地鐵區(qū)間下穿成綿樂高鐵設(shè)計方案研究

葉至盛

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，510010，廣州∥工程師）

地鐵區(qū)間下穿成綿樂高鐵設(shè)計方案研究

葉至盛

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，510010，廣州∥工程師）

通過對地鐵區(qū)間下穿高鐵無砟軌道方案的研究，分析了地鐵區(qū)間下穿未運(yùn)營的高鐵無砟軌道線路的可行性。以成都地鐵4號線二期東延線萬年場站—東三環(huán)站礦山法施工區(qū)間下穿即將運(yùn)營的成綿樂城際高速鐵路（無砟軌道）為例，通過與同類工程進(jìn)行類比，并結(jié)合理論計算分析，綜合評估了地鐵下穿施工對高鐵的影響。經(jīng)與實際監(jiān)測結(jié)果比較，證明設(shè)計方案是合理的，計算具有較高的可靠度。提出了對高鐵的具體保護(hù)措施及沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，為今后類似工程設(shè)計提供借鑒及參考。

地鐵區(qū)間；礦山法下穿施工；沉降控制

Author＇s address Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou，China

中國是世界上同時在建高速鐵路和地鐵規(guī)模最大的國家。個別城市已出現(xiàn)地鐵線路與高速鐵路無砟軌道路基段線路交叉［1-7］。本文對成都地鐵4號線二期東延線工程萬年場站—東三環(huán)站區(qū)間下穿成綿樂高鐵設(shè)計過程中遇到的問題進(jìn)行深入研究，總結(jié)出類似條件下地鐵區(qū)間下穿高鐵無砟軌道路基的設(shè)計方法，特別是針對高鐵即將運(yùn)營而規(guī)劃與之交叉的地鐵區(qū)間才開始動工的情況，為類似工程提供借鑒。

1　項目背景

成綿樂高鐵起于成都東站，向北經(jīng)德陽、綿陽引入江油站，向南經(jīng)成都南站、雙流機(jī)場，最終抵達(dá)峨眉山站，正線全長約314 km，設(shè)計速度250 km/h，是西南地區(qū)首條開工建設(shè)的城際高速鐵路。

地鐵萬年場站—東三環(huán)站區(qū)間在成洛路下穿地道框架段處底下下穿成綿樂高鐵無砟軌道線路（見圖1、圖2）。該高鐵段已于2014年3月開始靜態(tài)驗收，無砟軌道線路鋼軌已精調(diào)并焊接鎖定。成綿樂高鐵于2014年8月15日進(jìn)行全線聯(lián)調(diào)聯(lián)試，并于2014年年底開通運(yùn)營。為避免地鐵區(qū)間施工對高鐵運(yùn)營產(chǎn)生影響，地鐵區(qū)間必須在高鐵全線聯(lián)調(diào)聯(lián)試前完成下穿段施工。

圖1　地鐵與高鐵線路區(qū)位關(guān)系圖

圖2　地鐵區(qū)間上面的成洛路地道與高鐵關(guān)系實景照

2　地鐵區(qū)間下穿高鐵段概況

2.1下穿高鐵段概況

地鐵萬年場站—東三環(huán)站區(qū)間下穿處的成綿樂高鐵里程為D1K153+704～D1K153+744，距成都東客站站臺約2.2 km。此段高鐵設(shè)計時速為160 km，采用CRTSⅠ型板式無砟軌道。無砟軌道結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　成綿樂高鐵軌道結(jié)構(gòu)圖

高鐵下方的成洛路下穿地道A1框架段長18 m，寬39.9 m，為箱體結(jié)構(gòu)。其底板下方地基加固采用CFG（水泥粉煤灰碎石）樁，設(shè)計樁徑為0.5 m，按正三角形布置，間距為1.5 m，樁長約7.5 m。樁穿過全風(fēng)化泥巖后樁底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖層。加固后地基容許承載應(yīng)力不小于0.18 Mpa。

2.2工程地質(zhì)

