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矿山法隧道下穿高铁桥梁风险控制研究章诚

发表时间：2021/7/28 来源：《基层建设》2021年第14期作者：章诚

[导读] 当前城市基础设施日趋完善，城市地下空间利用率较高，城市轨道交通隧道下穿工程逐渐增加

        湖北省交通规划设计院湖北省武汉市 430000
        摘要：当前城市基础设施日趋完善，城市地下空间利用率较高，城市轨道交通隧道下穿工程逐渐增加，也不乏轨道交通隧道与高铁工程交叉敷设的案例。轨道交通隧道下穿铁路施工工法多采用盾构法以降低风险，而矿山法隧道下穿铁路工程案例较少。矿山法隧道穿越桥梁桩基工程，可以将隧道—围岩—桩基—上部结构看成一个整体，隧道施工过程（开挖、爆破等）改变原始地层的应力状态，地层损失导致围岩产生向洞内的收敛趋势；一系列影响通过桩基传递至桥上部结构，进而导致桥梁产生沉降或倾斜灾害等。高铁桥对沉降变形控制严格，施工过程中采用有效的措施在保证隧道顺利开挖的情况下，降低桥梁沉降风险，成为下穿隧道工程的关键。
        关键词：矿山法；隧道下穿高铁桥梁；风险控制

        引言
        近年来，各大城市轨道交通建设速度加快，轨道交通多采用盾构法施工，盾构隧道不可避免地穿越既有铁路桥梁等建筑物。当盾构隧道下穿既有铁路桥梁施工时，盾构开挖产生的扰动传递会引起桩基变形造成其承载力降低，进而引起轨道变位超过限值，影响行车安全。
        1隧道概况
        某轨道交通区间在正阳西路下方下穿高铁跨某道路高架桥，下穿段隧道平面转弯半径为500m，纵向坡度左线为0.7041%，右线为0.69%，断面类型为单洞单线马蹄形（见图1）。采用矿山法施工，左、右线间距约13.5m，隧道结构拱顶埋深约22m，区间主体位于玄武岩微风化地层带，围岩级别为Ⅱ~Ⅲ级。

