地鐵暗挖雙連拱隧道下穿既有鐵路施工影響分析

高 強(qiáng)

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州 510010)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模不斷增大，下穿既有公路、鐵路的工程越來(lái)越多，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。隧道開挖必然會(huì)對(duì)周圍地層造成一定的擾動(dòng)，引起地層的應(yīng)力變化，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形，并且隨著施工過(guò)程的進(jìn)行，影響范圍也不斷擴(kuò)大，最終通過(guò)地層傳遞到地表，引起地表的沉降和變形，進(jìn)而對(duì)公路、鐵路的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響[4-11]。新建地鐵區(qū)間隧道下穿既有鐵路施工時(shí)，隧道開挖施工或多或少會(huì)引起鐵路路基和軌道的整體沉降和不均勻沉降，造成鐵路軌道的前后不平順、左右線存在高差等現(xiàn)象，這些都會(huì)給鐵路的運(yùn)營(yíng)舒適性和安全性[12-13]帶來(lái)很大的不確定性。

西安地鐵5號(hào)線紡織城火車站站—一期終點(diǎn)區(qū)間需要下穿既有西康鐵路施工，受線路條件限制，區(qū)間隧道和鐵路路基之間豎向凈距約18 m，僅為1.5倍隧道開挖跨度。為降低隧道開挖對(duì)鐵路的影響，保證掘進(jìn)期間隧道自身和既有鐵路的安全，參照相關(guān)規(guī)范和類似工程的研究資料，提出了既有鐵路的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行了線路條件、開挖斷面、施工工法等多方面的比選，擬定了區(qū)間隧道設(shè)計(jì)方案，提出了輔助工程措施，并對(duì)隧道開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，同時(shí)對(duì)鐵路的安全防護(hù)提出了施工、監(jiān)測(cè)和維修養(yǎng)護(hù)等方面的要求。

1 工程概況

1.1 地鐵區(qū)間隧道與西康鐵路概況

紡織城火車站站—一期終點(diǎn)區(qū)間為站后雙存車線區(qū)間，全長(zhǎng)約243 m，左右線間距5 m。區(qū)間在YDK46+458.000—YDK46+480.000段下穿西康鐵路。區(qū)間縱斷面采用單線坡設(shè)計(jì)，區(qū)間出紡織城火車站站后以2‰的坡度下坡至一期終點(diǎn)。隧道拱頂最深埋深約27 m，其中下穿鐵路段埋深約18 m。區(qū)間采用淺埋暗挖法施工，其中交叉渡線段采用單洞雙線大斷面隧道施工，其余采用雙連拱隧道施工。

西康鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h，采用鋼筋混凝土軌枕、道床型式為碎石道床，鐵路在地鐵隧道下穿段無(wú)道岔。

地鐵區(qū)間隧道與西康鐵路平面成62°交角，隧道拱頂距離鐵路路基約18.3 m。兩者之間的平剖面關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 區(qū)間隧道與鐵路平面關(guān)系圖

圖2區(qū)間隧道與鐵路剖面關(guān)系圖

1.2 工程及水文地質(zhì)概況

場(chǎng)地地貌單元為山麓斜坡坡積裙，地形起伏較大，地面高程438.72 m～469.49 m，最大高差約30.77 m。場(chǎng)地地層主要為人工填土；第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、殘積古土壤；上更新統(tǒng)洪積粉質(zhì)黏土及砂類土；中更新統(tǒng)湖積粉質(zhì)黏土及砂類土等，其中3-1新黃土、3-2古土壤、4-1-1老黃土層局部具自重濕陷性，施工場(chǎng)地屬自重濕陷性黃土場(chǎng)地，但隧道基底位于非濕陷性土層。場(chǎng)地地下水主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于粉質(zhì)黏土、砂類土及卵石類土層中，水量較大。穩(wěn)定地下水水位埋深為13.20 m～42.40 m，基本位于軌面附近，水位年變化幅度為約2.0 m～3.0 m。

1.3 鐵路保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

參照《鐵路線路修理規(guī)則》[14]對(duì)鐵路線路的沉降、隆起和鐵軌間的差異沉降等要求，以及國(guó)內(nèi)其它城市地鐵下穿鐵路實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和控制標(biāo)準(zhǔn)[15-19]，既有西康鐵路變形控制采用如下標(biāo)準(zhǔn)值：

