新建地鐵暗挖隧道下穿既有地鐵與高鐵線路變形規(guī)律研究

李宜霖 孫玉嶺

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043； 2.北京京鐵工程咨詢有限公司，北京 100039)

近年來，城市軌道交通發(fā)展迅速，受城市空間區(qū)域限制，大部分軌道交通以隧道形式建設(shè)，不可避免地會發(fā)生新建地鐵區(qū)間隧道與既有線交叉的情況。隧道施工過程中會擾動地層，對既有線安全造成一定影響，尤其在下穿既有地鐵與高鐵并行的路基時，施工情況較為復(fù)雜，這對地鐵隧道施工提出更高的技術(shù)要求。

目前，盾構(gòu)法施工在下穿既有鐵路過程中應(yīng)用較多，部分學(xué)者對該工法下鋼軌變形規(guī)律進行有益探討[1-4]。另外，暗挖法也是修建城市地鐵隧道的常用方法之一，其結(jié)構(gòu)形式靈活多變，很多學(xué)者對不同暗挖工法隧道下穿地鐵車站、既有隧道等建(構(gòu))筑物造成的影響進行了研究，并提出針對既有結(jié)構(gòu)沉降控制措施[5-9]。

另外，部分學(xué)者研究隧道下穿既有高鐵路基變形的規(guī)律。藺云宏針對兩條并行單線隧道下穿既有鐵路路基，探究列車荷載與既有路基加固對路基沉降的影響[10]；阮雷研究鋼軌沉降變形及水平高差變化隨隧道施工過程的變形規(guī)律，以及埋深與加固對效果鋼軌變形的影響[11]；劉勝歡以隧道下穿京滬高鐵路基為工程依托，采用現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究路基施工變形規(guī)律[12]；劉新軍基于南京地鐵4號線下穿京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線路基段，分析地層損失率與線路高低偏差的對應(yīng)關(guān)系[13]。

新建地鐵隧道同時下穿既有地鐵與高鐵時，新建隧道施工對既有兩條線路鐵軌的變形影響更為復(fù)雜。依托北京地鐵27號線下穿既有地鐵13號線與京張高鐵有砟軌道路基工程，采用數(shù)值模擬的方法對線路變形、地表沉降影響規(guī)律進行研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京地鐵27號線(昌平線南延)是中心城的加密線，與現(xiàn)有9號線組成城區(qū)西部南北方向的骨干線。其中，27號線新建隧道下穿既有地鐵13號線雙線路基與京張高鐵3道有砟軌道路基。暗挖段里程為ZK32+235～ZK32+425。隧道位于地鐵西二旗站至清河站區(qū)間內(nèi)，由西二旗站向南敷設(shè)，小角度斜穿地鐵13號線與京張高鐵路基段，然后接入清河站交通樞紐。暗挖隧道區(qū)間與京張高鐵、13號線的平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 暗挖線路與既有線路位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)工程地質(zhì)勘探資料，勘探范圍內(nèi)土層劃分為人工堆積層和第四紀(jì)沖洪積層兩大類，自上而下主要為雜填土1.6 m、粉細砂6 m、粉質(zhì)黏土11.6 m、卵石圓礫10 m、黏質(zhì)粉土10.8 m。隧道地質(zhì)橫斷面見圖2。

圖2 隧道斷面及地層分布示意(單位：m)

1.3 既有線路概況

京張高鐵路基基床厚1.2 m，其中基床表層厚0.6 m，采用級配碎石；基床底層厚0.5 m，采用A、B組填料，中部為0.1 m厚中粗砂。地鐵13號線路基段為碎石道床，線路間距3.6 m，路基寬7.1 m，地鐵13號線路基與京張高鐵路基最小間距4 m。

