張竹清

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

根據(jù)珠三角城際軌道交通總體規(guī)劃及廣州市城市規(guī)劃布局，珠三角城際廣佛環(huán)線陳村2號(hào)隧道需要下穿通過(guò)武廣客運(yùn)專線廣州南站橋梁。下穿段隧道設(shè)計(jì)列車速度為160 km/h，采用兩單線布置形式，隧道下穿武廣客運(yùn)專線橋梁后與城際廣州南站相接[1-2]。

2 下穿段周邊控制因素概述

2.1 客運(yùn)專線廣州南站現(xiàn)狀

客運(yùn)專線廣州南站目前開(kāi)行的線路有武廣客運(yùn)專線及廣珠城際鐵路。武廣客運(yùn)專線為設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的高速鐵路，從2009年底開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)。2011年7月1日起，武廣高速鐵路調(diào)圖后按最高300 km/h及250 km/h兩種列車速度開(kāi)行。廣珠城際鐵路廣州南至珠海北段于2011年1月7日正式通車，設(shè)計(jì)速度為200 km/h。列車進(jìn)出站運(yùn)行速度為80 km/h。

客運(yùn)專線廣州南站為高架站，城際鐵路廣州南站為地下站，因此廣佛城際陳村2號(hào)隧道需要下穿已建成通車的武廣客運(yùn)專線廣州南站橋墩，穿越長(zhǎng)度為320 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及收集資料顯示，下穿段橋梁?jiǎn)慰卓缍葹?2 m，32號(hào)墩左側(cè)結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)梁，采用無(wú)砟軌道，右側(cè)為簡(jiǎn)支梁，采用有砟軌道。下穿段廣州南站現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 下穿橋梁現(xiàn)狀

2.2 地表建(構(gòu))筑物現(xiàn)狀(圖2)

圖2 下穿段控制因素簡(jiǎn)圖(單位：m)

2.2.1 市政道路

下穿段上方道路為南站南路，雙向8車道，兩側(cè)布置有綠化帶和人行道。C匝道為廣州南站西廣場(chǎng)進(jìn)入站臺(tái)層的落客通道，單向雙車道。上述2條道路均已投入使用。

2.2.2 鐵路及市政管網(wǎng)

下穿段分布有大量的鐵路、市政管線，包括給水管線、雨水管線、污水管線、電力管線、電信管線等，管線材質(zhì)有塑料、鑄鐵、鋼、混凝土等種類。

2.2.3 既有景觀渠

32號(hào)橋墩右側(cè)為2號(hào)景觀渠，渠寬20 m，渠深3.5 m，水深約1.7 m。

3 工程及水文地質(zhì)概況

隧道范圍內(nèi)地下水類型主要有兩種：一種為賦存于第四系土層中的孔隙水，另一種為基巖風(fēng)化裂隙水。勘察期間測(cè)得地下水位埋深0.4～6.1 m，平均水位埋深為2.1 m，水位高程-3.7～2.22 m[3]。

4 高速鐵路橋梁沉降的控制要求

4.1 相關(guān)規(guī)范及規(guī)定

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(試行)(TB10020—2009)及《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范條文說(shuō)明》(試行)(TB10621—2009)，橋梁工后沉降量不應(yīng)超過(guò)表1限值[4]。

表1 靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值

注：超靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺(tái)沉降量之差除應(yīng)符合上述規(guī)定外，尚應(yīng)根據(jù)沉降差對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響確定。

橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值主要為滿足高速列車運(yùn)營(yíng)安全和舒適性要求。對(duì)于墩臺(tái)基礎(chǔ)均勻沉降，有砟軌道橋梁沉降限值參考了路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)砟軌道橋梁沉降限值主要依據(jù)橋上扣件容許的調(diào)整量。對(duì)于調(diào)高量為30 mm的扣件，扣除施工誤差+6 mm/-4 mm，僅有20 mm可用于調(diào)整運(yùn)營(yíng)期間基礎(chǔ)沉降、梁體徐變變形產(chǎn)生的軌道狀態(tài)變化。考慮到基礎(chǔ)發(fā)生均勻沉降時(shí)可通過(guò)圓順線路滿足運(yùn)營(yíng)要求，對(duì)于行車影響相對(duì)較小。因此規(guī)定，對(duì)于有、無(wú)砟軌道橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)工后均勻沉降限值分別按照30 mm和20 mm取用。

