小凈距暗挖區(qū)間下穿施工對高鐵路基的影響研究

易領兵, 杜明芳, 朱東東

(1.中交鐵道設計研究總院有限公司,中國 北京 100089; 2.河南工業(yè)大學 土木工程學院,河南 鄭州 450001)

0 引 言

在城市核心密集區(qū)域修建地鐵日益凸顯,各種工法施工下穿及側穿房屋、河流、普速鐵路、高鐵等工程越來越多。文獻[1]對濟南地鐵某雙線盾構區(qū)間與淺埋暗挖地鐵區(qū)間小凈距并行施工相互影響進行了研究;文獻[2]運用FLAC3D有限差分法研究了超小凈距地鐵三洞隧道群施工相互影響;文獻[3]運用有限元分析法研究了超小凈距大斷而疊層隧道群施工相互影響;文獻[4]研究了砂卵石這一特殊地層中超淺埋小凈距暗挖群洞施工相互影響;文獻[5]對盾構與淺埋暗挖隧道小間距并行施工相互影響進行了研究;文獻[6-7]研究了隧道小凈距下穿公路隧道施工對公路隧道的影響;文獻[8]研究了小凈距暗挖隧道下穿市政管線及道路施工對市政管線及道路的影響;文獻[9-11]研究了小凈距暗挖對普速鐵路的影響;文獻[12]對小凈距淺埋暗挖隧道下穿密集房屋影響進行了研究;文獻[13]對下穿高層建筑群淺埋暗挖小凈距隧道施工進行了研究。以上研究較多集中于在小凈距暗挖隧道施工背景下對鄰近既有盾構隧道、房屋、市政管線、普速鐵路等方面,而對于小凈距暗挖區(qū)間隧道下穿高速鐵路工況出現(xiàn)較少,小凈距暗挖隧道施工對高速鐵路影響研究幾乎未涉及。考慮以上情況,如何降低小凈距暗挖隧道施工對高速鐵路的影響程度,規(guī)避風險,使小凈距暗挖隧道在施工過程中更加安全高效是值得研究的問題。

本文以下穿既有高鐵路基段的新建小凈距暗挖區(qū)間工程為背景,對小凈距暗挖區(qū)間工程施工進行了設計,并用MIDAS/GTS有限元軟件對下穿既有高鐵路基段的新建小凈距暗挖區(qū)間施工過程進行了有限元分析。研究了小凈距暗挖區(qū)間施工過程中既有高鐵路基位移變化特征;并收集相關監(jiān)測數(shù)據(jù)總結位移變化規(guī)律,實際監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值計算的可行性。以期研究結論為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 昌南線清河站北側區(qū)間概況

該段區(qū)間北起地鐵昌平線西二旗站南端高架預留點,往南敷設上跨西二旗大街下拉槽后,從京新高速與地鐵13號線之間狹長綠地由地上引入地下。區(qū)間設計里程為K31+499.797～K32+569.997,全長1 070.2 m。區(qū)間結構形式依次為：高架—路基—U型槽—地下。其中高架段203.4 m,路基段130.3 m,U型槽明挖段211.9 m,地下明挖框架段129.6 m,地下暗挖段250 m,合槽明挖框架段145 m。

地下暗挖下穿京張高鐵路基段左右線初支凈距903-1 145mm。

1.2 穿越京張高鐵概況

既有京張高鐵,線路自清河引出,清河站北側昌南線區(qū)間暗挖下穿京張高鐵里程K24+120附近范圍進行初支加強。

場地地下水位埋深27.0 m,暗挖二襯結構底板深17 m左右,未進入地下水。

平剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 暗挖隧道與鐵路路基平面位置關系圖

圖2 暗挖隧道與鐵路路基剖面位置關系

1.3 小凈距暗挖區(qū)間下穿高鐵路基段概況

路基基床厚度為1.2 m,其中基床表層為0.6 m,中粗砂0.1 m,基床底層0.5 m。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計算模型

針對小凈距暗挖隧道下穿高鐵路基施工,根據(jù)相關基礎資料,采用Midas/GTS有限元分析軟件,建立三維空間施工模型對不同施工工況進行模擬計算。三維計算的初始條件是新建工程尚未施工,并且認為既有高鐵路基處于變形穩(wěn)定狀態(tài)?？紤]到施工過程中的空間效應,三維計算分析對新建區(qū)間暗挖區(qū)域和既有高鐵路基結構進行實體建模,三維地層-結構模型如圖3所示。