下穿段位于成都平原區(qū)與龍泉山低山丘陵區(qū)過渡帶的成都東部臺地地區(qū)，屬川西平原岷江水系Ⅲ級階地。地層從上至下為：人工素填土，粉質(zhì)黏土，全風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化，中風(fēng)化泥巖。下穿段位于中等風(fēng)化泥巖地層，地鐵隧道頂距地面約27.7 m，拱頂有7～9 m厚的中等風(fēng)化泥巖層。中等風(fēng)化泥巖為紫紅色，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，傾角近水平的層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較軟，局部夾砂質(zhì)泥巖。根據(jù)室內(nèi)試驗，該土體強(qiáng)度為6.24～15.4 Mpa，局部可達(dá)23.6 Mpa，飽和吸水率為5.3%～59.3%，膨脹應(yīng)力為10～220 kpa，自由膨脹率為6%～62%。巖石堅硬程度分類為軟巖—較軟巖，巖體等級分類為Ⅳ。

3　沉降控制標(biāo)準(zhǔn)確定

由于成綿樂高鐵采用無砟軌道敷設(shè)，故完工后不允許有危害鐵路運(yùn)營安全性或損壞線路可使用性的軌道變位，且工后總沉降也不能超過系鋼軌件豎向高度調(diào)整量的允許值。根據(jù)文獻(xiàn)［8］規(guī)定：對于調(diào)高量為30 mm的扣件，扣除施工誤差（+6 mm～-4 mm）影響，僅有20 mm調(diào)整空間；若再考慮列車運(yùn)行時需要預(yù)留5 mm的余量，則實際留給運(yùn)營期間路基、軌道沉降的允許調(diào)整量僅為15 mm。即只有路基沉降量不大于15 mm時，才能保證設(shè)計的軌道高程和平整度。因此，無砟軌道路基工后沉降應(yīng)符合扣件調(diào)整能力和線路豎曲線圓順的要求，且工后沉降不宜超過15 mm。此處所述的工后沉降是指無砟軌道鋪設(shè)完成后路基可能繼續(xù)發(fā)生的沉降。

考慮高鐵正常運(yùn)營安全的需要，結(jié)合國內(nèi)隧道下穿高鐵的經(jīng)驗，高鐵區(qū)域內(nèi)無砟軌道路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)確定為-15 mm，沉降差不超過5 mm。

綜合理論計算結(jié)果、地質(zhì)條件、覆土埋深、同類工程經(jīng)驗，并結(jié)合現(xiàn)場礦山法橫通道的施工經(jīng)驗后提出本設(shè)計的沉降標(biāo)準(zhǔn)控制值為2.5 mm。專家組對該設(shè)計的評審意見為：原則同意設(shè)計單位提出的下穿成綿樂高鐵段地鐵施工引起的無砟軌道的沉降量控制在2.5 mm以內(nèi)（含施工沉降）。

4　同類工程的經(jīng)驗案例

隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)的發(fā)展，地鐵區(qū)間下穿高鐵有砟軌道路基段的實例較多，但下穿高鐵無砟軌道路基段的實例屈指可數(shù)。

廣州地鐵9號線區(qū)間隧道在出廣州北站后下穿武廣客運(yùn)專線4條股道及兩側(cè)站臺。武廣客運(yùn)專線為設(shè)計時速350 km的高速鐵路，軌道采用CRTSI型雙塊式無砟軌道，從2009年底開始已投入運(yùn)營。該工程是國內(nèi)外首次地鐵盾構(gòu)隧道下穿時速350 km高速鐵路無砟軌道路基段，已得到原鐵路部的正式批復(fù)。根據(jù)專家審查會，要求“在盾構(gòu)下穿階段高鐵運(yùn)營應(yīng)采取限速措施，無砟軌道沉降按5 mm控制，同時不得隆起，避免對軌道結(jié)構(gòu)的破壞”。原鐵道部批復(fù)意見要求路基面不發(fā)生隆起，沉降應(yīng)滿足設(shè)計要求，同時要求該段鐵路限速80 km/h。

此案例說明，地鐵區(qū)間隧道在地質(zhì)條件較差、覆土淺、高鐵已運(yùn)營等復(fù)雜條件下，通過相關(guān)技術(shù)措施的保證，穿越高鐵無砟軌道路基段是具有可行性的。

