明挖軌道車站施工對下部既有鐵路隧道影響分析

夏井泉，王兆維

(1.重慶市勘測院，重慶 401121；2.重慶市巖土工程技術(shù)研究中心，重慶 401121)

1 概述

隨著城市軌道交通的發(fā)展，明挖軌道車站結(jié)構(gòu)不可避免地與既有鐵路隧道交叉。由于鐵路隧道安全等級高，社會影響大，探究軌道明挖車站施工及運營對既有鐵路隧道影響意義重大。以重慶某軌道交通明挖車站為例，采用理論力學及數(shù)值模擬的方法對施工及運營工況下的基坑進行分析，著重分析明挖基坑開挖后隧道圍巖的卸荷回彈變形及軌道車站修筑完成后結(jié)構(gòu)荷載及列車動荷載對鐵路隧道的壓縮變形[1-3]。根據(jù)穩(wěn)定性分析及變形分析結(jié)果指導后續(xù)設(shè)計及施工。根據(jù)后期施工反饋及監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析結(jié)果很好地指導了設(shè)計及施工，并對后續(xù)類似工程起到了借鑒作用。

2 工程概況

擬建軌道車站設(shè)計為地下明挖站，軸線長約353m，寬約22m，高約30m。車站結(jié)構(gòu)為地下四層鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，車站結(jié)構(gòu)施工采用明挖法，自上而下分步實施。施工時分區(qū)、分階段開挖及澆筑主體結(jié)構(gòu)，同時根據(jù)周邊環(huán)境條件在人工填土及粘土層車站主體基坑采用樁加內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式。

擬建軌道車站位于與既有鐵路隧道小角度斜交，鐵路隧道頂板距地表約46m，距擬建車站約底板15m。既有鐵路隧道與軌道明挖車站平面位置關(guān)系圖如圖1 所示，典型剖面相對位置關(guān)系圖如圖2 所示。

圖1 擬建明挖車站與鐵路隧道平面位置關(guān)系圖

圖2 典型剖面相對位置關(guān)系圖

既有鐵路隧道內(nèi)軌頂面高程222.83m，隧道頂高程約231.73m，與地表高差約46m。明挖車站與既有鐵路隧道小角度斜交，鐵路隧道圍巖主要為砂質(zhì)泥巖與砂巖，圍巖級別為III 級，隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，有少量滲水。該段隧道采用III 級圍巖加強復合式襯砌，初期支護拱部徑向設(shè)置ф22 組合中空錨桿，長3m/根，間距1.2 m×1.5 m（環(huán)×縱），梅花形布置；邊墻設(shè)置ф22 普通砂漿錨桿，長度3m/根，間距1.2 m×1.5 m（環(huán)×縱），全環(huán)設(shè)置I18 鋼架，間距1m一榀，初期支護噴C25 砼厚度為23cm，二次襯砌厚度40cm，采用C30 混凝土。

場地位于川東南弧形地帶，華鎣山帚狀褶皺束東南部的次一級構(gòu)造，構(gòu)造骨架形成于燕山期晚期褶皺運動，構(gòu)造部位屬龍王洞背斜東翼，巖層產(chǎn)狀：傾向120°～140°，傾角20°～27°，作圖及分析采用優(yōu)勢產(chǎn)狀130°＜27°。主要發(fā)育兩組構(gòu)造裂隙：J1：270°～300°＜54°～77°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為290°＜60°，延伸5～10m，微張1～3mm，平直，間距1.0～2.0m，偶見鈣質(zhì)充填，結(jié)合很差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。J2：190°～220°＜60°～84°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為200°＜65°，延伸1～5m，一般閉合～微張，舒緩波狀，局部有翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，間距5～8m，偶見泥質(zhì)充填，結(jié)合很差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。根據(jù)實地地質(zhì)調(diào)繪以及鉆探揭露、聲波測試成果資料，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，基巖內(nèi)裂隙較發(fā)育，巖體較完整，層間結(jié)合一般。區(qū)內(nèi)無斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡單。場地分布的地層為第四系全新統(tǒng)及侏羅系中統(tǒng)溪沙廟組地層(砂巖、砂質(zhì)泥巖互層分布)。區(qū)內(nèi)場地平整，周圍無地表水體，場地基巖上部為相對透水砂巖，下部主要為不透水的泥質(zhì)巖層，水文地質(zhì)條件簡單。

3 明挖車站與鐵路隧道間相互影響

先期隧道施工打破了巖體自身應(yīng)力平衡，將在隧道外側(cè)一定范圍內(nèi)形成圍巖松散圈[4]，由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)作用，隧道結(jié)構(gòu)總體保持穩(wěn)定。明挖車站開挖后將在隧道上部產(chǎn)生卸荷回彈，在基坑內(nèi)車站結(jié)構(gòu)修筑及后期車站頂部回填和列車動荷載作用下，將進一步產(chǎn)生變形[5，6]。

3.1 數(shù)值模擬分析明挖車站對鐵路隧道影響

根據(jù)地勘報告，擬建工程地層主要由土層和基巖組成。隧道圍巖主要為砂質(zhì)泥巖與砂巖。本次計算將地層概化為碎石土和砂質(zhì)泥巖兩層。

由于勘察報告中未提供計算所需要的所有材料參數(shù)，本次計算所需要的材料參數(shù)以“鉆探說明報告”為基礎(chǔ)、并結(jié)合隧道設(shè)計資料、類似工程材料以及相關(guān)規(guī)范進行綜合確定。

