新建公路橋梁對既有鐵路橋隧的影響分析

徐亞光,曹 文，康圣雨

(1.中國鐵路成都局集團有限公司，四川 成都 610031；2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

1 工程概況

一新建高速公路橋梁需同時跨越40 m寬城市道路、該道路上空的地鐵線高架橋和20 m深的城軌鐵路隧道(見圖1)。新建高架橋與地鐵線及城軌鐵路交角為83.8°。因受既有廠房、居民樓影響，新建高架橋采用上下行分離的疊層結(jié)構(gòu)，上下層共6車道設計，單層橋面寬度為16.25 m。上部結(jié)構(gòu)采用(34+60+34)m雙層預應力變截面混凝土連續(xù)剛構(gòu)，單層梁高2.1～3.6 m，主梁采用懸臂澆筑施工方案。下部結(jié)構(gòu)采用雙層獨柱式橋墩，樁基采用4根直徑2.8 m的鉆孔灌注樁，樁基按嵌巖樁設計。地鐵線高架橋梁結(jié)構(gòu)形式為40 m跨單箱單室簡支箱梁。城軌鐵路隧道為雙線分離式礦山法隧道，線間距為29 m，隧道埋深為24.7 m。隧道所處的地層為含礫砂巖，圍巖級別為Ⅳ級，采用Ⅳa 級支護形式。

圖1 新建高架橋與地鐵線高架橋、城軌隧道的關系(單位：m)

高速公路橋梁與地鐵高架橋凈空高度為9.59 m，樁基距城軌隧道襯砌結(jié)構(gòu)最小水平凈距為7.0 m。

2 潛在風險及評估方法

2.1 潛在風險

根據(jù)本工程橋梁結(jié)構(gòu)特點、施工工藝和與既有鐵路構(gòu)造物的空間關系，新建高速公路橋梁對既有地鐵線高架橋和城軌鐵路區(qū)間隧道的影響主要包括以下2個方面：

1)新建橋梁施工及運營過程中，由于工程措施不當或高空墜物，對地鐵線高架橋造成影響，危及既有橋梁行車安全。

2)新建橋梁樁基施工過程中，由于新增結(jié)構(gòu)自重、振動荷載等因素引起周邊土層的變形和應力調(diào)整，導致既有隧道沉降和不均勻沉降，嚴重時使既有隧道襯砌開裂，影響既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全和城軌交通安全運營。

2.2 評估方法

為明確新建高速公路橋梁施工對既有地鐵線高架橋及城軌隧道的影響，識別可能出現(xiàn)的安全、環(huán)境等各方面的潛在風險，并針對各種風險提出降低風險的措施，需進行安全影響分析，以達到既有鐵路橋梁、隧道運營安全的目的。

根據(jù)該工程空間立交關系特點，采用工程類比與有限元程序MIDAS/GTS進行數(shù)值模擬計算，以評估新建高速公路橋梁施工及運營對既有鐵路橋梁和隧道的影響。

3 安全影響分析

3.1 工程類比[1-2]

根據(jù)既有線行車施工安全管理的相關規(guī)定，列車通過時，嚴禁在鐵路限界內(nèi)作業(yè)。須搭設專用高壓絕緣隔電板或采取專門的防電設施，為鐵路和地鐵安全行車提供屏障。須對高壓接觸網(wǎng)線上方限界實施全面電氣安全防護。

本工程跨越地鐵線為高架橋結(jié)構(gòu)形式，地鐵軌面距離新建橋梁底面最小距離為9.59 m，接觸網(wǎng)桿距離橋底面最小距離為3.04 m。地鐵接觸網(wǎng)高壓線電壓為 1 500 V。參考同類新建橋梁上跨既有運營鐵路工程防護措施及既有線行車施工安全管理的相關規(guī)定，采用鋼結(jié)構(gòu)排架防護棚和專用防電板進行防護，可滿足地鐵行車運營的安全。

3.2 數(shù)值模擬計算

由于巖土工程的復雜性及差異性，經(jīng)驗方法與解析方法往往缺乏通用性，其結(jié)果的準確性很難得到保證。數(shù)值模擬分析方法可以考慮地層條件、空間條件、輔助工法等外在因素的影響，可以較真實地模擬橋梁施工對運營地鐵隧道的影響，在接近隧道施工安全評估中得到廣泛應用[3-4]。