(1) 鐵路路基、地面最大變形值+2 mm～-15 mm；

(2) 鐵路軌面最大豎向變形值小于8 mm；

(3) 左右軌之間差異沉降值小于6 mm；

(4) 單軌10 m內(nèi)差異沉降值小于8 mm。

2 設(shè)計(jì)方案比選

(1) 線路方案優(yōu)化。本段線路作為車站站后停車線，其走向必須滿足車站使用要求，根據(jù)工況和初步設(shè)計(jì)階段線路比選，綜合考慮車站控制性邊界條件、周邊規(guī)劃、客流吸引及車站使用功能等因素后，確定本段線路平面無(wú)法避讓鐵路。

另外減少地面沉降的有效辦法是加大區(qū)間隧道埋深。按照目前的線路方案，在區(qū)間出紡織城火車站約120 m后就要下穿西康鐵路，且本段線路設(shè)置交叉渡線，線路縱坡不宜過(guò)大，已最大限度的加大了埋深。

(2) 施工工法選擇。區(qū)間內(nèi)設(shè)雙存車線，且存在交叉渡線，線間距為5 m，無(wú)法采用盾構(gòu)法施工，明挖法施工對(duì)周邊環(huán)境影響較大，無(wú)法滿足鐵路下穿施工，因此本區(qū)間采用淺埋暗挖法施工。

根據(jù)線路條件，隧道斷面可在交叉渡線段需采用單洞雙線的大斷面隧道，但交叉渡線以外(包括下穿西康鐵路段)可采用單洞雙線的大斷面隧道和雙連拱隧道兩種斷面型式，兩種隧道斷面的開挖、支護(hù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)工程以及西安地區(qū)暗挖施工經(jīng)驗(yàn)，隨著暗挖斷面的增大，施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)越大，相應(yīng)的引起地面沉降越大。另外，雙連拱隧道中隔墻為模注鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其整體剛度遠(yuǎn)大于格柵鋼架，能及時(shí)發(fā)揮豎向支頂作用，有利于控制豎向沉降。而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拆除臨時(shí)中隔壁時(shí)，沉降增加幅度較大。另外本區(qū)間常水位在軌面位置，抗浮水位在拱腰附近，這使得雙連拱隧道拱頂施工縫不利于防水的缺點(diǎn)，基本不會(huì)發(fā)生。因此，本區(qū)間在下穿西康鐵路段采用雙連拱斷面進(jìn)行施工，隧道襯砌斷面圖如圖3所示。

表1 隧道開挖支護(hù)參數(shù)表

圖3區(qū)間隧道襯砌斷面圖(單位：mm)

(3) 輔助工程措施。

① 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)。施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，掌握掌子面前方圍巖及地下水情況，若發(fā)現(xiàn)工程水文地質(zhì)條件與地勘報(bào)告不符，應(yīng)及時(shí)采取針對(duì)性措施。下穿鐵路前采用大管棚配合超前小導(dǎo)管注漿加固隧道圍巖，確保掌子面的穩(wěn)定，降低隧道施工對(duì)既有鐵路的影響。

② 增設(shè)臨時(shí)仰拱、及時(shí)背后注漿。隧道采用中洞法+臺(tái)階法進(jìn)行施工，且各開挖部均設(shè)置臨時(shí)仰拱，各導(dǎo)洞初支應(yīng)及時(shí)成環(huán)，并應(yīng)在初支和二襯施工過(guò)程中預(yù)留注漿管，及時(shí)注水泥砂漿填充初支和圍巖、初支和二襯之間空隙，減小地面沉降。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立及參數(shù)選取

計(jì)算模型橫向?qū)挾热?5 m，豎向高度取55 m，其中隧道兩側(cè)各取41 m，約為4倍隧道開挖跨度，隧道底板以下取30 m，約為3倍隧道開挖高度。按擬定的施工工序進(jìn)行施工全過(guò)程模擬，分析暗挖隧道施工對(duì)西康鐵路的影響(見(jiàn)圖4)。

圖4數(shù)值模型

土層、注漿加固材料采用摩爾-庫(kù)侖模型模擬，初支和二襯采用彈性模型模擬，初支采用梁?jiǎn)卧M，其他材料均采用實(shí)體單位模擬。材料的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告整理如表2所示。

表2 材料力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬思路

模型建立完成后，先得到初始地應(yīng)力場(chǎng)，然后進(jìn)行位移清零，接著按實(shí)際施工順序進(jìn)行區(qū)間隧道的開挖和支護(hù)的模擬。由于地鐵隧道施工采用降水施工，故模擬中不考慮地下水的影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)類似工程實(shí)例的施工經(jīng)驗(yàn)，由于區(qū)間隧道與西康鐵路之間凈距和水平交角較大，隧道施工對(duì)西康鐵路的影響主要為引起鐵路路基的豎向變形，故本次計(jì)算僅對(duì)區(qū)間隧道施工引起的圍巖豎向變形及隧道支護(hù)受力狀態(tài)進(jìn)行分析。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

