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地铁区间隧道侧穿铁路桥梁桩基设计

发表时间：2020/12/25 来源：《基层建设》2020年第24期作者：王炜龙

[导读] 摘要：随着我国经济的快速发展，城市轨道交通工程也取得了耀眼的发展，但在建设过程中仍存在技术问题。

        浙江大学建筑设计研究院有限公司浙江杭州 310012
        摘要：随着我国经济的快速发展，城市轨道交通工程也取得了耀眼的发展，但在建设过程中仍存在技术问题。隧道的施工会对地表及周围建筑物产生影响，因此科学合理的施工对隧道工程具有现实意义。本文通过某工程的数值模型计算，分析了地铁隧道侧跨对桥梁桩基的影响以及对桥梁桩基和隧道衬砌结构的影响，并提出了侧跨隧道的技术措施。
        关键词：区间隧道；侧跨；桥梁桩基；技术措施
        1、工程总体概述
        随着我国地铁交通建设技术的不断发展，城市地铁隧道建设项目越来越多。基坑开挖对周围土体的扰动会引起邻近地铁隧道的变形。结合地铁隧道的运营特点，可以发现引起隧道变形的因素比较复杂，包括相邻地铁隧道的装卸、区域地面沉降、列车振动、地质条件的变化、隧道间的交叉施工等。
        基坑开挖会破坏原有的稳定土地，改变周围土体的应力场，容易引起隧道结构的变形。对于运营地铁隧道，地铁隧道的允许变形范围相对较小，因此在基坑施工和工程设计过程中，有必要充分考虑附近地铁隧道的施工情况和可承受的土体扰动。根据隧道结构的稳定性，合理选择基坑开挖位置。例如隧道结构两侧开挖时，坑壁土体的变形容易引起隧道结构的水平位移。如果基坑开挖在隧道结构上方，则由于隧道覆盖的土体重量减轻，隧道容易浮起，产生较大的竖向变形。在基坑开挖的实际过程中，还需要考虑地下水位变化和爆破振动对隧道结构的影响。下面结合具体实例说明地铁隧道侧跨铁路桥梁桩基设计。
        1.1铁路隧道介绍
        某城市地铁暗挖区间隧道下穿既有铁路桥梁，两线交角约68°。既有铁路为客运专线，区间右线与桥梁6#桥墩相邻，隧道开挖轮廓与桥梁桩基平面距离约8.8m。
        1.2地质调查
        隧道下穿段为Ⅴ级围岩，地层主要为第四系素填土和三叠系泥质白云岩。素填土：杂色，由人工回填的碎石和红粘土组成。泥质白云岩：强风化，裂隙极发育，完整性差；中风化，对岩石结构破坏较小，裂隙较发育。地下水类型主要为松散层孔隙水和基岩裂隙水。
        2、区间隧道侧穿桥梁桩基影响分析
        2.1计算模型
        隧道模拟采用二维地层结构计算模型。计算范围从地面到隧道底部28m，左桥基础中心线28m，右隧道中心线18m。列车荷载参照《铁路桥涵设计基本规范》，静荷载综合值为q=82kn/m。
        2.2计算结果分析
        隧道开挖最大位移发生在隧道的仰拱上，最大竖向位移为3.6 mm，最大侧向位移约为1.6 mm，最大地表沉降约为1.1 mm，桩基础最大竖向位移约为0.2 mm。隧道开挖后，拱顶沉降小于《城市轨道交通工程监测与控制技术规范》（GB 50011-2013）规定的控制目标值，根据相关下穿经验，综合确定相关标准为：最大沉降隧道顶部为11mm，地表沉降为8mm，桥基沉降为6mm。可见，计算结果均满足要求。
        2.3区间隧道结构安全分析
        采用荷载-结构模型模拟二次衬砌与围岩的相互作用。采用弹性梁单元模拟二次衬砌。衬砌段厚0.45M，主筋φ20@200采用径向弹簧单元模拟二次衬砌、一次支护与围岩的相互作用。根据《深埋和浅埋隧道规范》的计算规定，隧道按浅埋隧道计算。计算中考虑二次衬砌承受全部围岩压力，围岩压力按《隧道规范》附录E中浅埋隧道衬砌作用（荷载）法计算，水位在地面线以下6.4m，静水压力直接作用于二次衬砌。衬砌结构荷载计算结果如下：竖向压力q=342.4kpa，水平压力e=68.50kpa，水平压力e=104.8kpa，水压p=79.4kpa，水压p=150.2kpa。
        对二次衬砌结构施加计算荷载，取拱顶、拱腰、拱脚、墙腰、墙脚、仰拱的轴力、剪力和弯矩，对结构配筋和裂缝进行验算。

