城際鐵路下穿南水北調(diào)干渠設(shè)計(jì)方案研究

晏 成

(中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京 100097)

引言

南水北調(diào)中線干線工程自丹江口水庫(kù)引水，途經(jīng)河南、河北，至北京、天津，輸水干渠全長(zhǎng)1 432 km(其中天津輸水干渠156 km)。中線工程于2014年12月全線正式通水運(yùn)行。中線干渠規(guī)模大、渠線長(zhǎng)，以明渠輸水方式為主，局部采用管涵過(guò)水。

隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展和鐵路的深入建設(shè)，新建工程與南水北調(diào)中線干渠交叉案例逐漸出現(xiàn)。目前下穿南水北調(diào)中線干渠的工程實(shí)例少，且結(jié)構(gòu)斷面尺寸較小，如石家莊市政熱力管線4.8 m×3.0 m小斷面隧道[1]、鄭州軌道交通2號(hào)線φ6 m盾構(gòu)隧道[2]先于干渠下穿施工，河北省磁縣和諧大道φ720 mm污水管道采用定向鉆穿越通水干渠等。

城際鐵路下穿中線干渠，國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。以新鄭機(jī)場(chǎng)至鄭州南站城際鐵路工程為例，對(duì)鐵路與干渠交叉建設(shè)方案、施工方法、下穿干渠沉降控制等進(jìn)行研究，分析盾構(gòu)下穿干渠風(fēng)險(xiǎn)，提出工程對(duì)策措施，以確保鐵路施工及干渠運(yùn)行安全。

1 工程建設(shè)方案比選

1.1 工程概況

新鄭機(jī)場(chǎng)至鄭州南站城際鐵路從已建鄭州至新鄭機(jī)場(chǎng)城際鐵路區(qū)間隧道CK39+800引出向東，與南水北調(diào)工程交叉后，向南引入鄭州南站，工程總體呈東西走向。由于南水北調(diào)工程在機(jī)場(chǎng)區(qū)域總體呈南北走向，鐵路不可避免地與南水北調(diào)工程交叉。

1.2 下穿方案的確定

1.2.1 中線工程建設(shè)管理方的相關(guān)規(guī)定

為避免新建工程在穿越干渠施工期或運(yùn)行期對(duì)干渠的工程安全、水質(zhì)安全和運(yùn)行安全產(chǎn)生影響，南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理部門對(duì)穿越工程布置和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提出了一定的要求，并要求從結(jié)構(gòu)和施工上分別采取相應(yīng)的安全措施[3-4]。穿越工程與中線干線工程交叉宜采用正交方式；采用盾構(gòu)等暗挖法施工時(shí)，渠道底板以下穿渠盾構(gòu)等結(jié)構(gòu)頂埋深不應(yīng)小于2D(D為穿渠盾構(gòu)等結(jié)構(gòu)最大外徑)，且不小于5 m。

1.2.2 鐵路與中線干渠交叉方案比選

南水北調(diào)中線工程西側(cè)為新鄭機(jī)場(chǎng)用地范圍，東側(cè)為航空港區(qū)用地范圍，結(jié)合南水北調(diào)工程、機(jī)場(chǎng)及航空港區(qū)規(guī)劃、機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境[5]等因素，研究了上跨、下穿南水北調(diào)工程方案(圖1)。

圖1 城際鐵路與南水北調(diào)交叉方案平縱斷面示意

從施工難度、對(duì)機(jī)場(chǎng)和航空港區(qū)規(guī)劃影響、對(duì)機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境影響、工程投資方面，對(duì)城際鐵路上跨、下穿干渠方案進(jìn)行了比選，雖上跨方案施工難度小、投資省4.3億元，但下穿方案對(duì)機(jī)場(chǎng)規(guī)劃、航空港區(qū)規(guī)劃及機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境影響小，利于機(jī)場(chǎng)及航空港區(qū)遠(yuǎn)期發(fā)展，推薦采用下穿干渠方案。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

城際鐵路穿越干渠段地質(zhì)縱剖面見(jiàn)圖2，穿越的土層主要為第四系粉質(zhì)黏土②22、細(xì)砂②54、粉質(zhì)黏土③23層；其中③23層含有大量鐵錳氧化物及鈣質(zhì)結(jié)核，膠結(jié)較好。地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存于粉砂、細(xì)砂和粉土層中，地下水水位高程為114.5～116.7 m。

