1 工程概况

　　成渝铁路客运专线新红岩隧道长6 699m，位于重庆市主城区，连接重庆沙坪坝站与重庆站。隧道上方建(构)筑物密集，并多次下穿上跨高层建筑、商场、城市主干道、轨道交通等，隧道埋深浅，施工难度大、风险极高。

　　新红岩隧道GDK297+385—GDK297+425段下穿小龙坎环道立交A,B匝道(见图1)。A,B匝道作为小龙坎环道的重要组成部分，是沙坪坝区通往渝中区、江北区、九龙坡区的交通咽喉，断面车流量均达到4 000pcu/h，交通压力大，对区域交通影响非常敏感。

　　

　　图1 新红岩隧道下穿小龙坎立交A,B匝道平面  

　　 

　　A,B匝道上跨既有小龙坎隧道设计为箱形匝道桥(见图2,3)，箱体前后端底部加厚设置盖梁，匝道基础采用圆截面桩基形式，距离既有隧道左右侧3m，桩基直径为1.5m。桩基底标高小于既有小龙坎隧道底标高(与新建隧道仰拱开挖面基本平齐)。匝道桥右侧有7根桩基位于新红岩隧道开挖范围内，需截断匝道桥桩基。匝道桥结构底板基础与扩挖后隧道轮廓线最小距离0.47m。地层岩性以泥岩夹砂岩为主，岩性较好。基岩强风化带中赋存有孔隙裂隙水，雨季场区地形较低洼处的部位有上层滞水。

　　

　　图2 新红岩隧道下穿A,B匝道剖面(单位:cm)  

　　 

　　

　　图3 A,B匝道与新红岩隧道典型断面关系  

　　 

　　2 工程难点

　　A,B匝道桥右侧7根桩基由于新红岩隧道施工将被截断，且要求施工期间匝道不中断通车，匝道桥结构底板基础与扩挖后隧道净距<1m，隧道开挖及截桩可能会导致A,B匝道桥下部失稳，造成A,B匝道桥沉降或差异沉降，影响匝道结构应力和稳定性，导致匝道行车中断，造成行车安全事故。

　　3 结构安全性影响评估

　　为保证隧道扩挖施工期间既有A,B匝道桥的结构安全及正常运营，针对潜在风险点，利用MIDAS/GTS有限元分析软件，进行三维数值模拟，分析隧道施工对既有A,B匝道桥等建(构)筑物的影响，对在施工过程中可能出现的各类风险因素进行判别，并进行新建隧道施工对既有建(构)筑物的影响评价。

　　3.1 匝道桥结构位移

　　开挖施工对周边围岩的扰动必然会引起围岩产生沉降和收敛，围岩稳定性的变化将引起匝道桥结构变形等一系列连锁反应。通过数值模拟分析匝道桥结构位移，进而识别隧道开挖对匝道桥结构变形的影响程度，评价匝道桥结构的稳定性。隧道开挖后既有匝道位移分布如图4所示。

　　经过对图4分析，得到以下结论。

　　1)隧道下穿施工引起的匝道桥箱体结构沉降较小，其中A匝道桥结构在z方向最大沉降值为2.76mm,B匝道桥结构在z方向最大沉降值为2.29mm。

　　

　　图4 隧道施工完成后匝道结构位移  

　　 

　　2)隧道下穿施工引起的匝道桥箱体结构水平方向变形小，且A,B匝道桥结构在x,y方向最大变形值不足1.0mm。

　　3)因新建隧道与A匝道交角小于与B匝道交角，通过对匝道的竖向沉降、纵向位移发展区域分析，B匝道的沉降和水平位移值相对A匝道较小，隧道中线左右侧15m为下穿施工对匝道的影响范围。

　　4)在原桩基与匝道箱体底部交接处存在应力集中现象，应力值较大，应观察裂缝发展及防水是否受到破坏。

　　3.2 匝道桥结构受力分析

　　匝道桥箱体结构的位移将会引起箱体结构内力重分布。以隧道下穿扩挖施工前后的两种状态通过数值模拟分析匝道桥箱体结构应力变化情况，从而确定隧道扩挖施工对匝道桥箱体结构受力的影响范围。下穿扩挖前后匝道结构应力分布如图5所示。

　　

　　图5 下穿扩挖前后匝道结构应力分布  

　　 