圖3 三維地層結構模型

為了確保三維模型有足夠的計算精度并盡量減少收斂時間,本次計算對模型范圍作出了一定的限定,沿長度方向取700 m,寬度方向取150 m;垂直方向上從地表以下取80 m;地面超載取20 kPa,高鐵列車荷載取50 KN/m。板、墻結構采用二維板單元模擬,圍護結構采用板單元模擬,本構關系為彈性。路基段、土層采用實體單元,本構關系為摩爾庫倫(M-C)。采用固定位移邊界,上邊界取至地面,為自由面;4個側面地層邊界限制水平位移;下部邊界限制豎向位移。軌道交通結構模型如圖4所示。在考慮到本工程施工步序較復雜且在節(jié)約篇幅的基礎上，選取如下施工步序中有代表性的工況。

工況1:初始地應力平衡;

工況2:昌南暗挖段全斷面注漿;

工況3:昌南暗挖段開挖;

工況4:昌南暗挖段支護;

工況5:施加列車荷載;

工況6:昌南暗挖二襯施工。

土體、襯砌材料參數(shù)見表1所列。

圖4 軌道交通結構模型圖

表1 材料參數(shù)

2.2 計算結果

為研究小凈距暗挖隧道下穿施工對高鐵路基的影響,在不施加列車荷載工況下提取高鐵路基位移計算結果。

2.2.1 高鐵路基結構水平位移分析

為節(jié)約篇幅僅給出工況4、工況6計算結果,如圖5所示。

2.2.2 高鐵路基結構豎向位移分析

為節(jié)約篇幅僅給出工況4、工況6計算結果,如圖6所示。

(a) 工況4

(a) 工況4

綜上可知:

(1) 昌南線暗挖區(qū)間施作完初支后,高鐵路基結構水平位移最大值為0.01 mm,豎向位移最大值為0.28 mm。

(2) 昌南線暗挖區(qū)間施作二襯后,高鐵路基結構水平位移最大值為0.01 mm,豎向位移最大值為1.15 mm。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場監(jiān)測可以及時提供實時數(shù)據(jù),以便現(xiàn)場施工及時調整參數(shù),保證京張高鐵線的運行安全。為節(jié)約篇幅,選取最不利斷面位置進行分析。最不利斷面監(jiān)測點布置圖如圖7所示。

昌南段二襯施工完成后,對該斷面監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行提取,各監(jiān)測點沉降數(shù)值如圖8所示。

圖7 最不利斷面監(jiān)測點布置

圖8 監(jiān)測點數(shù)值曲線

從圖8可以看出,監(jiān)測斷面最大沉降值為1.05 mm,數(shù)值計算結果中,該區(qū)域最大沉降值為1.15 mm。監(jiān)測數(shù)值與模擬數(shù)值結果基本一致,模型準確性較好。

為更加準確地反應北京地區(qū)新建隧道對既有結構沉降的影響程度,現(xiàn)收集5處已完工工程實例,具體見表2所列。從表2可以看出，新施工暗挖隧道對既有結構造成沉降影響較小,最大值為4.83 mm,最小值為2.35 mm。對比數(shù)值計算及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,小凈距暗挖隧道下穿施工過程對京張高鐵線路基沉降影響是可控的。

表2 5處已完工工程下穿統(tǒng)計結果

4 控制指標

現(xiàn)時速200～250 km/h線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值見表3所列。根據(jù)以上計算及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知,新建小凈距暗挖隧道施工引起的高鐵路基結構的豎向及水平位移均較小。在綜合高鐵路基和軌道預測變形值、結構驗算應力的基礎上,考慮一定的安全裕度,確定高鐵路基結構及軌道變形控制指標。根據(jù)前文結論和工程實際特點,同時依據(jù)現(xiàn)有常規(guī)測量儀器的監(jiān)測精度,綜合運營安全要求及變形預測結果,確定變形控制值。并將控制值的70%作為預警值,80%作為報警值。變形控制值見表4、表5所列。

表3 200～250 km/h線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

表4 高鐵路基及軌道結構最終累計變形控制值 mm

注:水平位移包括X方向和Y方向。

表5 結構變形速率控制值 mm/d

5 結 論

對下穿既有高鐵路基段的新建小凈距暗挖區(qū)間施工過程進行了有限元分析,并收集相關監(jiān)測數(shù)據(jù)總結位移變化規(guī)律,研究了小凈距暗挖區(qū)間施工過程中既有高鐵路基位移變化特征,實際監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值計算的可行性,結論如下:

(1) 路基水平位移及豎向位移最大值均滿足控制標準。

(2) 數(shù)值計算結果顯示:昌南線暗挖區(qū)間施作完初支后,高鐵路基結構水平位移最大值為0.01 mm,豎向位移最大值為0.28 mm;昌南線暗挖區(qū)間施作二襯后,高鐵路基結構水平位移最大值為0.01 mm,豎向位移最大值為1.15 mm。