3 工法選擇

南水北調(diào)中線工程已于2014年12月正式通水，考慮到工程的重要性及其對(duì)水質(zhì)保護(hù)的特殊要求，下穿干渠采用明挖法施工已不具備可實(shí)施性，需在淺埋暗挖法和盾構(gòu)法之間進(jìn)行比選。

鐵路下穿干渠段地下水埋置深度較淺，土層松散不穩(wěn)定，暗挖施工易導(dǎo)致地層的過(guò)大擾動(dòng)，引起干渠結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的位移和變形，進(jìn)而可能危及結(jié)構(gòu)安全。

圖2 城際鐵路穿越干渠段地質(zhì)縱剖面

3.1 淺埋暗挖法

國(guó)內(nèi)70余座淺埋暗挖法修建的隧道的地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析顯示[6]，多數(shù)淺埋暗挖隧道的最大地表沉降為20～40 mm；地表沉降受地質(zhì)條件、隧道跨度及埋深、開挖方法、支護(hù)時(shí)機(jī)及剛度、施工管理技術(shù)水平等多方因素影響。

暗挖下穿干渠時(shí)，基于工程的重要性，擬采用凍結(jié)法對(duì)隧道周圍地層改良加固[7]，凍結(jié)壁厚度約3.5 m。暗挖隧道擬采用復(fù)合式襯砌(圖3)，襯砌支護(hù)采用40 cm厚、C25網(wǎng)噴混凝土，二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，拱墻厚70 cm、仰拱厚75 cm。暗挖隧道工程投資約45萬(wàn)元/m。

圖3 暗挖隧道橫斷面(單位：mm)

3.2 盾構(gòu)法

盾構(gòu)施工引起的地表沉降受地質(zhì)條件、隧道埋深、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、施工管理技術(shù)水平等多重因素影響[8-10]。大量研究文獻(xiàn)表明，盾構(gòu)法施工誘發(fā)的地層損失率相比淺埋暗挖法施工小，在黏性土及其互層地層中，盾構(gòu)法隧道施工誘發(fā)的地表沉降小于淺埋暗挖法施工[11]。

目前大直徑盾構(gòu)已成功應(yīng)用在廣深港鐵路獅子洋隧道、益田路隧道、天津地下直徑線、京津城際延伸線等鐵路工程及上海、南京、武漢等地區(qū)的越江隧道工程中[12]，對(duì)城際鐵路下穿干渠工程的建設(shè)具有很好的借鑒意義。

為有效控制大直徑盾構(gòu)下穿干渠時(shí)的施工風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)機(jī)擬采用泥水盾構(gòu)[12-13]。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑11.3 m、外徑12.4 m，管片厚55 cm(圖4)。管片混凝土等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)P12；環(huán)寬2 m，分塊數(shù)9塊。

圖5 隧道下穿處干渠橫斷面(單位：mm)

圖4 盾構(gòu)隧道橫斷面(單位：mm)

除鐵路下穿干渠段100 m外，城際鐵路下穿機(jī)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)及其他埋置較深的3 700 m段具備采用盾構(gòu)法施工的條件。如城際鐵路3 800 m采用盾構(gòu)法施工，購(gòu)置單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的費(fèi)用約1.6億元，盾構(gòu)隧道工程投資約22萬(wàn)元/m。

3.3 工法的確定

下穿干渠施工工法比較見(jiàn)表1。

表1 淺埋暗挖法、盾構(gòu)法比較

由于盾構(gòu)法對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)、施工引起的干渠結(jié)構(gòu)變形小于淺埋暗挖法，施工質(zhì)量易控制和保證，對(duì)干渠影響周期短，安全風(fēng)險(xiǎn)可控性強(qiáng)，同時(shí)統(tǒng)籌考慮整條隧道建設(shè)可降低工程投資，推薦城際鐵路下穿干渠采用盾構(gòu)法施工。

4 盾構(gòu)下穿干渠沉降影響分析

結(jié)合工程地質(zhì)條件，基于隧道埋深2D(D為盾構(gòu)直徑)工況，進(jìn)行盾構(gòu)開挖數(shù)值模擬計(jì)算，分析盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)干渠沉降的影響。

4.1 干渠結(jié)構(gòu)

干渠過(guò)水?dāng)嗝娌捎锰菪螖嗝?圖5)，渠道設(shè)計(jì)底寬21.0 m，渠深約8 m，設(shè)計(jì)水深7 m，邊坡坡度1∶2.5，縱比1/26 000。干渠馬道以下全斷面采用混凝土板襯砌，渠坡厚10 cm、渠底厚8 cm。渠道板以下材料依次為復(fù)合土工膜、聚苯乙烯保溫板、反濾料層。渠底換填為2 m厚黏性土，渠坡采用擠密砂樁處理至高程113 m。