5　設(shè)計方案

5.1施工工法選擇

國內(nèi)地鐵區(qū)間通常采用盾構(gòu)法施工，有著施工快速、安全可靠、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。萬年場站—東三環(huán)站區(qū)間工程也計劃采用盾構(gòu)法施工。為避免區(qū)間施工對高鐵運(yùn)營產(chǎn)生影響，必須在2014年8月15日高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試前完成本段區(qū)間施工。因當(dāng)時4號線二期工程未全面開工，不具備盾構(gòu)始發(fā)接收等條件，采用盾構(gòu)法施工不能滿足工期要求，遂采用礦山法提前施作下穿高鐵段的區(qū)間（見圖4），待后期再將盾構(gòu)機(jī)從東三環(huán)站下井始發(fā)，空推通過本段高鐵下的礦山法施工區(qū)間，在萬年場站再解體吊出，以貫通整個區(qū)間。

圖4　成都地鐵4號線萬年場站—東三環(huán)站區(qū)間施工方法分段平面圖

5.2礦山法區(qū)間設(shè)計方案

成都地鐵4號線萬年場站—東三環(huán)站區(qū)間沿成洛路下方敷設(shè)，借助成洛路北側(cè)地鐵區(qū)間風(fēng)井作為施工豎井，利用橫通道與正線相連。下穿地段的地鐵正線隧道長51.2 m，其起點(diǎn)與橫通道相連，終點(diǎn)設(shè)于成洛路下穿地道A1框架段與相臨U槽段的分界處下方。

為保證后期盾構(gòu)機(jī)能空推通過，區(qū)間正線礦山法隧道設(shè)計斷面近似為圓形結(jié)構(gòu)（見圖6），內(nèi)凈寬為8.0 m，內(nèi)凈高為8.1 m。拱頂埋深約為27.7 m。地鐵隧道頂距成洛路下穿地道底板18 m，距CFG樁底部約10.5 m（見圖5）。

圖5　地鐵正線隧道襯砌斷面圖

下穿段的地鐵隧道礦山法采用工字上下臺階法施工。初期支護(hù)采用間距0.5 m的22#工字鋼拱架和厚0.3 m C25早強(qiáng)噴射混凝土，二次襯砌采用厚0.5 m C40鋼筋混凝土。

地鐵盾構(gòu)區(qū)間斷面為圓形結(jié)構(gòu)，外徑為6 m，管片襯砌厚度為0.3 m（見圖6）。

圖6　地鐵區(qū)間下穿高鐵段隧道與高鐵的剖面關(guān)系圖

5.3設(shè)計保護(hù)措施

（1）調(diào)整線路縱斷面，增大隧道埋深。為盡量減少地鐵區(qū)間施工對成綿樂高鐵影響，將臨近穿越地點(diǎn)的萬年場車站設(shè)計為地下三層站，同時從萬年場站下行至穿越地點(diǎn)采用較大線路縱向坡度，最大程度加大隧道埋深，使下穿段地鐵區(qū)間完全位于中等風(fēng)化泥巖地層內(nèi)。本下穿段地鐵隧道拱頂埋深達(dá)27.7 m。

（2）增大礦山法隧道線間距。地鐵區(qū)間左右線間距一般以1倍洞徑為宜，故本工程按外徑寬8 m，則左右外輪廓凈距為8 m即可滿足設(shè)計和施工要求。本地鐵區(qū)間穿越高鐵段線間距增大至21 m，兩線開挖外輪廓凈距為13 m，以保證左右線在礦山法施工時不會引起重疊沉降。同時，優(yōu)化位置后的礦山法隧道頂部未正對成洛路下穿地道框架結(jié)構(gòu)傳遞豎向壓力的隔墻下方。

（3）加強(qiáng)支護(hù)措施。在中風(fēng)化地層，地鐵隧道拱頂埋深達(dá)20 m以上。根據(jù)經(jīng)驗，類似洞徑的地鐵礦山法施工區(qū)間通常采用間距較大的格柵鋼架，無需采用超前支護(hù)措施。由于本段區(qū)間下穿高鐵，為保證沉降可控，不僅加強(qiáng)了初期支護(hù)設(shè)計，在穿越高鐵范圍內(nèi)采用間距0.5 m的22#工字鋼拱架，同時還局部采用了自進(jìn)式錨桿的超前支護(hù)措施以及拱頂增加了系統(tǒng)錨桿，以進(jìn)一步加強(qiáng)對開挖期間的沉降控制。