在綜合以上資料的基礎(chǔ)上確定巖土材料參數(shù)見表1。隧道支護結(jié)構(gòu)混凝土材料參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》表5.2.1 和表5.2.3 確定，具體參數(shù)見表2。

表1 巖土材料物理力學參數(shù)

表2 混凝土材料物理力學參數(shù)

根據(jù)鐵路隧道設(shè)計資料建立三維實體模型，如圖3 所示。在三維模型計算中暫未考慮初期支護對隧道圍巖穩(wěn)定的貢獻，而僅考慮了二襯的作用，計算模擬范圍為水平方向隧道外邊緣到模型邊界3～5倍洞徑，隧道底部距模型下邊界距離大于3 倍洞徑。數(shù)值模擬時將圍巖巖體按彈塑性材料考慮，并服從摩爾-庫倫屈服準則，隧道襯砌結(jié)構(gòu)按彈性材料考慮，圍巖采用三維四面體四節(jié)點劃分實體單元，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用二維三角形板單元模型，邊界條件通過約束模型四個側(cè)面和底面法向的位移來實現(xiàn)。

圖3 車站與鐵路隧道三維空間位置關(guān)系圖

由圖4～圖7 可以看出，軌道車站施工后,典型剖面圍巖位移較大值均發(fā)生在車站的基礎(chǔ)附近，最大沉降為4.99mm。隧道周圍巖體位移值相對較大，其中X方向位移值為0.37mm，Y 方向位移值為1.78mm。

圖4 三維模型網(wǎng)格劃分

圖5 車站修建前圍巖豎向應(yīng)力分布圖

圖6 車站修建后圍巖豎向應(yīng)力分布圖

圖7 車站頂板覆土回填后圍巖豎向應(yīng)力分布圖

車站施工使鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，其中沿隧道縱向（x 方向）位移較大值發(fā)生在鐵路隧道拱頂上，但位移值較?。ɑ拘∮?0～4m）；受偏壓作用影響，y 方向位移最大值，發(fā)生鐵路隧道拱頂上；可以看出，車站施工均造成隧道襯砌在水平和豎向發(fā)生位移，位移量均較大。

3.2 理論力學模型分析明挖車站對鐵路隧道影響

為進一步驗證隧道圍巖分級及車站開挖后火風山隧道的深、淺埋情況影響?？辈靻挝粚ｉT在車站主體跨鐵路隧道段布置勘探孔，鉆孔布置于隧道結(jié)構(gòu)邊墻外側(cè)8m，鉆入隧道底板以下5m，并對隧道圍巖取樣以及作聲波波速測試，理論力學模型計算典型剖面如圖8 所示。根據(jù)巖石室內(nèi)試驗成果統(tǒng)計及聲波測試成果，依據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》GB50307-2012 判定：已建鐵路隧道洞頂圍巖級別為Ⅲ級。隧道頂板距車站結(jié)構(gòu)底板中風化巖石厚度約15m，隧道寬10.6m（毛洞），參考《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003-2016)深淺埋劃分原則，車站主體結(jié)構(gòu)開挖后，隧道2 倍圍巖壓力計算高度（5.16m）小于15m，故車站開挖后鐵路隧道為深埋隧道。

圖8 理論力學模型計算典型剖面

按照重慶市地方標準 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DBJ50-047-2006) 附錄D 之公式驗算明挖車站開挖后對隧道穩(wěn)定性，本次驗算未考慮軌道動荷載，詳細驗算見附件巖土計算書。驗算結(jié)果表明車站地基反力在鐵路隧道頂部基本無附加荷載影響，但驗算是建立在車站施工不破壞隧道圍巖巖體現(xiàn)狀完整性的條件下，未考慮爆破等非地質(zhì)因素[7，8]。

4 理論分析結(jié)果

軌道明挖車站上跨某鐵路隧道會引起隧道洞周圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的位移，變形量相對較大，明挖車站對鐵路既有隧道襯砌和周邊圍巖應(yīng)力分布有較大的影響，附加拉應(yīng)力量值變化幅度大，對鐵路隧道運營產(chǎn)生較大風險難以控制。此外，根據(jù)類型項目工程經(jīng)驗，施工爆破震動對其有一定影響，建議施工本段時人工開挖，臺階法施工，邊坡開挖若采用爆破法施工，則應(yīng)嚴格控制爆破藥量、采用微差、預裂等爆破措施，嚴控地面質(zhì)點運動速度，同時加強對鐵路隧道的變形觀測，以確保其安全。

5 結(jié)論

（1）隧道開挖將對周邊圍巖產(chǎn)生一定擾動，造成周邊巖土體的應(yīng)力應(yīng)變變化，采用支擋結(jié)構(gòu)保證了隧道結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性。

（2）明挖車站開挖引起的卸荷回彈變形會對下部隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，通過有限元方式論證變形影響的范圍及大小對設(shè)計及施工起到了指導作用。

（3）基坑回填、加荷引起的附加應(yīng)力荷載將對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，采用數(shù)值模擬及“沖切錐”理論力學驗算穩(wěn)定性及應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律。

6 建議

（1）施工中加強支護、減小施工擾動。

（2）對既有鐵路隧道進行專項論證及監(jiān)測，派人加強洞內(nèi)巡查，保證鐵路隧道安全。

（3）施工采用機械開挖，杜絕爆破開挖，避免對鐵路隧道影響。