凌云鵬 劉 方 呂 剛 王文謙 張宇寧

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)交通設(shè)施的大力發(fā)展，鐵路建設(shè)的步伐也在逐漸加快，高速鐵路迎來(lái)了一輪新的建設(shè)高潮[1-3]。受鐵路線形和城市線網(wǎng)規(guī)劃的影響，高速鐵路不可避免地會(huì)與既有城市軌道交通產(chǎn)生立體交叉，對(duì)既有軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大的影響[4-7]。

在北京、上海、廣州等一線城市，隨著其城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的加密，新建工程近接既有軌道交通的案例逐漸增多[8-12]。陳建樺[13]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)廣深港客運(yùn)專線隧道下穿深圳地鐵3號(hào)線隧道的施工力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，得出采用三臺(tái)階法施工時(shí)結(jié)構(gòu)位移和安全系數(shù)能夠滿足運(yùn)營(yíng)要求的結(jié)論，并提出了“管棚預(yù)支護(hù)+旋噴樁”安全措施；梅勇文[14]對(duì)沈陽(yáng)某隧道上跨地鐵區(qū)間隧道的施工進(jìn)行分析和研究，提出設(shè)置“抗拔樁+坑內(nèi)外加固”等控制既有隧道變形的措施。張文超等[15]對(duì)新建地鐵隧道下穿既有隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了隧道近接施工過(guò)程中既有隧道的變形規(guī)律。周力軍[16]通過(guò)對(duì)地鐵隧道下穿市政隧道的分析和研究，提出了下穿市政隧道的保護(hù)措施。陳城等[17]對(duì)北京地鐵8號(hào)線區(qū)間隧道下穿地鐵10號(hào)線區(qū)間隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)優(yōu)化超前注漿范圍，確保了既有地鐵隧道的安全運(yùn)營(yíng)。

大量案例的分析表明，大部分近接工程都是以下穿為主，上穿既有隧道的較少。對(duì)于新建工程下穿既有隧道，目前常用的措施有加強(qiáng)超前支護(hù)和合理的施工方法，如大管棚超前支護(hù)，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等[18-20]，而對(duì)上穿既有隧道工程的情況，常規(guī)施工方法難以控制既有隧道的上浮，尤其是在粉質(zhì)黏土、卵石土等軟弱圍巖中，有必要引入新的施工工法來(lái)確保既有工程的安全運(yùn)營(yíng)。

以京張高鐵清華園隧道近距離上穿北京地鐵15號(hào)線為工程背景，提出一種新的施工方法：上中隔壁下雙側(cè)壁預(yù)錨錠工法，并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)該工法的實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

1.1 新建工程概況

京張高鐵清華園隧道位于北京市海淀區(qū)，于學(xué)院南路南側(cè)入地，于五環(huán)內(nèi)出地面，進(jìn)口里程DK13+400，出口里程DK19+420，全長(zhǎng)6020 m。全隧依次下穿學(xué)院南路、北三環(huán)路、知春路、地鐵10號(hào)線、北四環(huán)路、成府路、雙清路。全隧近距離并行地鐵13號(hào)線，并穿越3處地鐵、6處主要市政道路及大量重要市政管線，對(duì)軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大影響。

清華園隧道全線平行地鐵13號(hào)線，并于DK18+539處上穿地鐵15號(hào)線折返線，該處左線線路中線與地鐵13號(hào)線橋梁樁基礎(chǔ)的距離為19 m，埋深5.1 m，與地鐵15號(hào)線隧道之間的凈距為0.8 m，且該段落附近存在多處天然氣、電力和雨水管道，遷改困難，只能采用暗挖法施工，其位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 新建清華園隧道與地鐵平面位置關(guān)系(單位：m)

圖2 新建清華園隧道與地鐵立面位置關(guān)系(單位：cm)

地層以第四系全新統(tǒng)人工堆積(Q4ml)雜填土和第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)為主，自上至下地層依次為雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土、卵石土、細(xì)圓礫土。隧道基底主要是粉質(zhì)黏土，圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí)。

1.2 既有地鐵概況

與該段并行的地鐵13號(hào)線高架橋墩基礎(chǔ)為直徑1 m的鉆孔灌注樁(摩擦+端承樁)，樁長(zhǎng)25 m或34 m。軌道結(jié)構(gòu)為無(wú)砟軌道，60 kg/m鋼軌。

