梁 健

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)院，山西 太原 030013)

0 前 言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通快速發(fā)展，結(jié)合國(guó)內(nèi)各城市軌道交通規(guī)劃布局及建設(shè)情況，城市軌道交通穿越既有鐵路線路或運(yùn)營(yíng)城市軌道交通既有線的工程不斷涌現(xiàn)。本工程遠(yuǎn)期延長(zhǎng)線實(shí)施時(shí)將同時(shí)下穿既有鐵路線路與屆時(shí)已建成的城市軌道交通隧道，情況較為少見(jiàn)。城市軌道交通區(qū)間隧道多以盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)在開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)破壞原有的土體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引起地面及周邊建構(gòu)筑物變形沉降。為保證遠(yuǎn)期工程實(shí)施的可靠銜接，必須將遠(yuǎn)期工程實(shí)施對(duì)已建成線路的影響進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，進(jìn)而決定合理可行的預(yù)留實(shí)施方案，并為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 出入場(chǎng)線及遠(yuǎn)期西延線概況

西山停車場(chǎng)出入場(chǎng)線區(qū)間位于太原市萬(wàn)柏林區(qū)西山礦務(wù)局片區(qū)，為太原城市軌道交通1號(hào)線一期工程；根據(jù)太原城市發(fā)展需求，太原城市軌道交通1號(hào)線預(yù)留西延條件，西山礦務(wù)局站為一期工程起點(diǎn)站。

出入場(chǎng)線采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間由西山礦務(wù)局站西端始發(fā)，沿西礦街下穿玉門(mén)溝線鐵路后以半徑為400 m的平面曲線折向南，下穿虎峪河后進(jìn)入丘陵區(qū)域，再以半徑為300 m的平面曲線折向東接入西山停車場(chǎng)。

西延線擬采用盾構(gòu)法施工，西山礦務(wù)局站預(yù)留盾構(gòu)接收條件。西延線右線由西山礦務(wù)局站引出后，先下穿玉門(mén)溝線鐵路，再穿越出入場(chǎng)線進(jìn)而轉(zhuǎn)向南，下穿虎峪河后向南延伸至遠(yuǎn)期生態(tài)園站；西延線左線沿出入場(chǎng)線北側(cè)平行敷設(shè)，向西穿越玉門(mén)溝線鐵路后轉(zhuǎn)向南，下穿虎峪河后向南延伸至遠(yuǎn)期生態(tài)園站。

盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑5 500 mm，外徑6 200 mm，厚度為350 mm，環(huán)寬為1 200 mm。圖1為區(qū)間隧道穿越玉門(mén)溝線鐵路平面圖。

圖1 區(qū)間隧道穿越玉門(mén)溝線鐵路平面圖

1.2 玉門(mén)溝線鐵路概況

玉門(mén)溝線鐵路為西山煤電集團(tuán)白家莊礦和官地礦的運(yùn)煤通道，始建于1936年，鐵路等級(jí)為Ⅲ級(jí)，為時(shí)速40 km/h單線有碴非電氣化貨運(yùn)鐵路，最小曲線半徑為150 m，線路最大縱坡25‰，采用50 kg/m～25 m標(biāo)準(zhǔn)軌及鋼筋混凝土軌枕。地鐵區(qū)間穿越段為路基段，路基高度為4 m，道床頂寬為2.9 m，道砟厚度0.35 m。地鐵出入場(chǎng)線區(qū)間與鐵路線路的交叉角度約為63°,西延線區(qū)間與鐵路線路的交叉角度約為75°。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

2.1 工程地質(zhì)

工程場(chǎng)區(qū)地貌單元為西山山前傾斜波狀沖洪積平原。經(jīng)勘察揭示，穿越鐵路段地表多為第四紀(jì)人工填土，其下為第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、二疊系基巖。根據(jù)土層性質(zhì)及沉積規(guī)律，穿越段地層自上到下主要為：1-2素填土、2-2-12黏質(zhì)粉土、2-9-3碎石土、3-2-2粉質(zhì)黏土、3-9-3碎石土。

2.2 水文地質(zhì)

2.2.1 地表水

區(qū)間從虎峪河穿過(guò)，下穿段河流寬度約2.1～4.9 m，河水深度約1.0～2.0 m。

2.2.2 地下水

擬建場(chǎng)地位于太原斷陷盆地內(nèi)，地下水主要為松散層孔隙潛水，主要賦存于淺部的砂土、碎石土層中，水位埋深大，透水性好，水量相對(duì)不大。穿越段水位埋深約為地下25 m。

