城市轨道交通隧道下穿既有高架线风险评估

Vo1.13 No.1March，2018

doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2018.01.006

城市轨道交通隧道下穿既有高架线风险评估

韩 博1，吴锋波2

（1.地质出版社，北京 100083；2.河北地质大学勘查技术与工程学院，河北省石家庄 050031）

摘 要：对北京地铁15号线矿山法隧道工程下穿既有地铁5号线高架结构进行风险评估，明确了该高架结构的重要性等级为Ⅰ级。根据高架结构现状调查和结构检测，评定其安全性等级为良好。通过三维数值模拟，研究既有高架结构的受影响程度，评定为严重。该既有线高架结构风险发生的可能性为可能发生，其工程环境风险等级为一级。施工过程严格执行相关方案，监测结果表明高架结构和轨道结构的变形满足控制要求，既有线安全运营未受到影响。该工程既有高架结构的风险评估和控制工作，可作为类似工程的参考。关键词：城市轨道交通；隧道工程；高架结构

中国分类号：U231.3;U447 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2018）01-0037-06

The Risk Assessment of the Urban Rail Transit Tunnel Engineering under

Viaduct Structure

HAN Bo1, WU Fengbo2

(1. Geological Publishing House, Beijing 100083; 2. School of Prospecting Technology, Engineering, Hebei GEO University,

Shijiazhuang 050031)

Abstract: The project of Beijing subway Line 15 tunnel engineering under viaduct structure is given to risk assessment. The importance grade of the viaduct structure is Grade I. According to the investigation and the structure inspection, its safety grade is good. By the three-dimensional numerical simulation, its affected grade is assessed as serious level. There is the possible risk in the existing viaduct structure. Its environmental risk grade is Grade I. The construction scheme is taken strictly during the construction process. The monitoring results show that the deformation of viaduct and rail are in the control. The safety operation of existing line is not affected. The risk assessment and control of the viaduct structure can be used as a reference in similar engineering.Keywords: Urban rail transit, Tunnel engineering, Viaduct structure

0 引言

随着城市化进程的不断加快，世界各国均致力于城市地下空间的开发和利用。城市轨道交通是世界公认的低能耗、少污染的“绿色交通”，对

于实现城市的可持续发展具有非常重要的意义。目前，我国城市轨道交通建设已经进入快速和集中发展期，国内各大城市相继开展了轨道交通建设。

城市轨道交通工程多处于复杂的城市地质条件和环境条件之中，工程建设主要以地下工程为主，

作者简介：韩博(1983- )，女，博士。工程师，编辑。 研究方向：矿山环境地质、城市地质及风险评估和监测等方面。 E-mail：105863925@qq.com.

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韩博等：城市轨道交通隧道下穿既有高架线风险评估2018年

工程场地分布区域线长面广，不仅地质条件复杂多变，环境条件也十分复杂，不可避免地给工程设计、施工带来各类环境技术难题。其中城市轨道交通地下工程施工与桥梁桩基之间的相互作用是一个复杂的结构-岩土的动态响应问题，成为相关学者关注的研究重点。

Cheng（2004）、Pang（2005）等对新加坡东北线隧道邻近新建高架桥桩工程的隧道-土-桩相互作用进行了三维数值分析和反分析研究。Lee、Gordon、Emilios（2005）采用三维弹塑性有限元模型，考虑土体的固结作用来预测桩-土-隧道之间的相互作用机理，研究了桩基在隧道推进过程中的响应。Lee和Ng（2005）采用岩土离心机模型试验分析，提出隧道开挖影响范围为隧道纵向开挖面1倍洞径，并且隧道开挖面的推进不会显著影响到桩上已有弯矩和轴向荷载的分布。何海健等（2006，2007）采用数值模拟辅以现场实测的方法，研究了地铁洞桩法施工引起邻近基桩的变形、变化情况。李宁等（2006）采用有限元数值模拟分析技术，研究因隧道开挖施工而引起周围土体及不同位置单桩的变形规律。研究了桩洞距、桩端位置、桩土模量比、桩承载特性等因素对桩体变化规律的影响。吴波等（2006，2007）采用ABAQUS软件动态模拟了北京地铁10号线国贸站西北风道施工过程、邻近短桩和长桩桥基的变形和受力性态以及桩土相互作用机理。