4.2 干渠沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)

4.2.1 渠堤坡頂、坡腳最大變形差

根據(jù)《南水北調(diào)中線一期工程高填方渠道沉降變形特征及其對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)影響研究報(bào)告》[14]的成果，“襯砌分縫條件下允許的渠堤坡頂、坡腳最大變形差為，分縫間距為4 m時(shí)，[SΔV]=25 mm”。穿越段干渠襯砌結(jié)構(gòu)分縫間距為4 m，坡頂?shù)狡履_襯砌板實(shí)際斜長(zhǎng)約23 m，折合每延米沉降差為1.087 mm/m，進(jìn)而渠堤坡頂、坡腳最大變形差設(shè)為1 mm/m。

4.2.2 沉降控制指標(biāo)

干渠安全影響評(píng)價(jià)報(bào)告提出，干渠變形隆起≤5 mm，累計(jì)沉降≤15 mm，變化速率≤2 mm/d。朱永全等探討了石家莊熱力隧道后于干渠施工時(shí)其施工沉降應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)[1]。

鑒于尚無(wú)大斷面隧道下穿干渠工程實(shí)踐，基于干渠的重要性，沉降控制指標(biāo)設(shè)為(+10～-5) mm、變形速率≤2 mm/d。

4.3 計(jì)算模型與參數(shù)選取

建立模型時(shí)，忽略隧道縱坡影響，同時(shí)將干渠與隧道交角約85°簡(jiǎn)化為正交。取開挖直徑12.8 m，模型尺寸縱向(盾構(gòu)掘進(jìn))100 m、橫向100 m，豎向80 m。模型底部和側(cè)面均施加法向位移約束，頂邊界為自由端。

土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，渠道結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)殼及管片本構(gòu)關(guān)系為彈性。盾構(gòu)殼利用殼單元模擬；盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)按均質(zhì)圓環(huán)、襯砌單元模擬，采用修正慣用法對(duì)剛度進(jìn)行修正[15]，折減系數(shù)為0.7。注漿體用彈性等代層模擬[16]，假定注漿體填充率100%，彈性模量保持不變。干渠內(nèi)水體等效為荷載施加于渠道結(jié)構(gòu)表面。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，隧道穿越的土層主要為粉砂、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂層，各土層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。渠道結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)殼、管片及等代層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 土層計(jì)算參數(shù)

表3 渠道結(jié)構(gòu)及其他材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)土層計(jì)算參數(shù)、結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)和隧道的斷面形式(圖6)，建立計(jì)算模型(圖7)。

圖6 隧道斷面形式

圖7 隧道下穿干渠計(jì)算模型

4.4 掘進(jìn)過(guò)程模擬

盾構(gòu)每次進(jìn)尺2 m，模型采用單元激活與鈍化的方法實(shí)現(xiàn)單元?jiǎng)偠鹊淖兓M掘進(jìn)過(guò)程。

(1)重力分析步：對(duì)模型整體施加重力、地應(yīng)力場(chǎng)和均布渠道水壓力，使模型達(dá)到未開挖時(shí)的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

(2)準(zhǔn)備步：自邊界處逐步開挖10 m的中心土體并鈍化，于開挖面施加一個(gè)面荷載模擬盾構(gòu)推力，同時(shí)在外圈原土體位置激活盾構(gòu)殼單元。

(3)開挖步：將下一環(huán)需開挖的土體單元移除，激活盾構(gòu)殼單元；將距離開挖面10 m后的盾構(gòu)殼單元移除，原有位置激活管片單元和注漿單元，模擬盾構(gòu)通過(guò)、管片支護(hù)及盾尾注漿過(guò)程。

(4)重復(fù)上述開挖步，直至掘進(jìn)100 m即50環(huán)的位置。

4.5 計(jì)算結(jié)果

盾構(gòu)隧道穿越干渠后，渠道位移見(jiàn)圖8。隧道軸向渠道沉降、橫向渠底沉降分別見(jiàn)圖9、圖10。

隧道軸向渠道沉降總體上與干渠斷面形狀相似，隧道橫向渠底存在明顯的沉降槽，沉降曲線基本對(duì)稱。隧道軸線與渠道軸線交匯處渠道底部沉降最大值為4.6 mm。

圖8 推進(jìn)100 m時(shí)的干渠位移云圖

圖9 隧道軸向渠道沉降曲線

圖10 隧道橫向渠底沉降曲線

4.6 干渠沉降影響分析

盾構(gòu)隧道以2D(D為盾構(gòu)直徑)渠底埋深下穿干渠，渠堤坡頂、坡腳沉降差小于1 mm/m，渠底最大沉降4.6 mm處于沉降控制指標(biāo)范圍內(nèi)，干渠結(jié)構(gòu)沉降可控、不影響安全。