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结果表明，二次衬砌段厚度为0.44m，主筋为φ20@200结构衬砌各部位安全系数符合规范要求，裂缝验算符合规范要求。
        3、侧穿桥梁桩基段隧道技术措施
        结合以上数值模拟计算，具体技术措施为：在隧道拱度120°范围内，采用φ42超前注浆小导管注浆，初喷混凝土厚度为25cm，钢架全环设i-18钢架；二次衬砌是44厘米厚的C35防水钢筋混凝土，考虑到隧道施工对桥梁桩的振动因素的影响，为了保证桥梁桩基的绝对安全，采用人工机械开挖桥桩附近的部分，以避免常规爆破开挖的影响。桥桩振动；当该路段下穿时，应加强对桥桩与隧道间地表及围岩及隧道围岩的监测，当桥面侧向变形超标时，应通知有关各方停止施工如果侧向位移超过标准。地表可采用φ89钢管花管注浆隔离的应急方案，施工时应进行第三方监测，并制定专项监测方案。如发现异常情况，应立即采取措施确保安全，暂停施工。同时，应立即通知有关单位解决，避免隧道施工对既有公路路面和结构造成损坏。
        4、地铁区间隧道侧穿铁路桥梁桩基设计的施工建议
        隧道开挖中的地基沉降、隧道收敛和桥梁桩基位移均必须满足规范要求，隧道衬砌结构各部分的安全系数和裂缝验算也必须满足规范要求。考虑到隧道施工中振动因素对桥梁桩基的影响，采用人工机械挖掘梁桩基附近的截面，以避免常规爆破开挖振动对桥梁桩基的影响。施工中应加强隧道内外超前地质预报和监测测量，及时调整优化工程措施，确保施工安全和结构安全，确保工程顺利实施。为解决这些问题，本文提出以下建议
        4.1做好基坑开挖方案设计
        在确定地铁隧道附近基坑开挖设计方案时，相关设计人员应全面系统地调查现场的环境特征、气候条件、水文地质特征及施工影响因素，明确施工操作和应力状态。并在不影响地铁结构正常运营和安全性能的基础上合理进行设计工作。根据地铁隧道与地铁隧道的距离，选择合适的支护结构。如在距离较远的地段，可采用喷射混凝土、锚拉结构和单排支护桩相结合的支护方式，在相对较近的区域可采用锚拉结构、喷射混凝土和双排支护桩的支护结构，以保证支护结构的稳定性支撑结构。在地铁保护线外设置锚索锚固段，控制地铁保护线外的锚端部。施工过程中，应严格控制锚索成孔质量、锚索长度和角度。
        4.2采用区间分层开挖方案
        支护结构施工完成后，应进行基坑土方开挖。随着开挖过程的不断推进，自由面逐渐增大，深层土体的水平位移和支护结构的位移将有一定的增大趋势。为减少位移对地铁正常运营的影响，可采用分段分层开挖方案，使开挖深度满足锚索施工要求，并严格控制开拓深度。支护桩混凝土强度达到设计强度的90%后，在锚索上施加预应力后，方可进行土层开挖。每层土方开挖时，需将上层开挖清理干净，然后根据施工顺序和施工工艺进行分块、分层开挖。采用对称箕斗开挖法，避免了周围地质结构的突然变化，保证了基坑和地铁区间隧道的安全。每层土方开挖深度不超过3米。土层开挖每层完成后，需要等待一天，并根据基坑监测数据确定是否进行下一层开挖。一旦检测数据超过限值，应立即停止开挖回填，检测波动原因。
        4.3桩间土的妥善处理
        支护桩施工完成后，对桩间土进行混凝土喷射，可以保证土体的稳定性和整个支护结构的稳定性，避免支护结构在施工过程中对地铁正常运营的影响。只有在支护桩冠梁锚固后达到一定强度，才能进行基坑开挖。基坑开挖与桩之间的距离应不小于10 cm，以保证支护桩之间的土体稳定。在基坑桩与桩之间采用混凝土喷射护壁的方法，分为两次喷射混凝土，一次开挖后就进行喷锚施工。
        结束语：随着城市化进程的不断加快，城市人口密度不断增加，对地铁隧道工程的建设要求也越来越高。从我国城市化建设的现状来看，城市地铁和高层建筑越来越多，多条地铁隧道相互交织。在隧道附近的高层建筑施工过程中，深基坑开挖不可避免地会对现有的隧道结构产生一定的负面影响，影响地铁隧道运营的安全。因此，有必要设计一套安全经济的施工方案，做好基坑开挖的防护工作，尽量减少对地铁隧道的负面影响。
        参考文献：
        [1]庄子帆.基坑卸载对临近高架桥墩影响分析[J].中国市政工程，2016（03）：58-62.
        [2]张明远，杨小平，刘庭金.临近地铁隧道的基坑施工方案对比分析[J].地下空间与工程学报，2011，7（06）：1203-1208.