城市轨道交通地下工程下穿城市桥梁的相关研究日益得到国内外学者的重视。本文以北京地铁15号线隧道工程下穿既有地铁5号线高架结构为背景，研究了地下工程下穿城市桥梁的风险评估与控制工作，以作为类似工程的参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

北京地铁15号线安立路站—大屯路东站区间线路西起安立路站，位于大屯路下方沿大屯路东行，在大屯路东口与北苑路交叉路口下侧穿既有5号线桥桩后到达大屯路东站。在区间左、右线两侧各有一处桥桩，左线结构外侧距离5号线桥桩桩基净距为3.5m，

右线隧道结构外侧距离桥桩桩基净距为3.9m，线间距为17.0m，该处区间隧道埋深为12.85m。

5号线桥桩为C25钻孔灌注桩，直径为1000 mm，长度为30.0m。地铁15号线暗挖区间沿东西方向下穿地铁5号线高架桥第12联，下穿段高架区间为28.0m+35.0m+28.0m三跨预应力钢筋混凝土连续箱梁，地铁15号线暗挖区间从35.0m跨下穿，下穿段高架桥为4桩方形承台，长宽均为5.0m，厚2.0m，埋深约为0.5m，桩径1.0m，桩长30.0m，桩底位于粉土、粉质粘土层。

工程影响范围的地铁5号线线路为高架区间线路，采用轨60kg/m钢轨，扣件采用有螺栓小压力ω弹条DTⅥ2型扣件，检测范围内扣件无调高，道床为混凝土整体道床。DTⅥ2型扣件利用更换绝缘轨距垫可调整轨距+8~-4mm，利用铁垫扳倒边可调整轨距0~-12mm，两者结合可调整轨距+8~-16mm，采用调高垫板调整水平最大调高量为+15mm。图1所示为区间隧道与5号线桥桩剖面关系图，图2所示为高架桥墩台横断面图。

1.2 地质条件

区间下穿北苑路段主要穿越土层为①1杂填土层、①粉土填土层、③粉土层、③1粉质粘土层、④2粉土层、④3粉细砂、④2中粉土层、⑥粉质粘土层、⑥2粉质粘土层。对工程有直接影响的地下水为上层滞水（一）和潜水（二），两层水的水位埋深为7.3~11.7m，几乎涵盖整个结构范围。

1.3 施工方法

区间隧道采用标准单线单洞马蹄形断面，下穿段区间隧道宽6.2m，高6.5m，左右线间距17.0m。区间采用台阶法开挖，主要施工步骤为：

（1）深孔注浆加固隧道顶部及侧墙部分地层，加固范围为开挖面及拱顶和边墙外圈2.5m区域。

注浆方式采用后退式（WSS）绣阀管深孔注浆施工，隧道结构顶部为粉细砂层注浆采用后退式注浆工艺，浆液采用水泥-水玻璃浆。其余部分位于粘土和粉质粘土层中，注浆方式采用后退式劈裂注浆工艺，注浆液采用水泥浆。

第13卷 第1期城市地质39

图1 区间隧道与5号线桥桩剖面关系图

Fig.1 Sectional diagram between interval tunnel and metro

line 5 bridge pile

图2 地铁5号线高架桥墩台横断面图Fig.2. Metro line 5 viaduct pier cross-sectional map

注浆时分节钻孔，每节长度为2.0m，两节之间采用双孔专用接头和专用钻头钻孔，钻一孔，注一孔。注浆管长度为12.0m，纵向搭接长度为2.0m，浆液采用水泥浆。注浆压力1.0~1.2Mpa。注浆加固段总长21.5m。

（2）地层注浆加固后单轴抗压强度达到0.6~1.0 MPa，渗透系数为1×10-8

cm/s。

（3）采用台阶法开挖断面土体，短进尺施工，循环进尺长度0.5m。左、右线在下穿段都增设临时仰拱，开挖至桥桩水平距基础12.0m时，开始增设

临时仰拱。直到安全通过桥桩并延伸12.0m，临时仰拱设置总长为24.0m。

（4）每步开挖均打设锁脚锚管，采取两根并排，每榀钢支撑共打设4根。

（5）待初期支护达到强度后，在初期支护背后注浆,使初期支护与地层密贴。注浆管直径φ42，间距3m×3mm，梅花型布置，对初衬背后全周注浆。

每开挖2.0m，就及时进行初至背后的注浆，注浆压力控制在0.5MPa。初支背后注浆应分多次补偿。注浆采用从下到上的顺序进行。注浆参数需根据现场试验进行调整。

（6）拱部二次衬砌预留压浆孔，采用φ42注浆管注浆，注浆压力不大于0.2MPa，侧穿5号线桥桩范围，二衬背后的回填注浆，应采用强度高、流动性好的硫铝酸盐类水泥浆液。保证初期支护与二衬之间密实。