5 隧道下穿干渠風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策措施

5.1 隧道下穿干渠風(fēng)險(xiǎn)分析

5.1.1 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)

施工風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自多個(gè)方面，包括不利的地質(zhì)條件(富水砂層、鈣質(zhì)膠結(jié)黏土層)、盾構(gòu)操作控制不當(dāng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)不精準(zhǔn)、機(jī)組人員素質(zhì)不高等[17-18]，須采取針對(duì)性措施，降低盾構(gòu)穿越干渠風(fēng)險(xiǎn)。

5.1.2 干渠結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)掘進(jìn)施工會(huì)引起地層應(yīng)力的重分布，導(dǎo)致地層松弛、沉降或隆起[19]，進(jìn)而致使干渠襯砌結(jié)構(gòu)、馬道、防護(hù)堤、排水溝等產(chǎn)生變形、沉降或位移(包括整體沉降和基礎(chǔ)的差異沉降)。

沉降變形處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，考慮到干渠襯砌板下10 cm厚的粗砂墊層具有一定的變形協(xié)調(diào)能力，干渠及渠基不會(huì)受到施工的較大影響；沉降變形較大時(shí)，可引起襯砌板變形開裂，影響結(jié)構(gòu)及運(yùn)行安全。

5.1.3 干渠水質(zhì)及環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)

干渠屬城市供水工程，左右岸一級(jí)水源保護(hù)區(qū)范圍為干渠永久占地線外200 m，二級(jí)水源保護(hù)區(qū)范圍為左岸距永久占地線外3 000 m、右岸為2 500 m。隧道施工場(chǎng)地布置、棄渣的存放、施工注漿材料選擇等可能會(huì)對(duì)干渠水質(zhì)及環(huán)境安全產(chǎn)生影響。

5.1.4 鐵路運(yùn)營(yíng)對(duì)干渠長(zhǎng)期影響風(fēng)險(xiǎn)

城際鐵路運(yùn)營(yíng)期間，列車在隧道內(nèi)高速通過(guò)，長(zhǎng)期往復(fù)振動(dòng)會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生再次擾動(dòng)，進(jìn)而影響渠道結(jié)構(gòu)及地基，可能會(huì)對(duì)干渠運(yùn)行安全產(chǎn)生影響。

5.2 工程對(duì)策措施

5.2.1 提高穿越段隧道設(shè)計(jì)安全等級(jí)

通過(guò)提高穿越段隧道的設(shè)計(jì)安全等級(jí)，以避免正常運(yùn)行中隧道先破壞，進(jìn)而影響干渠的安全運(yùn)行[3-4，20]。

(1)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

非穿越段隧道最大埋深約36 m，采用C型管片(最強(qiáng)配筋形式)。穿越段盾構(gòu)隧道覆土厚度為26.2 m+7 m(干渠設(shè)計(jì)水深)，折合覆土厚度約30 m，可采用B型管片。考慮提高穿越段隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，采用C型管片。

(2)防水加強(qiáng)措施

按TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，區(qū)間隧道防水等級(jí)為二級(jí)。穿越段隧道防水等級(jí)提高為一級(jí)，即不允許滲水、結(jié)構(gòu)表面無(wú)濕滯。加強(qiáng)同步注漿及二襯注漿，采取注漿壓力與注漿量的雙控指標(biāo)，以保證注漿效果。

(3)工后檢測(cè)

穿越段盾構(gòu)同步注漿及二次注漿完成后，由第三方檢測(cè)單位對(duì)盾構(gòu)管片進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)盾構(gòu)施工同步注漿及二次注漿效果進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)范圍為穿越段及兩側(cè)各100 m。檢測(cè)結(jié)果提報(bào)各相關(guān)方分析，協(xié)商確定進(jìn)一步加強(qiáng)處理措施。