5.4施工階段應(yīng)急補(bǔ)償措施

若施工過程中，當(dāng)監(jiān)測高鐵軌道沉降結(jié)果達(dá)到報警值（建議為1.5 mm）時，應(yīng)采取灌漿抬升法作為應(yīng)急補(bǔ)償措施。

灌漿抬升法即在發(fā)生沉降的建構(gòu)筑物地基中布置注漿管，有控制性地注入水泥漿液或化學(xué)漿液，不僅能加固基礎(chǔ)下部的土體，還可使建構(gòu)筑物基礎(chǔ)抬高，從而達(dá)到消除沉降的目的?；瘜W(xué)漿液能在地基中產(chǎn)生膨脹反應(yīng)，而高壓注入水泥漿液能對地基土產(chǎn)生壓力、加固、拱抬作用。這都是使地基土產(chǎn)生豎向膨脹抬升的原因。

本工程在高鐵下方的成洛路下穿地鐵道框架底板上布置了可重復(fù)注漿孔。如地鐵區(qū)間施工引起成綿樂高鐵的沉降超過報警值，則采取跟蹤補(bǔ)償注漿來抬升下穿地道的框架，以消除高鐵路基沉降，確保運(yùn)營安全。

5.5高鐵工后沉降的調(diào)節(jié)補(bǔ)償措施

地鐵隧道洞室開挖會造成拱頂?shù)街酗L(fēng)化巖面巖層的卸載，從而帶來后續(xù)的滯后沉降?？衫盟淼赖椎乃×?，來補(bǔ)償拱頂以上的巖層變形。故隧道施工完成后一般不會再引起高鐵路基沉降變形。

但若后期高鐵由于地鐵區(qū)間隧道施工的影響出現(xiàn)滯后沉降，且沉降超出控制標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)采取應(yīng)急補(bǔ)償措施：

（1）在成洛路下穿地道底板下方跟蹤注漿?？衫每蚣芏蔚装宀贾玫目芍貜?fù)注漿孔進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿，以補(bǔ)償?shù)貙訐p失，控制高鐵路基的變形，確保高鐵安全。

（2）利用鋼鐵扣件剩余調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)軌道變形量。地鐵區(qū)間下穿高鐵段采用CRTSⅠ型板式軌道和WJ-7B型扣件。根據(jù)文獻(xiàn)［9］，鋼軌高低調(diào)整量為+26 mm、-4 mm。

6　數(shù)值模擬分析

6.1模型建立

有限元模型上邊界距隧道頂部取實際埋深值，左邊界距左隧道左側(cè)50 m，右邊界距右隧道右側(cè)50 m，下邊界距右隧道底部21 m。模型總尺寸（長×高）為130 m×56 m。

有限元計算中各種材料的物理力學(xué)參數(shù)原則上根據(jù)地勘報告建議值和相關(guān)規(guī)范取值。并根據(jù)橫通道施工過程中反饋的地表沉降，經(jīng)反復(fù)試算對地層參數(shù)進(jìn)行修正。模擬超前支護(hù)及上覆成綿樂高鐵CFG樁加固路基時均提高地層彈性模量，支護(hù)范圍取隧道拱頂約120°范圍。計算考慮不同開挖階段的應(yīng)力釋放，且先開挖左線隧道。根據(jù)不同的地層、開挖分部和開挖邊界進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組劃分，從而得到有限元模型如圖7所示。

圖7　下穿隧道的有限元模型圖

模型的邊界條件為；底面固定Z方向，左右面固定X方向，前后面固定Y方向，頂面為自由表面。

6.2模擬的基本過程

模型建立完畢后，首先，施加下穿隧道及上部高鐵路基荷載；然后，進(jìn)行初始地應(yīng)力場模擬；最后，進(jìn)行隧道的上臺階開挖、初期支護(hù)施做、下臺階施工和初期支護(hù)施工的模擬。隧道的開挖順序為先開挖左側(cè)隧道，待左側(cè)隧道初期支護(hù)完成后再進(jìn)行右側(cè)隧道的開挖、支護(hù)。

6.3模擬計算結(jié)果及分析

經(jīng)計算，左線隧道施工初期支護(hù)后，地面最大沉降量為1.36 mm，位于左線隧道正上方。右線隧道施作初期支護(hù)后，地面最大沉降量為1.98 mm，位于下穿隧道正上方。洞內(nèi)拱頂最大累計理論沉降量為4.2 mm。

