周丁恒，田雪娟，李長安，馬永峰，郎 瑤

(1. 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600； 2. 中國石油大學(xué)(華東) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

近年來，我國鐵路隧道尤其是高速鐵路長大隧道建設(shè)快速發(fā)展，鐵路隧道下方進(jìn)行新建隧道建設(shè)的案例也隨之增多，但新建隧道穿越不可避免對既有鐵路隧道產(chǎn)生明顯影響，當(dāng)位移超過允許范圍時(shí)，則會威脅到鐵路隧道運(yùn)營安全。

目前新建隧道下穿鐵路隧道的研究主要集中在引水隧洞上，有些學(xué)者的研究角度是爆破振動影響，如：仇文革等[1]、龔倫等[2-3]采用數(shù)值模擬或爆破監(jiān)測的手段對白水江三級電站引水隧洞爆破施工對上部內(nèi)昆鐵路手扒巖隧道的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。此外，冷彪等[4]依托白水江三級電站引水隧洞工程，應(yīng)用可拓學(xué)物元理論，建立了靜力影響程度評價(jià)模型，并比較了評價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果；劉均紅[5]結(jié)合引水隧洞下穿既有陽涉鐵路半坡2號隧道，采用經(jīng)驗(yàn)公式法和三維計(jì)算方法，研究引水隧洞爆破施工對鐵路隧道的影響；王東來等[6]對南水北調(diào)下穿京九鐵路隧道進(jìn)行了分析計(jì)算，以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行了鐵路加固設(shè)計(jì)；許懷[7]采用理論分析、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場試驗(yàn)施工的方法，對泄水洞超小凈距下穿高速鐵路隧道進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)，以達(dá)到控制及有限隧道沉降的目的。新建鐵路隧道或公路隧道下穿既有鐵路隧道也是交叉施工研究的熱點(diǎn)：展宏躍等[8]側(cè)重研究了鐵路隧道下穿施工技術(shù)方案和監(jiān)控量測措施；王新宇等[9]采用了計(jì)算模擬手段分析了小凈距鐵路隧道下穿既有鐵路隧道爆破震動的動力響應(yīng)，并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，評估了下穿施工安全；王道遠(yuǎn)等[10]采用數(shù)值分析手段，對城市連拱鐵路隧道下穿既有客運(yùn)專線的地表沉降預(yù)測公式和控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究；葉飛等[11]介紹了下穿施工工藝和安全監(jiān)控措施；石揚(yáng)釗等[12]詳細(xì)介紹了新建公路隧道下穿既有鐵路隧道交叉段的控制爆破技術(shù)及安全監(jiān)控管理；黃海斌等[13]針對新建公路隧道下穿既有鐵路隧道，對比分析了CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的影響。

目前，地鐵區(qū)間隧道下穿鐵路隧道的工程非常少，典型的是重慶軌道交通1號線區(qū)間隧道下穿小龍坎隧道。分析在地鐵區(qū)間隧道尤其是暗挖地鐵隧道下穿過程中鐵路隧道變形及受力特征，對今后類似工程具有良好的借鑒與參考意義。

1 工程概況

北京地鐵12號線大薊區(qū)間起點(diǎn)位于大鐘寺站，線路沿三環(huán)路中布置835.10 m后，至終點(diǎn)的薊門橋站。大薊區(qū)間最小埋深為25.4 m，最大埋深為32.6 m。區(qū)間于大鐘寺站后右設(shè)置區(qū)間人防段，薊門橋站前右設(shè)置區(qū)間人防段，2處人防段兼顧防淹。區(qū)間兩端車站均采用暗挖法施工，區(qū)間采用礦山法施工。

北京地鐵12號線大鐘寺站～薊門橋站區(qū)間下穿京張鐵路隧道。京張隧道采用單洞雙線的大斷面盾構(gòu)法施工，隧道直徑12.2 m，管片厚550 mm。盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長14.5 m，開挖直徑12.64 m。京張隧道在地鐵12號線處，軌面標(biāo)高28.313 m，如圖1。