        图1 区间隧道断面图（m）
        2矿山法隧道下穿高铁桥梁风险控制措施
        2.1变形控制标准
        2.1.1桩基沉降控制值
        首先，隧道下穿既有桥梁施工单位需要依据桩基加固设计图纸对桩基沉降值进行控制。在这一过程中，桩基施工人员需要将桩基的沉降控制值控制在80%以下，若达到该限值，需发出预警。需注意的是，桩基沉降控制值的确定需要根据相关管理部门确定设计变更控制要求，也就是预警值的变更内容。该工程为隧道下穿既有桥梁工程，将桩基竖向的沉降值控制标准确定为2mm。
        2.1.2墩台沉降控制标准
        对于隧道下穿既有桥梁墩台沉降变形控制，需要参考桩基沉降控制标准进行合理设置，同时还需结合桩基承载力和上部结构允许沉降范围予以考量。详细来说，隧道下穿桥梁施工变形控制需要依据现行要求和相关规范采用综合化措施，需基于多种因素确定桥墩沉降值变形控制要求，从而保证地铁隧道及高铁桥梁结构的稳定性与安全性。桥墩沉降控制标准需满足桩基承载力以及上部结构的允许沉降要求。从工程建设影响的大范围来说，沉降主要为不均匀沉降，也就是差异沉降。
        2.2变形监控控制措施
        2.2.1行车组织方案
        根据施工方案审查会要求，定义安全核心保护区为高速铁路桥梁外侧12m范围内，安全一般保护区为桥梁外侧21~12m间。
        2.2.2沉降位移观测
        （1）变形监测点布置
        依据变形监测的需要，在6#、7#、8#桥墩桥墩底离地面1.5m处设置观测点10个，在墩顶设置观测点12个，同时在第7孔、第8孔梁底设置监测点8个。
        （2）监测频率
        ①盾构距铁路桥梁外侧50～20m时，监测频率为2次/1d；
        ②盾构掘进面进入安全一般保护区时，监测频率为4次/1d；
        ③盾构掘进面距铁路桥梁外侧12m以下时，以及盾构机尾部距离桥梁外侧12m前，监测频率为实时监测及数据实时传输，每两小时出据1份监测报告；
        ④盾构穿越完成后延续监测3个月，穿越结束后1周监测频率为每天6次监测；穿越结束后第2周监测频率为2次/d；穿越结束后第3周监测频率为5次/周；第4周监测频率为2次/周；若监测时间达到3个月变形仍未收敛继续观测，直至稳定。
        2.3施工辅助措施
        1）超前地质预报。采用超前钻孔（加深炮眼）、地质雷达、3D地震超前探测等综合手段，每6m进行一次超前地质预报工作，充分掌握掌子面、拱顶前方（上方）的水文地质情况，做好信息化施工。
        2）严禁地下水流失。场区主要为基岩裂隙水，针对开挖过程中地下水渗漏问题，主要措施如下：采用径向注浆对点状、线状渗漏水进行封堵，浆液采用单液水泥浆；若探明大量地下水，采用区域性超前深孔堵水措施，针对双液浆凝结快速、强度较低、耐久性较差的特点，单液浆具有凝结较缓慢、强度较高、耐久性好的特点，采用单液浆为主体，双液浆外围辅助止水方案。
        2.4预警机制及应急预案
        结合监测方案，建立预报警机制并制订应急预案。监测预警值按严重程度由小到大分为3级：黄色监测预警、橙色监测预警和红色监测预警。
        1）黄色监测预警。监测指标变化量超过监控量测控制值的70%。
        2）橙色监测预警。监测指标变化量超过监控量测控制值的80%。
        3）红色监测预警。监测指标变化量超过监控量测控制值，或变化速率出现急剧增长。当达到黄色预警时，应查找原因，加强监测和巡视。
        当达到橙色预警时，应停工检查，进行风险处理；应封闭掌子面（掌子面挂网并喷射120mmC25早强混凝土），同时对隧道顶部及地面进行补偿注浆。
        当达到红色预警时，应启动应急预案；封闭掌子面的同时，进行专项评估、鉴定工作。采用“扩大基础方案+地面桥梁满樘脚手架”，并辅以地层注浆加固措施，保证高铁安全。
        3数值模拟
        根据地勘资料提供的围岩物理力学参数，利用MIDAS/GTS/NX对隧道开挖进行3D模拟，采用地层结构法，在有限元计算中采用弹塑性材料，进行非线性计算。围岩材料的本构模型采用莫尔-库伦模型，以考虑围岩的非线性变形。模型围岩采用弹塑性各向同性体材料模拟，初支采用弹性各向同性材料模拟，土体、桥梁、桥墩及承台采用3D实体单元模拟，初支采用2D板单元模拟，桩基础采用1D梁单元模拟。根据计算结果趋势预测，隧道开挖造成的桩基沉降值较小，其中4号墩沉降最大约1.84mm，5号墩沉降值约1.67mm。
        4效果检查
        根据铁路部门要求，桥桩两侧各200m为涉铁段施工段，根据专家评审结论，将距离高铁桩基两侧平面各40m的范围作为下穿段重点影响区段。该区段左线隧道自2018月1月15日开始由小里程向大里程开挖，于2018年3月6日完成该区段的开挖及初期支护工作；该区段右线隧道自2018年1月26日开始向大里程端开挖，于2018年4月9日完成开挖及初期支护工作，隧道于2018年10月~2018年12月进行二次衬砌施工。现场监测过程中各项数据较小，已达到稳定且均满足规范要求，其中桥墩沉降最大为1.7mm。根据监测曲线分析，4号、5号桥墩沉降反映隧道开挖时空效应，及左、右线先后施工掌子面临近距离影响（下穿段隧道左线先行施工）；同时监测曲线也反映高铁桥梁存在残余的工后沉降。
        结语
        矿山法下穿高铁工程在国内鲜有案例。本工程采用较为传统的钻爆工法，重视支护的快速性、时效性，顺利完成隧道的开挖及支护工作，采用的施工技术措施合理，成本相对较低，对于硬岩地区类似工程具有借鉴意义。
        参考文献：
        [1]张明聚，王妍，贾大鹏，等.盾构下穿高速铁路高架桥沉降变形控制技术[J].施工技术，2015（4）：68-72.
        [2]江华，殷明伦，江玉生，等.深圳轨道交通盾构隧道近距离上跨既有线引起的结构变形研究[J].现代隧道技术，2018（1）：194-202.