(1) 豎向位移分析。隧道不同開挖步圍巖的豎向位移云圖如圖5所示。

圖5不同開挖步引起土體豎向位移云圖

從圖5中可以看出，隧道施工過(guò)程中，隧道周邊圍巖及鐵路路基出現(xiàn)不同程度的沉降變形，沉降變形值表現(xiàn)為隧道拱頂最大、地面最小。隧道施工過(guò)程中拱頂下沉最大值為16.4 mm，鐵路路基最大沉降值為6.90 mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。鐵路路基的沉降變形隨著區(qū)間隧道的開挖、支護(hù)過(guò)程不斷增大，中洞施工完成后引起鐵路路基的沉降值到達(dá)5.53 mm，占全部變形值的80%，施工中應(yīng)重點(diǎn)考慮中洞施工對(duì)鐵路的影響。

(2) 區(qū)間隧道初期支護(hù)受力特征分析。區(qū)間隧道初期支護(hù)彎矩隨著各部分的開挖、支護(hù)等主要施工步的變化特征如圖6所示。

從圖6可以看出，區(qū)間隧道采用中洞法+臨時(shí)仰拱法施工過(guò)程中，隨著開挖，分部的不同初期支護(hù)受力也在不斷變化，且隨著臨時(shí)支撐的拆除，初支的受力方向也會(huì)發(fā)生變化，由于初支配筋為內(nèi)外側(cè)對(duì)稱配筋，故只需要復(fù)核初支的彎矩絕對(duì)值即可。隧道開挖過(guò)程中，中洞初支的最大彎矩為228 kN·m，發(fā)生在下臺(tái)階拱腳處(負(fù)彎矩)，中洞臨時(shí)支撐拆除后，中洞左右側(cè)初支受力方向發(fā)生變化，由負(fù)彎矩變化為正彎矩，正彎矩最大值為118 kN·m。側(cè)洞施工過(guò)程中，初支的最大彎矩為114 kN·m，發(fā)生在下臺(tái)階拱腰附近(負(fù)彎矩)。側(cè)洞開挖會(huì)造成中洞左右側(cè)初支彎矩(正彎矩)的增大，正彎矩最大值為251 kN·m。通過(guò)計(jì)算，經(jīng)過(guò)支座彎矩調(diào)幅后初支配筋能滿足受力要求，可以確保隧道施工期間的安全。

圖6不同開挖步支護(hù)應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

本文在充分進(jìn)行線路條件、開挖斷面、施工工法比選的基礎(chǔ)上，推薦下穿西康鐵路段區(qū)間隧道采用雙連拱斷面施工，通過(guò)數(shù)值模擬分析了地鐵暗挖雙連拱區(qū)間隧道施工過(guò)程對(duì)既有西康鐵路的影響，并提出了針對(duì)性的施工保護(hù)措施，得出以下結(jié)論：

(1) 采用雙連拱隧道下穿鐵路，隧道施工本身是安全可靠的，各施工階段初支結(jié)構(gòu)受力均滿足承載力的要求，可確保施工期間不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞。

(2) 鐵路路基的豎向位移隨著區(qū)間隧道的開挖、支護(hù)過(guò)程不斷增大，最大位移出現(xiàn)在二襯施工前一階段。隧道施工過(guò)程中，鐵路路基的最大豎向位移值為6.9 mm，滿足相關(guān)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(3) 中洞施工完成后引起鐵路路基的沉降值到達(dá)5.53 mm，占全部變形值的80%，施工中應(yīng)重點(diǎn)考慮中洞施工對(duì)鐵路的影響。

(4) 地鐵暗挖區(qū)間隧道施工產(chǎn)生的沉降不是瞬間沉降，而是一個(gè)變化累積的過(guò)程。結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果、本區(qū)間的工程地質(zhì)條件以及西安地區(qū)暗挖施工經(jīng)驗(yàn)，采用雙連拱斷面進(jìn)行隧道施工，輔以較強(qiáng)的超前支護(hù)措施和洞內(nèi)支護(hù)措施，在施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)鐵路軌道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行有效、及時(shí)的維修養(yǎng)護(hù)后，可確保下穿施工期間鐵路的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全。

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