墩臺(tái)基礎(chǔ)不均勻沉降將在墩臺(tái)位置產(chǎn)生變坡點(diǎn)，即出現(xiàn)明顯的折角，直接影響行車的安全和舒適。相關(guān)研究分析表明：不同沉降限值對(duì)于梁體動(dòng)力效應(yīng)影響較小，而主要影響車輛動(dòng)力效應(yīng)；列車輪重減載率隨不均勻沉降值的增大而增大；車體豎向加速度、列車車體平穩(wěn)性指標(biāo)除與車體自身動(dòng)力性能有一定關(guān)系外，也隨不均勻沉降量增加呈增大趨勢(shì)。同時(shí)超靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺(tái)不均勻沉降限值還應(yīng)考慮對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響[5]。

4.2 收集到的相關(guān)下穿高速鐵路沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)資料調(diào)研，本文收集到了類似下穿高速鐵路工程的沉降要求，詳見(jiàn)表2。

4.3 本工程橋梁沉降限值的確定

根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定及收集到的類似工程的要求，并考慮一定富裕量后，確定本工程下穿段橋梁墩臺(tái)均勻沉降范圍為-10 mm～0，極限不超過(guò)15 mm，相鄰墩臺(tái)沉降差不大于5 mm。

表2 類似工程沉降限值

5 下穿方案研究

根據(jù)前期與廣州市規(guī)劃部門結(jié)合及珠三角城際廣佛環(huán)線運(yùn)營(yíng)規(guī)劃，城際廣州南站站場(chǎng)布置提出了2種方案，為此，隧道下穿客運(yùn)專線橋梁的方案也分別采用礦山法方案及盾構(gòu)法方案。

方案一：需要將城際廣州南站折返線伸入到客運(yùn)專線廣州南站橋梁下方，折返線與正線線間距為5.3 m。因此，盾構(gòu)隧道斷面已不能滿足折返線段落的要求，同時(shí)由于受到橋下凈空的限制，盾構(gòu)機(jī)無(wú)法從橋下吊出，施工時(shí)只能將盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入橋梁下方前吊出，橋梁下方不能采用盾構(gòu)法施工。為此，下穿段采用礦山法方案。

方案二：由于該段位于客運(yùn)專線咽喉區(qū)，對(duì)沉降要求嚴(yán)格，下穿客運(yùn)專線橋墩的施工風(fēng)險(xiǎn)大。礦山法隧道開(kāi)挖帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)必須充分考慮，一旦發(fā)生不可控制的事件，將會(huì)嚴(yán)重影響廣珠城際鐵路和武廣客運(yùn)專線的運(yùn)營(yíng)。同時(shí)由于礦山法造價(jià)較高，因此本方案采用兩單洞盾構(gòu)斷面下穿客運(yùn)專線橋梁，該方案施工風(fēng)險(xiǎn)較小，但為了滿足城際廣州南站的運(yùn)輸組織條件需要將站臺(tái)層整體東移，增加城際及客運(yùn)專線換乘距離約250 m。

5.1 礦山法下穿方案

5.1.1 主要邊界條件

隧道開(kāi)挖外輪廓距離廣州南站橋樁凈距3.61 m。隧道埋深9.84 m。隔離樁距離廣州南站橋樁凈距2.61 m。礦山法方案隧道與橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

圖3 礦山法方案隧道與橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)系(單位：m)

5.1.2 相關(guān)措施及施工工法

(1)在DK34+600～+905段左右線隧道結(jié)構(gòu)外緣設(shè)置隔離樁，以減小隧道施工對(duì)既有橋樁的側(cè)壓力作用和控制地層沉降變形。隔離樁采用φ1.0 m鉆孔灌注樁，間距1.2 m，樁端至仰拱底部下2 m。

(2)洞內(nèi)采用T76L邁式管棚+φ42 mm小導(dǎo)管超前注漿處理，T76L邁式管棚布置于拱墻范圍，因側(cè)邊隔離樁限制，φ42 mm注漿小導(dǎo)管布置于拱部120°范圍。