3 鐵路線路及出入場(chǎng)線沉降控制要求

3.1 既有鐵路沉降控制要求

玉門(mén)溝線鐵路等級(jí)為Ⅲ級(jí)，為單線非電氣化有砟貨運(yùn)鐵路。參照2019版《普速鐵路線路修理規(guī)則》(TG/GW102-2019)表6.2.1-1及《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50911-2013)中第9.3.6條，結(jié)合國(guó)內(nèi)諸多成功穿越同等級(jí)鐵路的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)區(qū)間下穿既有玉門(mén)溝線鐵路軌道及路基沉降做如下要求：①鐵路路基沉降不大于20 mm；②軌面沉降不得超過(guò)12 mm；③相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過(guò)6 mm；④相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過(guò)6 mm。

3.2 既有出入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道沉降控制要求

參照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5017-2013)、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T202-2013)附錄B及《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50911-2013)中第9.3.5條，出入場(chǎng)線按照運(yùn)營(yíng)線路考慮，保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。盾構(gòu)隧道及軌道變形控制具體要求如下：①結(jié)構(gòu)豎向位移沉降值：10 mm，上浮5 mm；②結(jié)構(gòu)水平位移控制值：10 mm，結(jié)構(gòu)收斂值5 mm；③道床左右差異沉降控制值：4 mm；④道床縱向差異沉降控制值：4 mm。

4 數(shù)值模擬計(jì)算及分析

4.1 計(jì)算原則及方法

西延線右線近似同時(shí)穿越出入場(chǎng)線及玉門(mén)溝線鐵路，故本次計(jì)算重點(diǎn)分析西延線右線掘進(jìn)對(duì)屆時(shí)已建成的出入場(chǎng)線與既有玉門(mén)溝線鐵路的影響。西延線盾構(gòu)穿越出入場(chǎng)線區(qū)間過(guò)程中僅考慮其正常使用工況。結(jié)合場(chǎng)地條件及線路方案，分別按照西延線盾構(gòu)從出入場(chǎng)線下方穿越和從出入場(chǎng)線上方穿越兩個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算，兩方案西延線盾構(gòu)隧道距離屆時(shí)已建成的出入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)最小凈距均為6 m。

采用MIDAS/GTS-NX軟件建立三維空間實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算模型中，土體采用修正摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型；盾構(gòu)管片、盾殼采用板單元，彈性模型；同步注漿采用等代層考慮，采用板單元，彈性模型；二次注漿通過(guò)提高土體參數(shù)，采用修正摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型模擬。

4.2 模型概述

為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響，考慮到施工過(guò)程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型取其有效影響范圍，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)外邊緣至模型邊界均大于5倍的盾構(gòu)外徑，兩方案模型尺寸均取為240 m(長(zhǎng))×140 m(寬)×50 m(高)。模型頂面設(shè)為自由邊界，底面采用豎向約束，其他面均采用法向約束。模型見(jiàn)圖2～3，為簡(jiǎn)化計(jì)算，西延線掘進(jìn)按照4 m(約三環(huán))為一個(gè)施工步考慮。

圖2 西延線盾構(gòu)從出入場(chǎng)線下方穿越 圖3 西延線盾構(gòu)從出入場(chǎng)線上方穿越

4.3 計(jì)算假定

為便于分析計(jì)算，在計(jì)算模型中做如下假定：①所有土層為各向同性均質(zhì)，且簡(jiǎn)化各土層使其呈均勻的水平層狀分布；②不考慮結(jié)構(gòu)與周圍土體的相對(duì)滑移及脫離；③初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，土層在自重作用下達(dá)到平衡后進(jìn)行隧道的施工；④不考慮隧道開(kāi)挖的時(shí)間效應(yīng)。

4.4 主要的計(jì)算參數(shù)(見(jiàn)表1)

表1 主要計(jì)算參數(shù)表

4.5 計(jì)算結(jié)果及分析

4.5.1 西延線盾構(gòu)從出入場(chǎng)線下方穿越方案計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，地表、玉門(mén)溝線鐵路路基、出入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道主要變形特征均為豎向沉降，且最大沉降位置均位于西延線盾構(gòu)隧道正上方。其中，地表最大沉降值為3.99 mm，既有玉門(mén)溝線鐵路路基最大沉降值為3.98 mm，西延線盾構(gòu)沿線兩側(cè)約85 m范圍內(nèi)玉門(mén)溝線鐵路路基沉降值均大于2 mm；出場(chǎng)線盾構(gòu)隧道最大沉降值為4.27 mm，入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道最大沉降值為4.21 mm，西延線盾構(gòu)沿線兩側(cè)約150 m范圍內(nèi)既有隧道結(jié)構(gòu)沉降值均大于2 mm。