区间隧道左线先行下穿5号线高架桥，完成穿越后右线隧道开始施工，最终两线隧道完成高架桥的穿越工程。

2 工程风险评估

根据工程情况，对矿山法隧道穿越区域可能影响到的既有高架结构的安全状态进行评估，主要包括隧道两侧各两个桥桩。

2.1 重要性评估

工程影响范围的高架桥为北京地铁5号线高架区间为很重要的城市高架桥，重要性等级为Ⅰ级。

2.2 安全现状评估

该区段高架桥梁建成距施工时约5年半多的时间，结构检测结果表明其主体结构外观完好，盆式橡胶支座外观完好。桥梁墩柱混凝土强度按单个构件进行评定，其推定值为51.0~52.5MPa，梁体混凝土强度按批构件评定推定值为56.6MPa。

桥梁墩柱混凝土碳化深度在2.0~4.0mm之间，梁体混凝土碳化深度在4.0~6.0mm之间。桥梁墩柱混凝土钢筋保护层厚度在58.0~69.0mm之间，梁体

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韩博等：城市轨道交通隧道下穿既有高架线风险评估2018年

混凝土钢筋保护层厚度在38.0~45.0mm之间。检测范围内所有构件钢筋锈蚀概率小，综合评定该高架桥安全性等级为良好。

2.3 施工影响预测评估

采用数值模拟方法对区间隧道下穿引起的既有5号线高架桥桩变形进行预测。数值模拟计算采用FLAC-3D建立计算模型，地层计算设置大变形，其中土层、既有桥梁结构、桥梁承台和桩基础均采用实体单元，不同的土层采用不同的材料参数模拟。

土体采用摩尔-库仑弹塑性本构模型，既有桥梁结构、桥梁承台和桩基础，基础采用线弹性本构模型，桥梁桩基础与土层的接触采用接触面单元进行模拟。通过刚度等效的方法，将桥梁结构等效为一种同刚度材料。

边界条件的选取时除了顶面取为自由边界，其他5个面均采取法向约束。计算模型横剖面左侧区域至隧道开挖影响12-3桥梁承台外侧11.0m，右侧至隧道开挖影响12-0桥桩外侧11.0m，模型长度共118.0m。模型高度至地面以下50.0m。模型宽度以桥梁承台为中心，向两侧各30.5m，共61.0m（图3）。计算荷载考虑既有高架桥列车荷载等作用，综合为20kPa 。

场区内地层主要为粉土填土、粉土、粉质粘土、粉细砂、粘土等层，根据勘察报告中提供的参数，各个地层主要物理力学参数见表1。根据检测结果，高架结构的物理力学参数见表2。

计算模型见图4、图5，共划分了175384个实体单元，183786个节点。

左侧隧道首先开挖，第一步开挖上部土体5.0m，第二步继续开挖左线隧道上部土体5.0m，下部土体5.0m；穿越段按3.0m进尺进行开挖，共计14步。左侧隧道贯通后开挖右侧隧道，第一步开挖上部土体5.0m，第二步继续开挖右线隧道上部土体5.0m，下部土体5.0m；穿越段按3.0m进尺进行开挖，共计14步。

图3 计算模型横剖面示意图（单位：m）Fig.3. Sketches section of calculation model (unit: m)

表1 地层和建筑基础的物理力学参数表

Tab.1 Physical and mechanical parameters of building and formation foundation

序号1

2345678

名 称粉土填土①1粉土③粉质粘土③1粉细砂③3、④3

粘土⑥1粉土⑥2细中砂⑥3粉质粘土⑧

密度ρ/（g/cm3）1.75 1.991.94 1.951.951.982.052.00

压缩模量E/MPa4.111.56.0307.58.6358.0

泊松比μ0.310.310.320.270.240.290.260.32

粘聚力/kPa

55290535029

内摩擦角°

10 2918 2522273218

厚度/m1.04.54.03.513.02.04.018.0

土体埋深/m0.0~-1.0-1.0~-5.5-5.5~-9.5-9.5~-13.0-13.0~-26.0-26.0~-28.0-28.0~-32.0-32.0~-50.0