(3)雙線隧道采用初期支護(hù)+雙層襯砌結(jié)構(gòu)。初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚30 cm，內(nèi)設(shè)2榀/m的I22a型鋼鋼架。第一層襯砌為25 cm厚的格柵混凝土，內(nèi)設(shè)2榀/m的φ25 mm主筋格柵鋼架；第二層襯砌為45 cm厚的鋼筋混凝土。

(4)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，在臨時(shí)支護(hù)拆除前完成第一層格柵混凝土襯砌施工，然后拆除臨時(shí)支護(hù)敷設(shè)防水層，澆筑第二層鋼筋混凝土襯砌。

(5)施工須采用機(jī)械開(kāi)挖，局部硬質(zhì)巖層在條件允許情況下采用控制爆破施工。

(6)施工期間按照相關(guān)規(guī)范加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，特別是對(duì)橋墩、梁、軌面及隧道初支等部位。量測(cè)信息須及時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)信息化施工。

(7)為保證客運(yùn)專線的正常運(yùn)行，在調(diào)查清楚隧道上方管線情況的基礎(chǔ)上，對(duì)各類管線進(jìn)行臨時(shí)遷改。

5.2 盾構(gòu)法下穿方案

5.2.1 既有盾構(gòu)機(jī)的利用

為充分利用既有盾構(gòu)設(shè)備，節(jié)約工程投資，陳村2號(hào)隧道盾構(gòu)段采用珠三角城際鐵路在建項(xiàng)目土壓平衡盾構(gòu)。

5.2.2 盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)徑7.7 m、外徑8.5 m、管片襯砌厚度400 mm。采用C50混凝土，抗?jié)B等級(jí)≥P12。管片寬度1.6 m，采用7塊模式，全環(huán)由1塊封頂塊，2塊鄰接塊和4塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。

5.2.3 主要邊界條件

穿越武廣客運(yùn)專線既有橋墩，隧道結(jié)構(gòu)埋深約13 m，左側(cè)距離橋墩樁基7.12 m，右側(cè)距離橋墩樁基6.78 m，穿越距離320 m。盾構(gòu)機(jī)下穿橋墩后，在城際廣州南站吊出。盾構(gòu)法方案隧道與橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)法方案隧道與橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)系(單位：m)

5.2.4 施工注意事項(xiàng)

(1)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)橋墩前，應(yīng)選擇合適的地層停止掘進(jìn)，對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行徹底的檢查和維修(刀具、注漿系統(tǒng))，調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，確保盾構(gòu)機(jī)以良好的狀態(tài)順利穿過(guò)客運(yùn)專線橋墩范圍，避免大幅調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。

(2)盾構(gòu)掘進(jìn)采用土壓平衡模式，選擇適宜的掘進(jìn)參數(shù)[8]，嚴(yán)格控制出土量，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定。

(3)及時(shí)足量進(jìn)行同步注漿。在掘進(jìn)中及時(shí)進(jìn)行盾尾回填注漿，并可適當(dāng)調(diào)整砂漿配合比，以加快其凝固速度，為確保注漿效果，可進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿。

(4)往開(kāi)挖面和切削倉(cāng)注入泡沫，改善渣土的密水性與和易性[9]。

(5)盾構(gòu)掘進(jìn)中加強(qiáng)盾尾密封油脂的注入，確保盾尾密封效果。防止地下水從盾尾涌入，有效控制地面沉降、隧道的變形。

(6)施工過(guò)程加強(qiáng)地表及橋梁的沉降觀測(cè)。

5.3 方案比較

礦山法方案及盾構(gòu)法方案優(yōu)缺點(diǎn)比較詳見(jiàn)表3。

表3 下穿廣州南礦山法方案及盾構(gòu)法方案對(duì)比

根據(jù)以上論述，采用大斷面礦山法方案，其最大優(yōu)點(diǎn)是可將城際廣州南站渡線布置在橋下范圍，縮短城際與客運(yùn)專線車站換乘距離，但正是由于渡線布置的原因，導(dǎo)致隧道開(kāi)挖跨度達(dá)15.18 m，開(kāi)挖邊界距離橋樁僅有3.61 m，開(kāi)挖面積達(dá)140 m2，而埋深僅10 m，雖然超前支護(hù)及隔離措施已經(jīng)加強(qiáng)，但施工風(fēng)險(xiǎn)仍然較大。而盾構(gòu)方案的最大優(yōu)點(diǎn)是隧道與橋樁距離為6.78 m，埋深達(dá)13 m，施工過(guò)程中對(duì)橋樁影響較小。考慮到客運(yùn)專線運(yùn)營(yíng)要求的特殊性，一旦出現(xiàn)問(wèn)題引起的社會(huì)影響十分廣泛，因此最終推薦采用盾構(gòu)法下穿方案。

