高铁桥梁下明挖隧道施工安全分析

高铁桥梁下明挖隧道施工安全分析

摘要：随着我国国民经济的高速发展，城市化进程不断加快，交通业的发展也随之加大。为了分析高铁桥梁下明挖隧道施工对运营高铁的影响，以具体工程为背景，介绍场地的地质条件、基坑支护形式及施工工序，通过对开挖过程中的现场监测数据分析，对高铁桥墩的沉降、围护桩及土体的变形进行分析。

关键词：桥梁工程、隧道工程、桥墩、基坑、

一、前言

随着交通事业的不断发展，城区及城际交通线路中的公路、铁路、城轨等线路相互下穿及线路下穿既有其他建筑物的工程越来越多。限于特定的地理环境与各类线路与建筑物的既有状况，在下穿桥梁、房屋等既有建筑物时为保证既有建筑物的安全与正常使用，桩基托换工程则是解决该问题的工程手段。深圳地铁3 号、5号线均在施工监测等手段的控制下成功进行桥梁桩基托换施工。广州市轨道交通三号线在施工过程中，对侵入隧道或临近隧道的十六栋建筑物基础进行桩基托换或基础加固，但盾构机在掘进施工过程中既有建筑物出现超过规范允许沉降值，并在个别房屋及地面出现了不同程度的裂缝。既有的工程实例表明，下穿既有桥梁等建筑物的隧道工程具有高难度、高风险的特性。对施工的工艺与控制等具有很高的要求，因此为有效控制相关工程的风险，应进行科学合理的风险评估并制定风险对策以控制工程风险

二、工程概况

月山通道（如图1），由北下穿大学路口，经上场路口、南至月山大道路口，场地地形较平坦，通道所在处均为现有旧路路基范围。月山通道起于K24+870，止于K26+010，全长1140m。分开口段与闭口段，开口段共700m，其中K24+870～K25+075 及K25+765～K26+010 为挡墙+普通路基段；K25+075～K25+200及K25+640～K25+765 为开口U型框架结构。闭口段共440m，为封闭矩形双孔框架结构。闭口段范围设1处天窗段；在里程K25+450 处，左右幅均设一处紧急停车道；在里程K25+462.5处在通道中隔墙处设一行车横通道；通道在里程K25+565.7处设排水泵房1座。

通道采用明挖法施工，通道基坑的开挖深度一般小于9.5m，泵房水池处约为12.5m，基坑深度大于6m时为I级基坑，重要性系数为1.1；基坑深度小于6m时为II级基坑，重要性系数为1.0。

图1 月山通道总体平面示意图

三、工程地质条件

地貌为冲积平原，地形平坦，现为原有旧公路，四面商埔较多，场地的交通条件好。现有路面标高+37.48～+40.89m，平均+39.02m。钻探揭露的隧道地质主要地层包括第四系（Q）覆盖层的填筑土（Q4me）层、冲积（Q4al）层、坡积（Qdl）层、残积（Qel）层和震旦纪(Z)花岗片麻岩。各岩、土层力学参数如表 1.1。

表1 月山通道岩土力学参数表

四、基坑围护施工方案及施工监测内容研究

1、基坑围护施工方案

基坑区域开挖宽为33m，深约8m，基坑围护形式为石砌挡墙和隔离桩，石砌挡墙为已有构筑物，围护桩为：1000mm *1200mm 钻孔灌注桩，长17m。施工期间地下水位较低，采用集水坑方法降水，工程施工工序为: 1000mm钻孔围护桩开挖→500mm高压旋喷桩开挖→上部挡墙挖除→土方开挖→下部挡墙挖除→基底垫层铺筑→底板钢筋安装→结构底板混凝土浇筑。

2、施工监测内容研究

（1）支护结构顶的水平位移和沉降监测

监测支护结构在开挖后受侧向土压力和降水施工等作用下的结构位移与变形情况，掌握支护体结构的稳定性。采用全站仪进行测量，建立独立的控制网，测量各观测点位置相对于独立控制网的相对三维坐标，虚拟一条平行于隧道纵向的直线为水平位移基准线，计算各测点坐标位置到虚拟基准线的距离，每次测量后分析该距离的相对变化量，作为水平位移量。沉降（即竖向位移值）按每次测量的各测点竖坐标的相对变化量作为监测值。

（2）土体侧向变形监测

监测支护结构外侧土体及不同深度处的分层水平位移情况，掌握基坑施工对土体和支护结构的深层水平变位的影响，分析基坑在结构和土体相互作用下的安全性能。在基坑支护结构外侧土体内埋设测斜管，或者将测斜管绑定在支护桩钢筋笼上一起放下。管头高出地面20～30cm，然后设置保护箱盖。将测斜仪器探

头沿管内十字定向导槽放至管底（桩底），从底往顶每0.5m 测读一次数据，得到每0.5m 的偏斜量；在基坑施工过程中把每次测量值与初值比较，即可得出桩（土）体不同深度处的位移量（测斜管底端埋设在基坑底，管底认为是不动的）。

3、周边地表竖向位移监测

监测基坑施工影响范围内的周边地表的沉降变形情况，掌握周边土体地表的变化规律，预测基坑后续施工的安全性。在基坑施工影响区域外设置工作基点网，按国家二等水准测量规范要求，历次垂直位移监测是通过工作基点间联测一条二等水准闭合或附合水准线路，由线路的工作点来测量各监测点的高程，观测点高程的变化值即作为地表的竖向位移变化量。

4、地下水位监测

掌握基坑周边地下水位的情况，以及开挖施工对地下水位的影响，分析地下水渗流对基坑施工安全因素的影响等。地下水位采用埋设水位管，采用水位量测的方法进行监测，水位孔由钻头打设成孔，采用清水钻进，埋设直径为Ф53的专用水位监测管。监测管末节外侧使用特殊土工棉布进行无缝包扎，保证水位管内外的水位相同。达到预定深度后在管外回填粗砂至进水段上方30cm，然后用粘土回填至地面高度，最后在管口安装保护盖并固定在管口。地下水位测量时将水位计探头放入孔内，探头遇水即会发声提示，读取连接探头的钢尺读数，即为地下水位距离管口的深度。

五、数据模拟计算及结果分析

1、模拟计算

（1）模型建立

本构模型弹性部分采用线弹性模型，塑性部分采用Mohr-Coulomb模型，基坑垂直穿越高架桥梁，按照平面应变问题来处理。根据工程经验及有限元计算模型选取方法，模型宽99m，为了真实模拟桥梁承台的影响，取高铁桥墩承台的入土深度，即78.6m。土体、桥墩及既有挡墙采用四节点平面应变单元(CPE4)模拟，接触面的法向模型采用HARD接触，切向模型(即摩擦模型)采用各向同性的Coulomb摩擦模型，模型如图2所示，施工期间地下水位较低，模型中不考虑地下水及渗流的影响。

图 2 基坑剖面有限元模型

（2）计算参数选取