新建橋梁樁基距城軌隧道左線最小距離為7.0 m，距離城軌隧道右線最小距離為8.0 m。因此本文采用三維空間模型進行數(shù)值計算分析。模型x方向取100 m，模型豎向即z向取60 m，模型中城軌隧道埋深28.8 m，模型y方向取50 m。模型中隧道襯砌以板單元模擬，樁以梁單元模擬，樁與土體之間以及樁端設置界面接觸，模型共劃分 219 595 個單元，41 162 個節(jié)點。有限元數(shù)值計算分析模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算分析有限元模型

3.2.1 隧道圍巖分析

樁基施工過程中會在隧道圍巖內(nèi)引起附加的彎矩、剪力及軸力，會產(chǎn)生水平向和豎向位移變形[5]，其中最大水平位移為5.3 mm，隧道圍巖的豎向沉降值為11 mm，隧道圍巖的水平變形如圖3所示。隧道圍巖產(chǎn)生的最大主應力為6.44 MPa，如圖4所示。

圖3 城軌隧道圍巖位移(單位：m)

圖4 隧道圍巖地層主應力(單位：kPa)

3.2.2 隧道結(jié)構(gòu)分析

隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移約為0.2 mm，出現(xiàn)在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)墻處。左右線隧道結(jié)構(gòu)最大沉降值基本相同，其中左線隧道最大沉降值為1.14 mm，右線隧道最大沉降值約為1.12 mm，均出現(xiàn)在隧道拱頂偏下的位置處。隧道仰拱的下沉降量約為0.7 mm，城軌隧道結(jié)構(gòu)襯砌水平變形如圖5所示。城軌隧道結(jié)構(gòu)襯砌的最大主應力為2.96 MPa，如圖6所示。

圖5 城軌隧道結(jié)構(gòu)變形(單位：m)

圖6 隧道結(jié)構(gòu)最大主應力

3.2.3 樁基結(jié)構(gòu)位移

數(shù)學建模是數(shù)學知識與數(shù)學應用的橋梁。因此，教學中教師要以建模的意識對待和處理教學內(nèi)容。教師應從學生已有的生活經(jīng)驗出發(fā)，讓學生親身經(jīng)歷將實際問題抽象成數(shù)學模型并進行解釋與運用的過程，進而使學生在獲得對數(shù)學理解的同時，在思維能力、情感態(tài)度與價值觀等多方面得到進步和發(fā)展?，F(xiàn)以人教版三上“用乘除法解決兩步計算的實際問題”為例，探討教學中教師應如何讓“建模思想”落實在課堂中。

在內(nèi)力的作用下新建高架基樁會產(chǎn)生豎向的壓縮變形和水平向的位移變形。經(jīng)計算，基樁的樁端豎向壓縮變形值最小為5 mm，而基樁樁頂?shù)呢Q向壓縮值為10.5 mm，與承臺的豎向變形一致，基樁的水平向位移值最大為4.2 mm。

3.2.4 數(shù)值分析結(jié)果

計算結(jié)果表明，隧道圍巖產(chǎn)生的最大主應力為6.44 MPa，城軌隧道結(jié)構(gòu)襯砌產(chǎn)生的最大主應力為2.96 MPa。高架橋施工對既有城軌隧道結(jié)構(gòu)影響很小，其中隧道結(jié)構(gòu)最大沉降值約為1.1 mm，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大水平向位移更小，約為0.2 mm。表1 為新建高架橋樁基施工引起的城軌隧道結(jié)構(gòu)變形。

表1 新建高架橋樁基施工引起的城軌隧道結(jié)構(gòu)變形 mm

注：x方向為垂直于城軌隧道軸線方向,y方向為平行于城軌隧道軸線方向,z方向為豎直方向；正值為隆起變形，負值為沉降變形。

3.3 橋梁施工振動的影響

橋梁施工振動的影響主要表現(xiàn)為橋梁樁基施工引起的地層振動對城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)的影響[6]。

交通隧道振動安全允許質(zhì)點振動速度與施工振動頻率有關，考慮到城際鐵路為高速鐵路，其允許質(zhì)點振動速度V取規(guī)程中的最小值，即V=10 cm/s。