地層豎向應(yīng)力特征隨著主要施工步驟的變化特征如圖8～圖9所示。

從圖9可以看出，左側(cè)隧道施工完成后，在隧道左右產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為-1.22 Mpa。隧道上下應(yīng)力較小，僅為-0.39 Mpa左右。這是因為隧道施工引起的應(yīng)力釋放造成的。右側(cè)隧道施工完成后，呈現(xiàn)出和左側(cè)隧道基本一致的應(yīng)力狀態(tài)。以成洛路下穿地道中心線為橫軸中線，繪高鐵路基計算沉降曲線見圖11。下穿地道寬40 m，最大沉降量為1.98 mm；中心線兩側(cè)60 m以外范圍沉降值在1.5 mm以內(nèi)。理論計算高鐵路基沉降量為1.98 mm，小于設(shè)定的控制值2.50 mm。

圖8　地層豎向初始應(yīng)力圖

圖9　隧道完成后地層豎向應(yīng)力圖

圖10　高鐵路基沉降曲線圖

7　施工結(jié)果

地鐵礦山法施工的初期支護(hù)由橫通道向高鐵方向施工，二次襯砌由高鐵向橫通道方向施工。本工程地鐵隧道于2014年5月18日動工，8月10日完成下穿段施工，2014年10月7日完成剩余礦山法施工，歷時113 d順利完成。根據(jù)中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計院成都地鐵測量試驗中心的監(jiān)測和深圳市工勘巖土工程有限公司第三方監(jiān)測單位的測量結(jié)果，施工期間高鐵無砟軌道路基的沉降最大值為1.2 mm。

成綿樂高鐵于2014年8月15日完成全線聯(lián)調(diào)聯(lián)試，并于2014年12月20日正式通車運(yùn)營。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，地鐵區(qū)間隧道施工未引起高鐵無砟軌道路基的滯后沉降。

地鐵區(qū)間施工期間引起的沉降及高鐵通車后的滯后沉降均未達(dá)到2.5 mm，沉降可控。施工期間未發(fā)生沉降報警，也未采用地道底板下方注漿或者利用扣件剩余調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)軌道變形量等措施。

8　結(jié)語

本項目為地鐵區(qū)間采用礦山法下穿即將運(yùn)營的高鐵無砟軌道線路，現(xiàn)已順利實施完成。工程實例說明，在地質(zhì)條件較好、地鐵隧道埋深較深、施工時高鐵未開通等類似情況下，地下區(qū)間隧道通過相關(guān)技術(shù)措施的保證，穿越高速鐵路無砟軌道線路是可行的。

根據(jù)已完成的工程沉降監(jiān)測結(jié)果，成洛路下穿地道框架段下方地鐵礦山法施工引起的成綿樂高鐵無砟軌道線路的沉降（含工后沉降）控制在1.5 mm以內(nèi)，實現(xiàn)了控制目標(biāo)。

當(dāng)區(qū)域內(nèi)規(guī)劃地鐵線路與高速鐵路線路（無砟軌道）交叉時。由于無砟軌道對沉降的控制要求較高，應(yīng)及早做好規(guī)劃和施工時間安排，建議應(yīng)在高鐵運(yùn)營前提前完成地鐵線路施工，以有效避免地鐵施工對高鐵運(yùn)營產(chǎn)生影響。

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Design of Subway Section Crossing under Chengdu-Mianyang-Leshan Intercity High Speed Railway

Ye Zhisheng

The plan of subway section crossing under the ballastless track of high-speed railway isintroduced，the feasibility of this plan for not yet operated high-speed railway is analyzed.Based on the phase II of Chengdu Subway Line 4，the mining method adopted at the interval from Wannian Station to Dongsanhuan Station on the east extension line is studied，which crosses under the ballastless track of Chengdu-Mianyang-Leshan Intercity High-speed Railway.Through comparison with similar projects and combined with theoretical calculation，the impact of subway over the high-speed railway during its construction is comprehensively assessed. Compared with the actual monitoring data，it shows that the design plan is reasonable，the calculation has high reliability. Finally，specific protective measures and setlement control standards are proposed for the high-speed railway，to provide a reference for the design of similar projects.

subway section；undercrossing mining construction；settlement control

U 455.41+1

10.16037/j.1007-869x.2016.03.012

（2015-02-06）