表2 既有高架结构物理力学参数

Tab.2 Elevated structure physical and mechanical parameters名 称既有高架结构

容重γ / (kN3 /m)弹性模量 E /MPa 25.034.5e3

泊松比μ

0.20

第13卷 第1期城市地质

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在各个桥梁承台上表面的四角和中部布设监测点，4个墩台共计20个监测点。既有高架结构承台和桩基的竖向沉降计算结果见图6。各个桥梁承台的竖向沉降计算结果见表3。

图4 计算总模型Fig.4 Calculation model

图5 隧道与桥梁结构位置关系

Fig.5 Tunnel and bridge structure Location diagram

a.左线隧道施工完成

a. Construction of left - line tunnel

b.右线隧道施工完成

b. Construction of left - line tunnel

图6 既有高架结构承台和桩基竖向沉降等直线图Fig.6 Elevated structure cap and pile vertical settlement

straight line chart

表3 既有高架结构承台上表面监测点变形结果

Tab.3 The deformation monitoring results of elevated

structure cap surface

承台编号最大位移/

最小位移/最大差异位承台间差异

mmmm移/mm位移/mm12-0-2.251-1.7970.454—12-12.6971.6021.0954.17412-22.6821.51.0930.01412-3

-2.313

-1.8330.484.209

由计算结果可知，隧道穿越部位两侧的两个桥梁承台可出现向上的隆起位移，最大隆起值为

2.697mm。桥梁桩基在隧道穿越注浆加固部位可出现上浮，底部出现一定的沉降变形。两个桥梁承台之间的差异沉降较小，为0.014mm。

穿越区外侧的两个桥梁承台主要为向下的沉降位移，最大值沉降值为-2.313mm。桥梁桩基主要为沉降变形。穿越区外侧和中部桥梁承台之间的差异沉降值较大，可达到4.209mm，工程实际应注意对其差异沉降的变形控制。

根据变形计算结果可知，隧道下穿施工引起的

桥梁变形值较小，但该既有5号线高架桥对变形的要求较为严格，较小的变形也可能引起既有线路的运营安全。因此，综合评定矿山法隧道施工对既有地铁5号线高架结构的影响程度可为严重。

2.4 综合性评估

根据以上分析，重要性评估结果，该既有线高

架结构重要性等级为Ⅰ级；安全现状评估结果，其安全性等级为良好；施工影响预测评估结果，矿山法隧道下穿施工对既有线高架结构的影响程度为严重。因此，根据该既有线高架结构的风险发生的可能性为可能发生，综合评定其工程环境风险等级为一级，为风险等级最高的环境风险。

施工过程中严格执行施工方案，深孔注浆加固

体达到预定强度后进行地层开挖。台阶法开挖断面土体，循环进尺长度为0.5m。左、右线在下穿段24.0m范围内增设临时仰拱。同时，对隧道初支背后进行注浆，采用从下到上的顺序进行。拱部二次衬砌与处支间进行注浆，保证初期支护与二衬之间密

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实。

矿山法隧道下穿过程中，既有5号线高架梁体结构竖向变形的最大沉降值为-1.1mm，最大隆起值为+0.9mm。桥墩结构竖向变形的最大值为-1.3mm，最小值为+0.9mm，均小于控制值3.0mm，相邻桥墩的差异沉降值较小。轨道结构变形较小，未超过控制值。既有线安全运营未受到影响，工程施工完成了对高架结构的穿越。

3 结论

通过北京地铁15号线安立路站—大屯路东站区间矿山法隧道下穿既有5号线高架结构的风险评估与控制研究得出以下结论：

（1）矿山法隧道工程影响范围内的高架桥为北京地铁5号线高架区间结构，其重要性等级为Ⅰ级。

（2）根据相关检测结果，该区段高架桥梁主体结构外观完好，强度、混凝土钢筋保护层厚度等符合相关要求，其安全性等级为良好。

（3）三维数值模拟结果表明，工程施工造成既有高架结构的变形约为-2.3~2.7mm，高架桥对变形的要求较为严格，受影响程度可评定为严重。

（4）综合以上分析，该既有线高架结构风险发生的可能性为可能发生，综合评定其工程环境风险等级为最高级一级。

（5）施工过程严格执行深孔注浆加固方案和开挖要求，监测结果表明高架结构和轨道结构等的变形满足控制要求，既有线安全运营未受到影响，矿山法隧道工程完成对地铁5号线的穿越施工。

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