1.4 新建隧道工法

新建地鐵隧道暗挖段長度約190 m，與既有線路夾角約12°。隧道采用單洞單線馬蹄形斷面，覆土深度約10 m，采用上下臺階預(yù)留核心土加臨時仰拱法施工，施工循環(huán)進尺為0.5 m，先開挖右線，厚開挖左線，先行線下臺階與后行線上臺階開挖錯距20 m。初期支護采用C25混凝土，厚0.3 m，背土側(cè)全斷面每榀設(shè)φ6.5 mm單側(cè)鋼筋網(wǎng)，間距150 mm×150 mm；格柵鋼架間距0.5 m/榀。利用小導(dǎo)管對掌子面180°范圍內(nèi)進行注漿，小導(dǎo)管采用DN32鋼焊管，長2 m，環(huán)向間距300 mm，打設(shè)角度20°～25°。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 材料參數(shù)

土體本構(gòu)模型基于摩爾庫倫準(zhǔn)則，穿越土體分為5層，路基、道床、鋼軌、軌枕采用實體單元模擬[14]，初期支護及臨時仰拱采用殼單元模擬。在開挖過程中掌子面180°范圍內(nèi)，采取改變參數(shù)的方法來模擬注漿效果。土體物理力學(xué)性能參數(shù)見表1，各部分結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型建立

采用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維數(shù)值模型，由于隧道斜穿既有線路，考慮到模型的邊界效應(yīng)，選取隧道洞徑的3～5倍為模型邊界，模型尺寸為80 m×180 m×40 m，共913 347個節(jié)點，1 069 882個單元。根據(jù)TB10682—2017《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》要求，軌枕尺寸為2.6 m×0.23 m×0.23 m，間距0.6 m；軌距1.435 m，道床厚0.35 m，路基厚1.2 m[15]。模型約束條件為:上部邊界為自由面，左右邊界施加水平約束，底部邊界施加水平約束和豎直約束，模型示意見圖3。

圖3 三維數(shù)值模型

新建隧道采用上下臺階預(yù)留核心土加臨時仰拱法施工，先開挖上臺階預(yù)留核心土，同時施作上半部初期支護；開挖核心土同時施作臨時仰拱；開挖下臺階同時施作下半部初期支護。數(shù)值模擬中施工步設(shè)置見表3。施工方法縱剖示意見圖4。

表3 施工方法說明

圖4 上下臺階預(yù)留核心土加臨時仰拱施工縱剖面

2.3 監(jiān)測點設(shè)置

鋼軌編號及監(jiān)測斷面示意見圖5。

圖5 鋼軌編號及監(jiān)測斷面示意

對地鐵上下行線以及高鐵鋼軌進行編號，規(guī)定下穿隧道先通過的為1號，后通過的為2號。選取下穿隧道與既有線路交叉點的位置作為觀測斷面，先行線(右線)與高鐵鋼軌中心線的交叉面為A，先行線與地鐵和高鐵路基中心線的交叉面為B，兩隧道中心線與地鐵和高鐵路基中心線的交叉面為C，先行線與地鐵上下行線中心線的交叉面為D，后行線與地鐵上下行線中心線的交叉面為E，在5個監(jiān)測斷面上分別對鋼軌變形進行監(jiān)測。

3 計算結(jié)果及分析

隧道開挖施工中會對土體造成擾動，破壞原有的土體平衡狀態(tài)，在土體應(yīng)力重分布的過程中，周圍的土體位移也在一直變化。隨著隧道的開挖，對土體影響范圍也隨之增大，位移變形也會影響到地表的既有結(jié)構(gòu)。因此，為了減小隧道開挖對既有線路的影響，需對鋼軌的豎向位移、幾何不平順、地表沉降進行分析。