該段15號(hào)線為雙線暗挖隧道(高10.02 m×寬12.3 m)，采用“初期支護(hù)+二次襯砌”的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。初期支護(hù)(厚度0.35 m)采用C20噴射混凝土，格柵鋼架，鋼架間距0.5 m；二次襯砌(厚度0.6 m)采用C40鋼筋混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P10，如圖3所示。軌道結(jié)構(gòu)類型為無(wú)砟軌道，60 kg/m鋼軌，且上穿影響范圍內(nèi)存在1組交叉渡線(9號(hào)道岔)。

該段落施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工過(guò)程中如何控制15號(hào)線的上浮是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)暫無(wú)如此近距離上穿地鐵隧道的先例。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)

上穿15號(hào)線暗挖段埋深約5.1 m，與15號(hào)線凈距為0.8 m，與13號(hào)線橋梁樁基礎(chǔ)的凈距為13.9 m。采用上中隔壁下雙側(cè)壁預(yù)錨錠工法施工，其中上臺(tái)階設(shè)置臨時(shí)中隔壁和臨時(shí)仰拱，必要時(shí)中隔壁延伸至隧道底部。暗挖段采用復(fù)合式襯砌，曲墻帶仰拱結(jié)構(gòu)，初支厚度為35 cm，采用格柵鋼架，鋼架間距為0.6 m，二次襯砌拱墻厚度為50 cm，仰拱厚度為60 cm。側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù)厚度為22 cm，采用I16型鋼鋼架，鋼架間距為0.6 m；臨時(shí)中隔壁和臨時(shí)仰拱厚度為22 cm，采用I18型鋼鋼架，鋼架間距為0.6 m。復(fù)合式襯砌斷面見(jiàn)圖3。

圖3 復(fù)合式襯砌斷面(單位：cm)

為了保證鋼架拱腳的穩(wěn)定，在上臺(tái)階鋼架處設(shè)置擴(kuò)大拱腳，并在側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)置C30鋼筋混凝土，作為上臺(tái)階鋼架擴(kuò)大拱腳的基礎(chǔ)。

2.2 抗浮錨索設(shè)計(jì)

為控制15號(hào)線上浮，在兩側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)大基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置了預(yù)應(yīng)力錨索，擴(kuò)大基礎(chǔ)分兩次澆筑。在15號(hào)線兩側(cè)新建隧道左、右側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)大基礎(chǔ)腳趾上各設(shè)置3道預(yù)應(yīng)力錨索(共計(jì)36道預(yù)應(yīng)力錨索)。

預(yù)應(yīng)力錨索為5φ15.2 mm鋼絞線，長(zhǎng)度分別為25 m、30 m，設(shè)計(jì)拉力分別為600 kN、700 kN，錨固段長(zhǎng)度均為14 m，打設(shè)角度為90°(垂直于地面)。預(yù)應(yīng)力錨索布置如圖4、圖5所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨索立面布置(單位：cm)

圖5 預(yù)應(yīng)力錨索平面布置

預(yù)應(yīng)力錨索采用分批張拉的方式，先張拉擴(kuò)大基礎(chǔ)內(nèi)的12根預(yù)應(yīng)力錨索至設(shè)計(jì)值，再依次張拉其余錨索，直至張拉至設(shè)計(jì)值。

3 數(shù)值分析

為了驗(yàn)證技術(shù)方案的合理性，采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)暗挖上穿15號(hào)線施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

圖6 整體三維模型

三維模型的尺寸為80 m×64 m×62 m，其中沿新建隧道和既有15號(hào)線隧道方向長(zhǎng)度分別為64 m、80 m，模型如圖6、圖7所示。模型頂部為自由面，不施加約束，其余各面都施加法向約束。隧道圍巖采用M-C模型，其余材料采用線彈性本構(gòu)模型，圍巖及隧道襯砌單元采用Solid45單元，圍巖及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 清華園隧道與地鐵15號(hào)線相對(duì)空間位置

表1 計(jì)算參數(shù)