嵌巖樁一般采用沖擊鉆或者旋挖機施工，其中旋挖機產(chǎn)生的振動較小，而沖擊鉆引起的振動較大[7-8]。如果沖擊鉆產(chǎn)生的振動能夠滿足鐵路隧道安全運營的要求，則旋挖機產(chǎn)生的振動也必然滿足要求，故以沖擊鉆施工為例分析施工振動對鐵路的影響。沖擊鉆施工引起的振動速度會隨著沖擊能量和距離的變化而變化。在沖擊鉆施工下，震源會產(chǎn)生一種向四周輻射的彈性振動波，即地震波。在巖土中傳播時，地震波由震源向介質(zhì)四面?zhèn)鞑ィS著傳播距離的增加波前面積越來越大，即地震波在傳播介質(zhì)中進行了幾何擴散，而震源形成的固定能量分布在面積不斷增大的波前面上，導致地震波的振幅隨著傳播距離的增大而減弱。此外，在地震波的傳播過程中，其質(zhì)點間的相互摩擦造成了振動能量的損耗，而由于介質(zhì)的不均勻性，造成地震波在傳播過程中產(chǎn)生能量的不規(guī)則漫射，導致了地震波能量的減弱。因此，在沖擊鉆施工下產(chǎn)生的振動在傳播過程中會隨著傳播距離的增大而逐漸衰減。

沖擊鉆施工引起的周邊建筑物振動速度可采用下述經(jīng)驗公式估算

v=K·r-β

各橋墩樁基與城際鐵路隧道初支結(jié)構(gòu)的最小凈距為7.0 m。不同沖擊鉆沖程引起的城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)振動速度見表2?？芍?，隧道結(jié)構(gòu)振動速度最大值為0.53 cm/s。

表2 不同沖擊鉆沖程引起的隧道結(jié)構(gòu)振動速度

盡管按GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》交通隧道的安全振動速度可以取10 cm/s，考慮到鐵路列車對振動的嚴格要求，以及國內(nèi)并無鐵路附近施工的相關規(guī)程，通過查閱相關研究文獻及工程類比，橋梁上跨鐵路隧道段設計中確定爆破震動安全允許振速為2 cm/s。本工程計算結(jié)果表明，各橋墩樁基如果采用沖擊鉆施工，沖擊鉆施工引起的振動速度最大值為0.53 cm/s，滿足規(guī)范和設計要求。為了進一步控制樁基施工引起的振動，可采用旋挖工藝，其施工引起的振動速度將小于0.53 cm/s。

3.4 安全風險分析

3.4.1 上跨既有線地鐵高架橋施工的潛在風險

跨越既有地鐵線路進行橋梁施工時，施工也對高速行駛的列車安全、施工結(jié)構(gòu)物和施工作業(yè)產(chǎn)生影響[9-10]。根據(jù)公路橋梁上跨既有地鐵線施工相關要求，結(jié)合工序作業(yè)特點、環(huán)境條件等致險因子，其可能存在的重大風險事件包括：①橋梁基礎開挖引起地鐵橋梁基礎的穩(wěn)定問題；②機械設備侵占既有線路限界；③墜落物威脅接觸網(wǎng)線和列車安全；④基礎施工影響地鐵通信信號光纜以及與行車相關的供水、供電管線等設施安全；⑤高速列車通過時誘導氣流會對附近的結(jié)構(gòu)設施、設備產(chǎn)生非常大的作用力；⑥橋梁施工引發(fā)的觸電傷亡及接觸網(wǎng)損壞事故；⑦作業(yè)時人身傷害事故。

3.4.2 上跨既有城軌隧道

城軌隧道為雙線分離式礦山法隧道，隧道埋深為28.8 m。隧道所處的地層為含礫砂巖，圍巖條件較好。因新建高架橋橫跨既有隧道，且隧道埋深大，橋梁施工對隧道影響較小，僅在橋梁樁基礎施工階段對隧道有一定的影響。該方案橋梁樁基距離隧道凈距最小距離為7.0 m，樁基為嵌巖樁，因此可以保證基礎施工過程中隧道結(jié)構(gòu)的受力安全。

4 結(jié)論

1)新建橋梁與地鐵線高架橋豎向凈空不小于7.5 m，滿足凈空要求。目前橋梁現(xiàn)澆箱梁掛籃施工工藝成熟，在跨越既有地鐵線高架橋時，采取必要的防護措施后，安全風險可控。

2)新建橋梁樁基與隧道襯砌結(jié)構(gòu)距離7.0 m，樁基施工引起隧道結(jié)構(gòu)最大沉降值為1.1 mm，最大水平向位移值為0.2 mm，對隧道結(jié)構(gòu)受力影響很小。根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程檢測技術(shù)規(guī)范》第9.3.5條，隧道結(jié)構(gòu)沉降累積限值為3～10 mm，隧道結(jié)構(gòu)水平位移限值為3～5 mm。因此，新建橋梁樁基施工對隧道影響滿足要求。