3.1 鋼軌變形分析

在開挖過程中，鋼軌受地表的影響產(chǎn)生彎曲變形會影響列車運行安全，所以應(yīng)對鋼軌進行重點分析。

(1)不同監(jiān)測斷面鋼軌測點豎向位移分析

A、C、E三個斷面(6條鋼軌)在隧道施工全部完成后的豎向位移見圖6；A、B、C、D、E五個斷面(6條鋼軌)豎向位移最大值見表4。

表4 不同斷面各條鋼軌豎向位移最大值 mm

圖6中，上方橫坐標(biāo)為后行線下臺階開挖距離，當(dāng)先行線上臺階開挖26 m時，后行線下臺階開始開挖。由圖6與表4可以看出，由于監(jiān)測斷面所代表的是隧道與既有路基位置的關(guān)系，不同監(jiān)測斷面下6條鋼軌中最大沉降出現(xiàn)的位置也有所不同。A斷面位置高鐵的兩條鋼軌變形規(guī)律基本一致，監(jiān)測斷面位置為隧道處于高鐵路基正下方，最大值為高鐵1號鋼軌的4.52 mm。B斷面位置地鐵鋼軌沉降值較A斷面有所增加，但仍全部小于高鐵鋼軌。說明隧道對高鐵的影響仍然大于地鐵，其中，高鐵2號鋼軌沉降值大于1號鋼軌，沉降最大值為4.99 mm。

圖6 不同監(jiān)測斷面鋼軌豎向位移

C斷面位置處地鐵下行線1號鋼軌沉降值已經(jīng)超過高鐵兩條鋼軌，最大值為4.52 mm，地鐵下行線2號鋼軌沉降值介于高鐵1號與高鐵2號之間?？梢钥闯?，新建隧道對既有線路的影響范圍逐漸從高鐵過渡到地鐵。D斷面隧道開挖位置處于地鐵下行線下方，此時地鐵鋼軌沉降值均大于高鐵鋼軌，最大值仍然位于地鐵下行線1號鋼軌處，最大沉降值為5.23 mm，增大約15.7%。從C斷面至E斷面高鐵鋼軌變形逐漸變小，相較于A斷面，高鐵1號與2號鋼軌沉降值減小83.6%和74.4%；地鐵鋼軌沉降值均已超過高鐵鋼軌，地鐵沉降值最大位置為地鐵上行線1號與2號鋼軌處，最大值為5.18 mm。

根據(jù)5個斷面各條鋼軌的監(jiān)測結(jié)果，當(dāng)隧道位于既有線路下方時，鋼軌變形均會增加，但是由于既有地鐵路基是雙線路基，路基本身重量大于高鐵，開挖對地鐵的影響稍大于對高鐵的影響。

(2)鋼軌不平順隨施工過程的變化規(guī)律

綜上所述，由于施工過程中新建隧道與既有線路相對位置關(guān)系不斷變化，導(dǎo)致不同施工開挖步，各條鋼軌的沉降量不同，最大沉降出現(xiàn)的位置也不同。所以，沿線路長度方向上會出現(xiàn)各種類型的軌道不平順，軌道不平順會加劇輪軌的動力作用，使列車運行時產(chǎn)生更大的附加動力，會對列車安全運營造成不利影響。因此，必須對軌道不平順加以分析保證列車的運營安全。地鐵與高鐵水平不平順絕對值隨施工過程變化見圖7。

圖7 不同線路水平不平順示意

地鐵上行線的第一次峰值位置位于沿鋼軌方向的82 m處，峰值為0.6 mm；第二次峰值位置位于157 m處，峰值為0.38 mm。地鐵下行線第一次峰值位于沿鋼軌方向的67 m處，峰值為0.47 mm；第二次峰值位于143 m處，峰值為0.56 mm。高鐵第一次峰值位于沿鋼軌方向的2 m處，峰值為0.57 mm；第二次峰值位于92 m處，峰值為0.55 mm。由于3條線路與隧道的相對位置關(guān)系不同，鋼軌下方土層受到擾動的時間先后也不同，會產(chǎn)生不均勻沉降。因此，顯示出水平不平順峰值的位置也不相同，并且暗挖隧道左右線先后兩次下穿既有線路，3條線路都出現(xiàn)了兩次波峰。

對于鋼軌的高低不平順，數(shù)值模擬無法對鋼軌上所有位置的變形情況進行分析，故在每條鋼軌上間隔1 m提取180個變形值，將180個變形值間隔10 m作差值分析。如從11 m的位置開始與1 m位置處的變形值做差值，以此類推，得到每條線路1號鋼軌高低不平順，見圖8。

