寧和城際礦山法隧道下穿國鐵隧道影響分析

彭紅霞,程云妍,王懷東

(1.南京地鐵集團有限公司，江蘇 南京 210008；2.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133 )

寧和城際礦山法隧道下穿國鐵隧道影響分析

彭紅霞1,程云妍2,王懷東2

(1.南京地鐵集團有限公司，江蘇 南京 210008；2.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133 )

為驗證礦山法隧道設計的合理性和下穿貨運鐵路隧道的安全性，采用數(shù)值模擬方法，對寧和城際礦山法區(qū)間下穿寧蕪貨運鐵路隧道的影響進行了研究分析。結果表明，區(qū)間隧道施工完成后，寧蕪貨運鐵路隧道的最大沉降為6.7 mm，最大水平位移為1.2 mm，引起的最大附加彎矩為32 kN·m，變形值滿足貨運鐵路的運營要求，內力值也在結構的設計范圍內。說明定向管棚+超前小導管的地層加固措施是可行的，礦山法隧道下穿鐵路的設計是合理的，可為類似工程提供參考。

鐵路隧道；地鐵區(qū)間；礦山法；數(shù)值分析

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市地下空間開發(fā)日漸成為城市建設的熱點。城市地鐵線路經(jīng)常與地下其他建構筑物和鐵路產(chǎn)生沖突，這不僅給地鐵建設帶來了困難，同時也對既有結構和鐵路運營安全帶來了風險[1-2]。對于地鐵盾構隧道下穿施工引起的地表沉降規(guī)律也有不少研究,如霍軍帥等[3]對軟土地區(qū)盾構隧道下穿高速鐵路的加固方案進行了研究，通過采用樁+板組合加固，預留地鐵穿越通道，控制盾構施工參數(shù)，保證了盾構下穿高鐵的安全和后期運營要求；佘才高[4]對南京地鐵2號線下穿蕪湖鐵路施工方案進行了研究，通過對下穿鐵路段土體進行旋噴加固，軌道進行便梁防護，加強監(jiān)測等手段，保證了盾構下穿鐵路的安全；方曉慧等[5]研究了盾構不同頂推力對周邊建筑物變形和內力的影響；徐干成等[6]對盾構隧道下穿京津城際鐵路的影響進行了分析，得出盾構隧道下穿高鐵的變形規(guī)律。以上研究說明通過地層主動加固、優(yōu)化盾構施工參數(shù)和加強監(jiān)測可以保證盾構下穿鐵路的安全。

但對于地鐵礦山法隧道下穿鐵路的工程實例相對較少,如于軍[7]對北京地鐵淺埋暗挖隧道零距離下穿既有地鐵車站施工方案進行了研究，提出在隧道開挖輪廓線兩側2 m內進行全斷面注漿能夠顯著提高穿越段強度，采用千斤頂對既有車站結構底板進行頂撐，2種施工措施可有效降低既有車站的沉降和內力，確保既有車站結構最大沉降在3 mm以內；李新樂等[8]提出雙層大管棚和CRD工法相結合的施工方案可滿足淺埋暗挖穿越既有鐵路的運營安全和沉降要求，對本文具有一定的參考價值。

本文以寧和城際下穿既有寧蕪貨運鐵路隧道實際工程為例，采用短臺階暗挖施工，格柵鋼架+雙層鋼架網(wǎng)片+C25噴射混凝土初期支護，未對鐵路土體進行主動加固，也未對鐵路軌道進行便梁防護，而是采用定向管棚+超前小導管注漿的施工輔助措施，加之及時監(jiān)控量測和數(shù)值模擬礦山法隧道施工對寧蕪貨運鐵路隧道的影響，分析施工過程中既有隧道的內力和位移，以滿足暗挖隧道施工過程中既有貨運鐵路的安全和沉降要求，驗證了礦山法隧道設計的可行性和施工措施的合理性。

1 工程概況

寧和城際南京南站—景明佳園站為單洞單線礦山法區(qū)間，隧道中心線間距13 m，2條隧道斜向下穿既有寧蕪貨運鐵路，下穿段全長157.87 m，左線斜向交角為13.3°，右線交角為12.75°。區(qū)間隧道拱頂埋深為18.5～19.5 m，寧蕪貨運鐵路隧道拱頂埋深為4.985 m，地鐵區(qū)間隧道與寧蕪貨運隧道凈距為3.235～4.215 m。區(qū)間隧道與寧蕪貨運平面位置關系如圖1所示，剖面相互位置如圖2所示。

圖1 地鐵隧道下穿寧蕪貨運鐵路平面圖Fig.1 Plan showing relationship between Metro tunnel and existing freight railway tunnel

圖2 地鐵隧道與寧蕪貨運鐵路1-1剖面圖(單位：mm)