　　经过对图5分析，得到以下结论。

　　1)施工前匝道交叉处和底板结构为受力薄弱点，其中第一主应力为1.25MPa，第三主应力为-2.05MPa。

　　2)施工后下穿匝道箱体底板结构受力变化较大，其中第一主应力为1.85MPa，第三主应力为-2.65MPa。

　　3)经对比分析匝道结构受力，第一主应力和第三主应力变化均在0.6MPa内，且变化值均较小，隧道下穿扩挖施工前后结构应力满足规范要求，匝道结构受力是安全的^[1]。

　　4 施工方法

　　4.1 总体方案

　　下穿匝道前，利用大管棚支护体系超前支护。开挖支护预留桩位部分，先封闭成环桩间双层护拱支撑上部匝道，再返回依次截断右侧桩基，从而将桩基承担的力托换到护拱和临时支撑架上^[2]，再封闭成环桩位护拱及衬砌。按“先施作桩间护拱及仰拱，返回截断一处桩基，再施作桩位护拱及衬砌，同时1根桩基对应1板衬砌，依次推进”的总原则施作。

　　4.2 开挖施工

　　4.2.1 开挖步骤

　　1)在大管棚的保护下，先施作A匝道下部Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ处左侧护拱和Ⅱ，Ⅳ处护拱，依次推进施作。

　　2)在桩间护拱Ⅱ和Ⅰ处左侧护拱达到设计强度后，施作该段仰拱，且预留Ⅰ处右侧桩位仰拱拱架接头。

　　3)待仰拱达到设计强度后，截断Ⅰ处桩基，接长拱架，闭环Ⅰ处右侧护拱，再施作桩位处仰拱。

　　4)施作Ⅰ，Ⅱ处二次衬砌。

　　5)同理，按以上2),3),4)步骤施作下一桩位护拱及衬砌。施工工序如图6所示。

　　

　　图6 施工工序  

　　 

　　4.2.2 机械开挖

　　大拱脚上下台阶法施工，由于桩基底与新建隧道仰拱底平齐，桩基荷载对隧道开挖效应较小^[3]，但仍需采用扰动小、开挖精度高的机械，尽可能减小对围岩和桩基的扰动。上台阶采用单臂掘进机削切开挖，下台阶采用铣挖机开挖。单臂掘进机开挖时按照从下至上，环形顺序，逐层扩大开挖面，维护围岩的整体性，达到良好的轮廓成形，减少隧道的超欠挖^[4]。

　　4.3 护拱施工

　　第1层护拱厚32cm，采用HW175型钢钢架;第2层护拱厚28cm，采用I20型钢钢架。护拱随开挖掘进依次支护，遇到桩位处护拱预留接头，靠近桩基处护拱端部采用2根I20临时支撑，待截桩完成后接长拱架并封闭成环。桩间护拱按照设计要求及时封闭成环。拱脚、边墙、拱腰和拱部加设槽钢强化纵向连接，加大加长锁脚锚管。同时检测初支背后是否脱空，脱空部位进行钻孔注浆，注浆完成后再进行脱空检测。

　　4.4 仰拱施工

　　仰拱开挖预留桩位部分，及时对桩底进行混凝土封闭，待截桩完成后同桩基一起开挖。浇筑仰拱时对桩位进行围挡，预埋背贴止水带和中埋止水带，桩位采用喷射混凝土封底，避免水浸泡软化桩基底，如图7所示。

　　

　　图7 桩位仰拱施作 

　　 

　　4.5 截桩施工

　　4.5.1 拱部临时支撑

　　为控制截桩过程中桩基承担力的有效转换，同时防止截桩时桩位左侧护拱沉降，采用临时支架支撑桩位未成环初期支护拱顶，将桩基承担的力转换到桩间护拱及临时支架上，如图8所示。

　　

　　图8 临时支撑  

　　 

　　4.5.2 截桩

　　采用全液压绳锯切割机截桩(见图9)，操作过程中场地适应程度高，对原结构物的扰动小、精度高、速度快、噪声低、操作简便^[5]。在图中(1)处隧道开挖轮廓线外5cm处截断桩基，分别在(2),(3)处截断桩基直径的2/3，然后从上至下破除桩基。

　　

　　图9 分3步截桩  

　　 

