潜孔钻在掌子面上钻孔，然后利用破碎锤配合人工修整。钻孔间距25～30cm，采用梅花形布置。

施工要点为：①施工前按要求开展超前地质预报工作，重点探测前方地下水及岩溶发育情况，避免开挖掌子面前方及上部出现溶腔充水造成开挖洞内涌水、涌泥现象，及时发现风险隐患并提前进行处理；②施工前做好大管棚超前支护工作，施作采用跟管钻进技术，减小因管棚钻孔引起的变形；③下穿时严格采用非爆破开挖，利用破碎锤配合人工修整，严格控制施工期间的振动效应，确保围岩少受扰动；④洞身采用台阶法开挖，严格控制开挖进尺，及时进行初期支护，尽早封闭成环，上下台阶错开距离≤5m；⑤当初期支护通过1根桩基、达到1个二次衬砌循环长度时，须停止掌子面开挖，封闭掌子面，及时浇筑二次衬砌混凝土，强度达到设计强度的80%后，方可进行下一衬砌循环的开挖，且一次、二次衬砌循环不得同时跨越2根桩基；⑥加强对蟠桃宫立交桥桩基沉降、桥梁倾斜等监测，加强地表沉降监测，加强洞内拱顶沉降、水平收敛等监测。

4 现场监测与分析

为确保施工安全，下穿过程中对桥墩沉降及其倾斜进行了跟踪监测，每一桥墩设沉降监测点与倾斜测点。下穿段桥梁监测点布置如图7所示。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》及CJJ 99—2017《城市桥梁养护技术规范》中的相关规定，蟠桃宫立交桥沉降差暂按5mm控制，桥墩整体倾斜按0.001控制(倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值)。当监测数据达到或超过管理基准值时，应立即停止施工，修正支护参数后方能继续施工。

图7 桥梁测点布置示意

下穿施工前至下穿施工完成以后各桥墩的差异沉降值变化曲线及倾斜度变化曲线如图8所示。由图8a可看出，监测前期，5号与7号桥墩及6号与8号桥墩的差异沉降较大，随后时间推移迅速减小，而1号与3号桥墩及2号与4号桥墩的差异沉降随开挖推进由小变大，存在量值约2.3mm且同时间点的突变；监测中期，各桥墩差异沉降值相对平稳，其绝对值保持在4mm以内；监测后期，下穿施工完成后，3号与5号桥墩、4号与6号桥墩及6号与8号桥墩发生同时间点的突变，前两者差异沉降先增大后减小，后者则相反，期间以4号与6号桥墩差异沉降-4.745mm为最大。

图8 桥墩差异沉降与倾斜值变化

图8b表明，各桥墩倾斜率随施工阶段呈差异性变化。施工起始，各桥墩倾斜率差别不大，变化范围较小，而后3号桥墩倾斜率率先迅速增大，在0.06%附近波动；施工至130d左右时，各桥墩倾斜率明显拉开，而后以1号、2号和5号桥墩倾斜率较大，其中又以2号桥墩倾斜率0.095 4%为最大；监测末期，1号、2号和5号桥墩倾斜率均有所降低，各桥墩倾斜率也较小。

从监测结果全过程分析可得出，冷开挖法下穿施工引起的桥梁差异沉降及桥墩倾斜均在目标范围内，满足预期控制要求。

5 结语

针对贵阳典型的山镇复杂环境下地铁下穿既有建(构)筑物的施工难题，在确定采用冷开挖施工方法的基础上，利用MIDAS GTS NX软件，模拟了区间隧道左线先行和右线先行2种下穿既有桥梁方案的施工过程，对不同下穿方案施工可能引起的围岩变形、桩基轴力与桥墩沉降等结果进行了对比分析，发现隧道拱顶距离桩基底部越近时桩基受到的扰动越大，采取先行开挖距离桩基底部较远的隧道时沉降相对较小。结合工程实际情况，最终确定了左线先行的技术方案，并对施工中桥墩沉降及其倾斜的监测数据进行了分析，认为该方法可减少隧道开挖时对周边环境的扰动，降低施工风险，保证既有立交桥运营安全。

但在施工中，应着重注意以下两点：①必须进行超前地质预报，并通过反馈的超前地质预报信息及时指导施工和修正支护参数；②二衬施工必须待隧道初支变化基本稳定后才能进行，并对隧道断面中心和拱顶高程进行重新复核，控制隧道净空和线形，减少隧道开挖时对周边环境的扰动。