根據(jù)地質資料，下穿段地層主要為：①-2素填土、③-2b3軟塑狀粉質黏土、④-4e1+2可塑-硬塑粉質黏土夾卵、礫石、K1g-2強風化鈣、泥質砂巖、K1g-3中風化鈣、泥質砂巖。地鐵礦山法隧道穿越地層主要為K1g-3中風化鈣、泥質砂巖，地質條件較好；場地地下水主要為基巖裂隙水，富水性及透水性差。寧蕪貨運鐵路和地鐵礦山法隧道所處地層為粉質黏土、強-中風化粉質砂巖，如圖2所示。

2 隧道設計

2.1 貨運鐵路設計

既有寧蕪貨運鐵路隧道為現(xiàn)澆混凝土箱形結構，側墻厚1 m，底板厚1.2 m，凈寬9.1 m，凈高8.05 m。采用明挖順作法施工，圍護樁采用直徑1.2 m的鉆孔灌注樁，樁間采用φ600 mm的旋噴樁止水，如圖 2所示。

2.2 地鐵隧道設計

下穿段區(qū)間隧道采用礦山法施工，左右線均為單洞單線隧道，采用定向管棚+超前小導管結合的方式對周邊地層進行加固。隧道初期支護采用0.5 m間距φ22格柵鋼架+C25噴射混凝土，二次襯砌采用C35、P10現(xiàn)澆抗?jié)B混凝土，暗挖隧道斷面設計施工參數(shù)如圖3所示。

圖3 礦山法隧道斷面圖(單位：mm)

地鐵隧道采用短臺階法施工，左、右線掌子面距離為30 m，地鐵隧道與貨運鐵路隧道圍護結構沖突的位置采用人工鑿除的方法破除。

3 數(shù)值計算及分析

3.1 計算模型及參數(shù)

利用Midas-GTS有限元軟件建立三維實體模型，考慮到模型的簡化和下穿時最不利情況，模型中不考慮寧蕪貨運鐵路隧道的圍護結構和隧道的錨桿作用，單獨建立加固層來模擬暗挖隧道的管棚+超前小導管注漿。以初始自重應力場為基準，模擬礦山法隧道開挖如下：1)加固地層，并生成自重應力；2) 激活加固層，殺死隧道內土體單元，激活初期支護單元，進行應力釋放，釋放系數(shù)為18%；3)激活二次襯砌單元，并進行剩余應力釋放，釋放系數(shù)為82%。

為消除邊界效應，模型尺寸為130 m×230 m×70 m，如圖4所示。區(qū)間隧道和寧蕪貨運隧道結構如圖5所示，模型中土體視為理想M-C彈塑性模型[9]，土體和加固層采用空間四節(jié)點實體單元，區(qū)間隧道和寧蕪貨運隧道結構采用板單元模擬，分別賦予對應的材料和幾何參數(shù)，土體參數(shù)根據(jù)《寧和城際軌道交通一期工程D12-XK01標南京南站—景明佳園站區(qū)間巖土工程詳細勘察報告》，并結合文獻[2-3]進行適當修正，具體參數(shù)見表1和表2。

模型的側面和底面施加位移邊界條件，側面限制水平移動，底部限制垂直移動，上邊界為自由地面。寧和城際隧道施工采用短臺階法施工，但在三維數(shù)值模擬過程中，考慮模型的收斂和計算機的計算能力，模擬隧洞開挖采用全斷面開挖，開挖步長為7.5 m，左、右線隧道掌子面距離為30 m。

圖4 三維計算模型

圖5 區(qū)間隧道與寧蕪貨運隧道結構模型圖

表1圍巖參數(shù)表
Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rocks

地層重度/(kN/m3)彈性模量/MPa泊松比內摩擦角/(°)黏聚力/kPa①-2178136803710550③-1b1+2196304803116459③-2b3195211203615127K1g-12180025475100K1g-22216001847363400K1g-323726001747912800加固層23300024922956

表2 結構單元物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of structure

3.2 計算結果分析

為了更好地觀察貨運鐵路隧道結構的內力和位移，對寧蕪鐵路隧道結構斷面選取8個特征點，提取沿隧道方向各點的內力和變形值，各點布置如圖6所示。

3.2.1 對寧蕪貨運隧道結構內力的影響

提取寧蕪隧道橫斷面上8個特征點的橫向彎矩值(Mx)，沿隧道長度方向的縱向彎矩值(My)，并繪制成曲線，如圖7—10所示。

圖6 貨運隧道特征點分布圖Fig.6 Layout of monitoring points of existing freight railway tunnel

圖7 開挖前各點橫向彎矩值Fig.7 X-direction bending moment of each monitoring point of existing freight railway tunnel before Metro tunnel excavation