　　4.6 桩位护拱闭环

　　截断桩基后修整桩位断面，施作初期支护。接长第1层拱墙和仰拱钢拱架，封闭成环，喷射混凝土。再接长第2层拱墙钢拱架，喷射混凝土。

　　4.7 衬砌施工

　　接长桩位仰拱钢筋，浇筑仰拱及填充混凝土。为有效地控制隧道沉降，保证公路匝道桥运营安全，及时跟进二次衬砌，待衬砌强度达到设计强度后再截下一根桩基。

　　5 施工技术要点

　　5.1 检测和监测

　　施工前委托第三方具有检测资质单位对匝道现状进行调查、取证，形成施工前匝道状况评估报告和检测报告。施工期间对匝道实施监测。隧道二次衬砌施作完成后，委托第三方检测单位协同地方相关主管部门再对A,B匝道进行检测，以明确隧道施工的影响，并形成施工造成影响程度的评估报告。

　　隧道下穿匝道施工期间，加强隧道洞内及匝道桥监测^[6,7]。截桩前，在匝道桩位底板及护拱上布设沉降监测点，截桩过程中监测匝道底部和隧道拱顶沉降数据。同时，在匝道内部布设下沉及收敛量测点，监测匝道下沉及净空收敛数据。截桩过程及第1层护拱喷混凝土作业完成前每隔1h监测1次沉降数据，开始施作第2层护拱至桩位仰拱填充混凝土终凝前每隔2h监测1次沉降数据，如表1所示。

　　  

　　表1 监测数据 

　　 

　　 

　　mm

　　

　　表1 监测数据

　　在原桩基与匝道底部交接处存在应力集中现象^[8]，应力值较大，第1步截断桩基顶部时，静置监测切割缝1h。若切割缝尺寸无明显变化，继续实施第2步截桩，若切割缝明显变小，在切割缝处嵌入钢板，抑制上部结构沉降，同时中断匝道内交通。

　　5.2 保证桩基托换效果

　　在截桩前，桩基旁设置钢管临时支撑架辅助桩间护拱托换桩，确保截桩过程中桩基承担力的有效转换。

　　下穿匝道开挖施工时，由于隧道拱顶至匝道底板间岩层太薄会部分剥落，施作初期支护时，拱架外侧至匝道底板间增设竖向工字钢，保证刚性连接，剥落围岩采用同等级初支喷射混凝土回填密实。由于下穿段截桩是将桩基的承载力托换到隧道初支及衬砌上，所以施工过程中要对初期支护、二次衬砌背后进行注浆。注浆完成后检测初期支护、二次衬砌背后是否存在脱空，对脱空部位再进行注浆，确保初期支护与匝道底板密贴、二次衬砌与初期支护密贴。

　　5.3 对缝施工

　　下穿匝道段合理安排仰拱、二衬施作长度，确保1根桩基位对应1板仰拱和二衬，同时仰拱与二衬环向施工缝对应，尽量保证截断桩基处于衬砌纵向中部。

　　6 安全控制要点

　　1)由于桩基底与隧道仰拱开挖面基本平齐，在桩位仰拱开挖完成后及时采用混凝土封闭桩基底周边，避免桩基底长时间被水浸泡。截桩前采用砂袋填满预留桩位仰拱，以防止桩基截断时下部桩基失稳。

　　2)绳锯切割过程中安排专人旁站，设置安全防护及警戒线划定施工作业区域，绳锯正前方不允许站人。

　　3)施工期间，上部交通不中断，对交通实施24h管制，小龙坎环道A,B匝道禁止3轴(含)以上大货车通行，同时布设值勤人员和设置二级施工警示、限高架等交通标志，保障施工期间交通安全。

　　4)建立洞内外联动机制，一旦发现监测数据异常，互通信息，中断匝道内行车。

　　7 结语

　　通过现场施工实测洞内和上部匝道的沉降数据，A匝道结构最大沉降值为1.21mm,B匝道结构最大沉降值为0.28mm。本文通过对下穿段截桩托换施工工法和关键技术的总结分析，形成以下结论。

　　1)实际监测沉降量小于模型计算结果，且变形量均满足预警值要求，说明截桩托换采用的施工方案安全可靠。

　　2)对不同的上跨下穿工程环境及特点进行具体分析，选择扰动小、精度高的施工机械最大限度地减小对近接结构物的影响。

　　3)隧道开挖施工对围岩的扰动必然会引起上部基岩失稳和周边围岩位移，围岩失稳、位移和截桩共同作用将改变匝道桥结构的内力和稳定性。而在原桩基与匝道桥底部交接处存在应力集中现象，应力值较大，需采取措施保证集中应力逐渐释放。

　　4)明确截桩过程中桩所受力的转换和抗变形措施以及其实施过程中对近接结构的影响，保证桩基承担力的及时有效转换。