3.2 計(jì)算工況

采用上中隔壁下雙側(cè)壁預(yù)錨錠工法來(lái)模擬隧道的施工過(guò)程，具體施工工序如表2所示。

表2 施工工序

3.3 結(jié)果分析

(1)15號(hào)線豎向變形分析

隧道開挖完成后，地鐵15號(hào)線豎向變形如圖8所示。

圖8 15號(hào)線軌道豎向位移

計(jì)算完成后，15號(hào)線軌道最大上浮值為1.35 mm，位移基本沿15號(hào)線隧道縱向?qū)ΨQ分布。

(2)15號(hào)線二襯受力分析

清華園隧道施工過(guò)程中，引起15號(hào)線出現(xiàn)上浮，對(duì)15號(hào)線二次襯砌受力產(chǎn)生影響。施工完成后，15號(hào)線二次襯砌最大拉應(yīng)力如圖9所示。

圖9 15號(hào)線二次襯砌最大拉應(yīng)力

由圖9可知，隧道施工完成后，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在交叉位置附近，主要分布于拱腰位置，最大拉應(yīng)力值為1.1 MPa，小于GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的1.71 MPa，表明二次襯砌安全。

(3)錨索對(duì)抗浮的作用分析

以15號(hào)線軌道為研究對(duì)象，分析錨索的抗浮作用。隧道施工完成后，施加錨索和不施加錨索情況下，15號(hào)線軌道沉降曲線如圖10所示，錨索受力如圖11所示。

由圖10可知，在無(wú)錨索情況下，15號(hào)線軌道最大上浮值為4.16 mm；有錨索情況下，最大上浮值降低至1.35 mm。通過(guò)圖11可知，施工完成后，錨索最大軸力為541 kN，與設(shè)計(jì)值比較接近。施加錨索后的位移和受力分析表明，預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)15號(hào)線的上浮有顯著的控制作用。

圖10 15號(hào)線軌道豎向變形曲線圖11 錨索軸力

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了保證隧道施工過(guò)程中15號(hào)線的安全運(yùn)營(yíng)，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工方法的合理性，在上穿范圍內(nèi)設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置4個(gè)軌道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2個(gè)襯砌沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)36個(gè)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體布置如圖12、圖13所示。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫斷面布置

隧道開挖完成后，選取靠近隧道中線的GDC01-1～GDC09-1測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，以清華園隧道中線與15號(hào)線隧道中線交叉點(diǎn)為中心(x=0)，得出沿15號(hào)線方向的軌道豎向變形曲線(如圖14所示)。

圖14 15號(hào)軌道豎向變形實(shí)測(cè)曲線

從圖14可知，隧道開挖完成后，15號(hào)軌道最大上浮1.05 mm，且上浮曲線基本呈對(duì)稱分布。

選取受施工影響最大的GDC4-1～GDC6-1為研究對(duì)象，該暗挖段施工時(shí)間為2018年4月22日～2018年12月28日，在此施工期間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化曲線如圖15所示。

圖15 15號(hào)軌道豎向變形隨施工進(jìn)度的實(shí)測(cè)曲線

通過(guò)對(duì)圖15的分析可知，隨著開挖的進(jìn)行，15號(hào)線軌道上浮值越來(lái)越大，開挖完成后，其上浮值基本趨于穩(wěn)定，最大上浮值為1.2 mm，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本一致，小于運(yùn)營(yíng)單位提出的道岔區(qū)2 mm的控制指標(biāo)。

5 結(jié)論

以京張高鐵清華園隧道上穿北京地鐵15號(hào)線區(qū)間隧道為工程背景，詳細(xì)論述了設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，結(jié)論如下：

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，施工過(guò)程中，15號(hào)線軌道最大上浮值為1.35 mm，小于運(yùn)營(yíng)單位提出的道岔區(qū)2 mm的控制指標(biāo)，二次襯砌最大拉應(yīng)力為1.1 MPa，滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的限值，能夠保證15號(hào)線的安全運(yùn)營(yíng)。

(2)對(duì)有無(wú)錨索工況的對(duì)比分析表明，施加錨索后，15號(hào)線軌道上浮值降低至1.35 mm，且錨索軸力與設(shè)計(jì)值較為接近，說(shuō)明在側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)施加錨索可以有效控制15號(hào)線隧道的上浮。

(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，地鐵15號(hào)線軌道上浮最大值為1.2 mm，證明了設(shè)計(jì)方案的合理性。