圖8 開挖后寧蕪貨運隧道各點橫向彎矩值Fig.8 X-direction bending moment of each monitoring point of existing freight railway tunnel after Metro tunnel excavation

圖9 開挖前各點縱向彎矩值Fig.9 Y-direction bending moment of each monitoring point of existing freight railway tunnel before Metro tunnel excavation

圖10 開挖后各點部位縱向彎矩值Fig.10 Y-direction bending moment of each monitoring point of existing freight railway tunnel after Metro tunnel excavation

由圖7—10可知，彎矩較大值主要位于底板和頂板中部。由圖7和圖8可知，礦山法區(qū)間隧道施工完成后，寧蕪貨運鐵路隧道橫向彎矩(Mx)最大值由850 kN·m增加至882 kN·m，最大彎矩值發(fā)生在底板，這主要是由于2個暗挖隧道開挖時，左下、右下開挖卸載造成的。由圖9和圖10可知，鐵路隧道底板縱向彎矩(My)最大值由191 kN·m增大至215 kN·m，縱向彎矩增加較小，這是因為隧道結構為長條形結構，礦山法區(qū)間隧道開挖對縱向彎矩影響較小。而且發(fā)現(xiàn)橫向彎矩大于縱向彎矩，越靠近2個隧道的交叉位置，橫向和縱向彎矩增量越大。

從圖11和圖12可知，開挖前隧道軸向壓力最大值為286.9 kN，位于下穿交點的側墻處；下穿寧蕪貨運隧道段考慮列車荷載后，最大軸向壓力為419.3 kN，軸力值增大了46%，軸力遠小于設計值。

綜上，寧蕪貨運隧道內力變化很小，未超出既有隧道結構的承載范圍。

3.2.2 對寧蕪貨運結構變形的影響

由圖13和圖14可知，暗挖隧道距離貨運鐵路隧道越近，卸載量越大，引起的水平位移也越大。如圖13所示，在東側段，2個暗挖區(qū)間隧道均位于寧蕪貨運隧道的南側，左墻水平位移指向南側，為-1.2 mm；在西側段，2個暗挖區(qū)間隧道均位于寧蕪貨運隧道的北側，右墻中心的水平位移指向南側，最大水平位移為1.0 mm。在暗挖隧道與寧蕪貨運隧道交叉位置，左、右側墻的水平位移最小為0.5 mm，是由于隧道底部左下和右下同時進行卸載，使得側墻左右側卸載量等同，因而交叉點處水平位移較小。

同時發(fā)現(xiàn)既有隧道水平方向位移遠遠小于豎向位移。鐵路最大水平偏差為0.2 mm，位移滿足(υmax≤120 km/h)貨運鐵路經(jīng)常保養(yǎng)的靜態(tài)水平偏差管理值6 mm，滿足貨運鐵路的正常運營要求。

由圖15和圖16可知，2個暗挖隧道施工完成后，230 m范圍內寧蕪貨運隧道結構的最大沉降為6.7 mm，位于頂板中部；最小沉降為3.3 mm，位于底板中部。線路最大靜態(tài)高低偏差為0.5 mm(10 m弦)，遠小于貨運線(υmax≤120 km/h)經(jīng)常保養(yǎng)的靜態(tài)高低偏差值(10 m弦長沉降6 mm)的要求。

圖11 開挖前隧道結構軸力圖Fig.11 Axial force of existing freight railway tunnel before Metro excavation

圖12 開挖后隧道結構軸力圖Fig.12 Axial force of existing freight railway tunnel after Metro tunnel excavation

圖13 貨運鐵路隧道X方向位移云圖Fig.13 Contour of X-direction displacement of existing freight railway tunnel

圖14 貨運隧道各點X方向位移曲線圖Fig.14 Curves of X-direction displacement of existing freight railway tunnel

圖15 貨運鐵路隧道Z方向位移云圖Fig.15 Contour of Z-direction displacement of existing freight railway tunnel

圖16 貨運隧道斷面監(jiān)測點Z向位移曲線圖Fig.16 Curves of Z-direction displacement of existing freight railway tunnel

最大沉降位于區(qū)間隧道與寧蕪鐵路隧道相交地點。這是因為寧蕪貨運隧道左下、右下2個區(qū)間隧道的開挖導致周邊土體的松動，引起寧蕪貨運隧道頂部左右側松動區(qū)的聯(lián)通。加之結構頂板上部為素填土回填，底板位于風化巖層中，下部隧道開挖引起周圍巖層的變形也必定引起上部沉降較大，下部較小。