6 盾構(gòu)法下穿方案數(shù)值模擬計(jì)算

6.1 模型參數(shù)的選取

根據(jù)橋梁專業(yè)提供的承臺(tái)底部荷載反算到橋墩位置然后等加到各節(jié)點(diǎn)上，先進(jìn)行左側(cè)隧道施工，施工完成后再進(jìn)行右側(cè)隧道施工，每次掘進(jìn)1.6 m，即1片管片長(zhǎng)度。施加土倉(cāng)壓力以維護(hù)掌子面的穩(wěn)定，土倉(cāng)壓力為初始應(yīng)力平衡下該點(diǎn)的初始應(yīng)力，開(kāi)挖完成后進(jìn)行管片拼裝及背后注漿，注漿層彈性模量起始按注漿壓力0.25 MPa考慮，3個(gè)循環(huán)后砂漿凝固，彈性模量按150 MPa考慮。所用材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 材料物理力學(xué)參數(shù)

6.2 計(jì)算模型及結(jié)果(圖5～圖7)

圖5 計(jì)算模型

圖6 開(kāi)挖貫通后豎向位移云圖

圖7 地表沉降曲線

本次數(shù)值計(jì)算土體采用D-P本構(gòu)模型，用Solid45單元模擬，橋墩、承臺(tái)采用彈性模型用Solid45單元模擬，樁采用Beam188單元模擬，盾構(gòu)管片采用Shell63單元模擬。

由圖7可知，隧道開(kāi)挖引起地表沉降最大值僅為14 mm，對(duì)地表的影響較小，同時(shí)計(jì)算表明，在掘進(jìn)過(guò)程中隧道兩側(cè)樁體的水平及豎向位移只有0.2 mm，基本可以忽略，因此盾構(gòu)法下穿方案是安全可靠的。

7 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)高速鐵路仍處于高速發(fā)展期，已有多條高速鐵路投入運(yùn)營(yíng)。今后大量高速鐵路的建成及通車，設(shè)計(jì)人員在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，都會(huì)面臨新建工程下穿高速鐵路的情況需要處理。新建工程與既有高速鐵路的交叉處是影響高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的重要敏感點(diǎn)， 交叉方案的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，交叉點(diǎn)方案選擇是否合理，對(duì)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全、城市的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)都具有重要影響，因此必須做好充分的論證與研究[10]。本文旨在通過(guò)廣佛環(huán)線陳村2號(hào)隧道下穿客運(yùn)專線廣州南站的方案設(shè)計(jì)，給類似工程提供參考及借鑒。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部，廣東省人民政府.關(guān)于廣佛環(huán)線佛山西站至廣州南站段項(xiàng)目建議書(shū)的批復(fù)[Z].北京:中華人民共和國(guó)鐵道部，2011.

[2] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 廣佛環(huán)線佛山西站至廣州南站段施工圖設(shè)計(jì)總說(shuō)明[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2012.

[3] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 廣佛環(huán)線佛山西站至廣州南站段定測(cè)階段地質(zhì)報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011.

[4] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．

[5] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)條文說(shuō)明 [S]. 北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．

[6] 徐干成，等.地鐵盾構(gòu)隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析[J].巖土力學(xué)，2009，30(2)：269-270．

[7] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.廣州市軌道交通九號(hào)線工程廣州北～花城路區(qū)間下穿武廣高鐵、京廣鐵路專項(xiàng)設(shè)計(jì)[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011.

[8] 竺維彬，等.廣州地鐵三號(hào)線盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究[M].廣州：暨南大學(xué)出版社，2007:81．

[9] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50446—2008 盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

[10] 李耐振，閆偉.德大線下穿京滬高速鐵路設(shè)計(jì)方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(5)：25-27.