本方案既有鐵路及軌道交通隧道結(jié)構(gòu)變形值均在允許范圍內(nèi)，等值云圖見(jiàn)圖4。

圖4 下方穿越方案豎向變形等值云圖

4.5.2 西延線盾構(gòu)從出入場(chǎng)線上方穿越方案計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，地表、玉門(mén)溝線鐵路路基主要變形特征均為豎向沉降，出入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道主要變形特征為豎向隆起，最大變形位置均位于西延線盾構(gòu)隧道正上方或正下方。其中，地表最大沉降值為1.49 mm，既有玉門(mén)溝線鐵路路基最大沉降值為1.53 mm，西延線盾構(gòu)沿線兩側(cè)約16 m范圍內(nèi)玉門(mén)溝線鐵路路基沉降值均大于1 mm；出場(chǎng)線盾構(gòu)隧道最大隆起量為1.26 mm，入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道最大隆起量為1.23 mm，西延線盾構(gòu)沿線兩側(cè)約20 m范圍內(nèi)既有隧道結(jié)構(gòu)隆起量均大于1 mm。

本方案既有鐵路及軌道交通隧道結(jié)構(gòu)變形值均在允許范圍內(nèi)，等值云圖見(jiàn)圖5。圖6為玉門(mén)溝線鐵路路基豎向位移曲線圖，圖7為出場(chǎng)盾構(gòu)隧道豎向位移曲線圖，圖8為入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道豎向位移曲線圖。

圖5 上方穿越方案豎向變形等值云圖

圖6 玉門(mén)溝線鐵路路基豎向位移曲線圖

圖7 出場(chǎng)線盾構(gòu)隧道豎向位移曲線圖

圖8 入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道豎向位移曲線圖

4.5.3 兩方案對(duì)比分析

兩方案西延線掘進(jìn)依次穿越已建入場(chǎng)線、出場(chǎng)線及既有玉門(mén)溝線鐵路。通過(guò)繪制兩方案不同施工步結(jié)果對(duì)比圖示，遠(yuǎn)期西延線不論在出入場(chǎng)線上方或者下方穿越，對(duì)玉門(mén)溝線鐵路主要影響均為豎向沉降，且在出入場(chǎng)線下方穿越方案對(duì)路基造成影響相對(duì)較大。西延線在出入場(chǎng)線下方掘進(jìn)穿越，出入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生沉降；遠(yuǎn)期西延線在出入場(chǎng)線上方掘進(jìn)穿越，出入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)會(huì)因卸載而隆起；兩方案均對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)有一定的影響，但論及影響范圍及位移相對(duì)值，西延線在出入場(chǎng)線下方穿越時(shí)造成影響相對(duì)較大。

綜合考慮，遠(yuǎn)期西延線在出入場(chǎng)線下方穿越影響相對(duì)較大，但兩方案變形絕對(duì)值均在相關(guān)規(guī)定的允許范圍內(nèi)。預(yù)留方案應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地條件、區(qū)間縱向坡度確定、聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置、工程籌劃、工程投資等因素進(jìn)一步確定。若不考慮其他因素，僅以減小對(duì)既有線的影響為目的，應(yīng)優(yōu)先采用西延線從出入場(chǎng)線上方穿越的方案。

5 結(jié)論與建議

1)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，遠(yuǎn)期西延線應(yīng)優(yōu)先考慮從出入場(chǎng)線隧道上方穿越，以減小對(duì)既有線路的影響，但考慮兩方案對(duì)既有線的影響均可控，方案均具有可行性，故需進(jìn)一步分析論證方案對(duì)線路方案、區(qū)間布置、施工風(fēng)險(xiǎn)、工程投資等的影響。本次設(shè)計(jì)西延線若從出入場(chǎng)線上方穿越，西延線及出入場(chǎng)線沿線路縱向均需增設(shè)置反向坡，出入場(chǎng)線需增設(shè)聯(lián)絡(luò)通道及泵房，且減小了西延線盾構(gòu)穿越虎峪河段覆土，施工風(fēng)險(xiǎn)及投資增大，綜合考慮本工程設(shè)計(jì)預(yù)留了西延線從出入場(chǎng)線下方穿越條件。

2)盾構(gòu)穿越土層主要為碎石土，地質(zhì)條件較好，且場(chǎng)地受限，根據(jù)計(jì)算結(jié)果建議不采取地面加固措施。下階段設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化線路縱向坡度，增加近遠(yuǎn)期盾構(gòu)間凈距以減小遠(yuǎn)期西延線盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)既有線的影響。

3)遠(yuǎn)期西延線穿越時(shí)對(duì)既有鐵路線及已建成出入場(chǎng)線結(jié)構(gòu)影響可控，但此需要建立在盾構(gòu)正常掘進(jìn)的情況下，故施工期間必須控制好盾構(gòu)姿態(tài)，加強(qiáng)信息化、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。

4)建議遠(yuǎn)期西延線施工前進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步分析推進(jìn)速度、推進(jìn)力、注漿等對(duì)盾構(gòu)施工的影響，論證得到最優(yōu)的掘進(jìn)參數(shù)，進(jìn)一步減小對(duì)既有線的影響。

5)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，工程項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)程加快，類似交叉穿越的工程日益增多，此類工程應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬分析，確定合理的設(shè)計(jì)方案和施工方法、工序，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

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