3.2.3 實測數(shù)據(jù)分析

鐵路貨運隧道底板每隔10 m埋設一測點，主要監(jiān)測豎向沉降，在左、右側墻中心位置每隔10 m埋設測點，主要監(jiān)測隧道結構的水平位移。貨運隧道底板中心沉降曲線如圖17所示。

由圖17可知，寧和城際左線隧道掌子面施工位于交叉節(jié)點處，節(jié)點的最大沉降為-2.4 mm；待左、右線隧道全部穿越貨運隧道，沉降穩(wěn)定后，貨運隧道底板的最大沉降為-4.3 mm，位于寧和城際和貨運隧道交叉點，原因同前，實測值略小于計算值，基本滿足貨運鐵路經(jīng)常保養(yǎng)的靜態(tài)高低偏差值。

該段城際隧道施工完成后，底板、左、右側墻中心水平位移實測值如圖18所示，規(guī)律與數(shù)值模擬一致，隧道施工完成后，左側墻最大水平位移為-1 mm，右側墻中心最大水平位移為0.8 mm，底板中心最大水平位移為-0.9 mm，均滿足貨運鐵路經(jīng)常保養(yǎng)的靜態(tài)水平偏差值。

圖17 貨運隧道底板中心實測沉降值Fig.17 Measured settlement of bottom center of existing freight railway tunnel

圖18 貨運隧道水平位移曲線值Fig.18 Curves of horizontal displacement of existing freight railway tunnel

綜上，隧道內力未超出結構設計最大內力值，能確保既有隧道的安全，鐵路變形均滿足貨運鐵路經(jīng)常保養(yǎng)的靜態(tài)管理值。說明地鐵隧道采用的短臺階施工方法，以及管棚+小導管注漿支護措施能很好地控制結構的內力和變形，同時也能滿足貨運鐵路運營的要求。

4 結論與討論

通過三維模擬分析，研究了礦山法地鐵隧道下穿貨運鐵路的影響，并得出以下結論：

1)2個區(qū)間隧道下穿貨運鐵路隧道后，橫向彎矩最大值由850 kN·m增加至882 kN·m，最大彎矩值發(fā)生在交叉點的底板處，內力均在結構的承載范圍內。

2)施工完成后，貨運鐵路隧道橫向最大水平位移為1.2 mm，位于隧道西側，交叉點處水平位移因左右線區(qū)間卸載基本一致，側墻水平位移為0.5 mm，水平位移變化滿足貨運鐵路靜態(tài)管理限值的要求。

3)施工完成后，最大豎向位移僅6.7 mm，位于頂板中部；最小豎向位移僅3.3mm，位于底板中部，均位于下穿交叉點處。最大靜態(tài)高低偏差0.5 mm，滿足貨運鐵路(υmax≤120 km/h)經(jīng)常保養(yǎng)的靜態(tài)高低偏差值(10 m弦長沉降6 mm)的要求。

通過模擬分析和實測結果說明：短臺階施工方法，管棚+超前小導管注漿加固方式，格柵鋼架+雙層鋼架網(wǎng)片+C25噴射混凝土的支護方法，可有效控制鐵路隧道的內力和變形。但如何考慮地層、注漿、隧道結構、圍護樁、軌道結構等多種因素，并提出一套更為完整的應對下穿貨運線的設計、施工、監(jiān)測、管理方法和控制措施，還有待進一步深入研究。

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AnalysisonInfluenceofConstructionofMiningTunnelonNanjing-HexianInter-cityRailwayCrossingUnderneathExistingFreightRailwayTunnel

PENG Hongxia1,CHENG Yunyan2,WANG Huaidong2

(1.NanjingMetroGroupCo.,Ltd.,Nanjing210008,Jiangsu,China;2.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

The influence of the construction of a mining tunnel on Nanjing-Hexian inter-city railway crossing underneath an existing Nanjing-Wuhu freight railway tunnel is analyzed by means of numerical simulation,so as to verify the rationality of the design of the mining tunnel and the safety of the existing freight railway tunnel.The results show that,after the construction of the mining tunnel,the maximum settlement of the existing railway tunnel is 6.7 mm,the maximum horizontal displacement of the existing railway tunnel is 1.2 mm and the maximum additional bending moment induced is 32 kN·m.The deformation values can meet the operation requirements of the existing freight railway and the internal forces are within the design scope of the structures.It is verified that the ground reinforcement measures including “directional pipe-roof + forepoling” taken are reliable,and the design of the mining tunnel crossing underneath the existing railway tunnel is rational.The paper can provide reference for similar projects in the future.

existing railway tunnel; Metro tunnel; mining method; numerical analysis

2014-08-11;

2014-11-13

彭紅霞(1982—)，女，四川南部人，2004年畢業(yè)于西南交通大學，土木工程專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事地鐵設計、研究和管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.004

U 45

A

1672-741X(2014)12-1137-06