5.2.2 設(shè)置試驗(yàn)段，確定合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

結(jié)合地質(zhì)條件，在盾構(gòu)推進(jìn)至南水北調(diào)保護(hù)范圍前400 m設(shè)置100 m試驗(yàn)段，通過(guò)試驗(yàn)段和其他段落總結(jié)和優(yōu)化施工參數(shù)，明確盾構(gòu)機(jī)推力、推進(jìn)速度、土倉(cāng)壓力設(shè)定、注漿壓力、同步注漿量、二次注漿壓力與范圍等重要參數(shù)，完成設(shè)備狀態(tài)、掘進(jìn)姿態(tài)的綜合評(píng)價(jià)工作，以確保下穿干渠施工順利進(jìn)行。

5.2.3 干渠變形監(jiān)測(cè)與控制標(biāo)準(zhǔn)

(1)第三方監(jiān)測(cè)

在盾構(gòu)試驗(yàn)段布置監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果調(diào)整優(yōu)化穿越段的操作工藝，完善干渠變形監(jiān)測(cè)方案。穿越干渠段實(shí)施第三方監(jiān)測(cè)，并制定針對(duì)性的監(jiān)測(cè)方案，細(xì)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、內(nèi)容、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)頻率等內(nèi)容，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)干渠沉降變形、滲壓等內(nèi)容。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，動(dòng)態(tài)控制施工過(guò)程。

(2)渠道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合渠道結(jié)構(gòu)對(duì)變形及沉降的承受能力，取差異沉降量、最大沉降量作為控制標(biāo)準(zhǔn)[21]。盾構(gòu)穿越干渠時(shí)，渠堤坡頂、坡腳最大變形差≤1 mm/m，渠底變形沉降量控制在10 mm以內(nèi)，隆起量控制在5 mm以內(nèi)，變形速率≤2 mm/d。

5.2.4 加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)

根據(jù)一級(jí)水源、二級(jí)水源保護(hù)區(qū)的相關(guān)要求，合理布置施工場(chǎng)地，采用環(huán)保型的注漿材料，加強(qiáng)生產(chǎn)生活、泥漿、棄土等的處理管控，盡量減少施工期對(duì)干渠水質(zhì)及環(huán)境安全的影響。

5.2.5 采取軌道減震措施

為減少鐵路運(yùn)行期的振動(dòng)對(duì)干渠基礎(chǔ)的影響，在穿渠段及兩側(cè)各外延100 m隧道內(nèi)，采用CRTSⅠ型雙塊式減震型無(wú)砟軌道。

6 結(jié)論

本文對(duì)新鄭機(jī)場(chǎng)至鄭州南站城際鐵路與干渠交叉建設(shè)方案、工法選擇、盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)干渠沉降影響進(jìn)行了研究，分析了盾構(gòu)下穿干渠的風(fēng)險(xiǎn)，提出了切實(shí)可行的工程對(duì)策措施，可降低風(fēng)險(xiǎn)，確保隧道施工及干渠運(yùn)行安全。

(1)鐵路與南水北調(diào)工程交叉方案比選時(shí)，需綜合考慮交叉處渠道結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件、實(shí)施難度與風(fēng)險(xiǎn)、對(duì)沿線現(xiàn)況與規(guī)劃的影響、施工工期、工程投資、后期運(yùn)營(yíng)等因素，合理確定建設(shè)方案。

(2)鐵路下穿干渠時(shí)，應(yīng)結(jié)合南水北調(diào)工程管理方的要求，統(tǒng)籌考慮地質(zhì)條件、施工安全性、施工進(jìn)度質(zhì)量、施工工期、工程投資、風(fēng)險(xiǎn)可控性等多方面因素，選擇適宜的工法。

(3)基于干渠的重要性，結(jié)合工程實(shí)踐和數(shù)值模擬分析計(jì)算，提出了盾構(gòu)以渠底埋深2D(D為盾構(gòu)直徑)下穿干渠的沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)，即渠道坡頂坡腳最大變形差≤1 mm/m，渠道位移(+10～-5) mm、變形速率≤2 mm/d，以確保隧道施工及干渠結(jié)構(gòu)安全。

(4)為降低隧道下穿干渠風(fēng)險(xiǎn)，須采取切實(shí)可行的工程對(duì)策措施，如提高穿越段隧道設(shè)計(jì)安全等級(jí)、設(shè)置盾構(gòu)試驗(yàn)段、實(shí)施第三方監(jiān)測(cè)、制定干渠變形控制標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、采取軌道減震措施等，以確保鐵路隧道施工期及運(yùn)營(yíng)期干渠的安全運(yùn)行。