圖8 不同鋼軌高低不平順示意

由圖8可知，3條鋼軌均出現(xiàn)了2個波峰，但是出現(xiàn)波峰的位置不同，說明隧道開挖施工對3條既有線路的影響范圍不同。地鐵上行線1號鋼軌在先行線下臺階開挖到50 m左右的位置處時出現(xiàn)不平順的峰值，此時還未受到后行線的影響；在先行線開挖到90 m的位置處出現(xiàn)第2個波峰時，后行線對鋼軌產(chǎn)生影響；直到開挖完成，先行線與后行線造成的影響都在逐漸增大，且先行線造成的不平順峰值大于后行線。同樣地鐵下行線1號鋼軌的規(guī)律與上行線基本相同，但高鐵1號鋼軌的變形情況與地鐵不相同。高鐵的高低不平順受先后行線的影響出現(xiàn)先增大后減小，后行線的開挖會減小先行線的影響。地鐵與高鐵鋼軌的高低不平順峰值分別為1.72,1.74,1.70 mm。

根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)軌程》和《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》，關(guān)于軌道動靜態(tài)幾何不平順值的規(guī)定見表5，各條線路不平順值均未超過規(guī)范限制。

表5 250～300 km/h線路軌道動態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值 mm

3.2 地表沉降分析

取上述A、C、D三個監(jiān)測斷面為研究對象，沿斷面橫向每間隔1 m提取地表沉降特征值，繪制不同施工階段斷面的地表沉降曲線(見圖9)。

圖9 不同監(jiān)測斷面地表沉降

由圖9可以看出，隧道在穿過不同監(jiān)測斷面時，地表對于不同施工步的響應(yīng)不同，沉降變形隨著施工的進行而依次發(fā)展。由于隧道右線先開挖，而右線對于雙洞隧道來說位置偏左，在剛開挖時地表沉降最大值位置相對于最終沉降值的位置也偏左，當(dāng)隧道開挖推進一定距離后，沉降值逐漸回到兩隧道連線的中線上。圖9(a)表明，先行線開挖50 m時引起的地表沉降占總沉降量的49.4%，開挖70 m時引起的地表沉降占總沉降量的94.9%，后續(xù)沉降發(fā)展緩慢直到穩(wěn)定。圖9(b)表明，在先行線開挖90 m時引起的地表沉降占總沉降量的45.9%，開挖110 m時引起的地表沉降占總沉降量的90.6%。圖9(c)表明，先行線開挖90 m時引起的地表沉降占總沉降量的24%，開挖110 m時引起的地表沉降占總沉降量的51.3%，開挖130 m時引起的地表沉降占總沉降量的94.5%。

4 結(jié)論

依托北京地鐵27號線暗挖隧道下穿地鐵13號線與京張高鐵路基工程，采用數(shù)值模擬的方法研究開挖對既有線路鋼軌變形與地表沉降變形的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)鋼軌豎向位移最大值為5.23 mm，水平不平順峰值為0.6 mm，高低不平順峰值為0.57 mm，地表沉降最大值為5.33 mm，各項變形值均在規(guī)范要求之內(nèi)。

(2)根據(jù)下穿隧道與既有線路相對位置關(guān)系，不同監(jiān)測斷面下鋼軌豎向位移最大值所在的鋼軌位置不同，開挖對地鐵鋼軌造成的豎向位移影響略大于高鐵。

(3)隧道開挖左右線之間步距20 m施工，開挖對鋼軌不平順的影響，形變有2次先增加后減小的過程，不平順值出現(xiàn)2個峰值。開挖對地鐵與高鐵鋼軌的影響范圍不同，但是3條線路不平順的峰值基本相同。

(4)暗挖隧道先行線開挖的位置偏左，地表沉降最大值的位置先偏于兩線路路基軸線靠左的位置，而后回到軸線位置處。當(dāng)隧道開挖遠離監(jiān)測斷面位置后，沉降發(fā)展緩慢基本保持最大值不變，說明在初支狀態(tài)下隧道結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，不會繼續(xù)對既有結(jié)構(gòu)造成更大的影響。