圖1 京張隧道斷面(單位：mm)Fig. 1 Section of Jingzhang railway tunnel

2 保護(hù)措施

大薊區(qū)間下穿京張鐵路隧道時(shí)，采取以下保護(hù)措施(圖2、圖3)，以控制區(qū)間施工對京張隧道的影響：

圖2 區(qū)間下穿京張隧道風(fēng)險(xiǎn)源措施縱斷面(單位：mm)Fig. 2 Longitudinal section of risk source measures for interval crossing underneath Jingzhang tunnel

圖3 區(qū)間下穿京張隧道典型橫斷面(單位：mm)Fig. 3 Typical cross-section of interval crossing underneath Jingzhang tunnel

1)暗挖隧道采用臺階法施工，在施工中控制開挖高度，以減少施工對周邊土體沉降的影響。同時(shí)設(shè)置臨時(shí)仰拱，其里程與注漿里程相同。

2)洞內(nèi)管棚施工具體措施包括：①暗挖隧道斷面抬高，為管棚施工創(chuàng)造工作面。C型斷面(工作面)采用臺階法施工，設(shè)置臨時(shí)仰拱；②暗挖隧道頂部100°區(qū)域采用DN180大管棚(壁厚12 mm)+小導(dǎo)管注漿加固(加固范圍為隧道輪廓線外1.5 m)，大管棚外插角0～1°，環(huán)向間距400 mm。大管棚加固范圍：京張隧道前后10 m。

3)下穿時(shí)對暗挖隧道內(nèi)進(jìn)行深孔注漿，注漿范圍為掌子面全斷面范圍以及側(cè)壁輪廓線外2.5 m，注漿縱向長度與大管棚加固里程相同。在注漿加固時(shí)應(yīng)結(jié)合監(jiān)測情況，及時(shí)對注漿壓力進(jìn)行調(diào)整，避免注漿壓力過大引起的地層變形。

4)下穿段初期支護(hù)厚度增大至350 mm(正常段250 mm)，下穿段格柵需加密，格柵加密的范圍為鐵路隧道前10 m至后10 m。

5)下穿段縱向連接筋加密至0.5 m(正常段1 m)。

6)初期支護(hù)和二次襯砌背后的注漿管加密，加密后環(huán)向、縱向均為2 m(正常段環(huán)向和縱向?yàn)?～3 m、3 m)，初支背后及時(shí)進(jìn)行回填注漿，同時(shí)按照監(jiān)測結(jié)果多次補(bǔ)充注漿，為保證注漿效果，需嚴(yán)格把控注量和注漿壓力。

7)二襯施工后，檢測初支背后孔洞，必要時(shí)采用注漿回填措施。

8)下穿施工結(jié)束后，及時(shí)施工二次襯砌，以控制沉降。

9)在暗挖施工中加強(qiáng)關(guān)鍵步序的控制，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測反饋及預(yù)警機(jī)制。

10)施工中采取降水措施，保證無水施工。

11)建議京張隧道盾構(gòu)施工預(yù)留12號線下穿條件：①加強(qiáng)管片鏈接、管片縱向拉緊；②增加管片預(yù)留注漿孔，提前對周邊土體進(jìn)行注漿加固。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 模型概況

數(shù)值模擬計(jì)算中假定與簡化如下：

1)建模時(shí)將地表視為水平面，各層土體采用均一化處理。

2)土體及結(jié)構(gòu)模式方式：采用梁單元模擬管棚、京包鐵路橋橋樁，采用板單元模擬京張隧道結(jié)構(gòu)、暗挖隧道初期支護(hù)和二次襯砌，采用實(shí)體單元模擬京包鐵路橋樁上部結(jié)構(gòu)(承臺、橋墩、面板)及暗挖隧道的加固區(qū)，土體本構(gòu)模型為摩爾庫倫模型，本次分析不考慮地下水作用。

3)模型尺寸概況：考慮施工空間效應(yīng)，上邊界取至地表，模型X、Y、Z方向尺寸分別為116、100.37、60 m。

4)模型邊界條件：左右面約束水平位移，底面約束三向位移，上邊界無約束。

5)計(jì)算荷載：土體和結(jié)構(gòu)自重通過Midas GTS軟件自動加載實(shí)現(xiàn)，模型表面的超載取20 kPa。12號線大薊區(qū)間暗挖隧道下穿京張鐵路隧道三維有限元計(jì)算模型如圖4，模型中暗挖區(qū)間隧道、京張隧道、京包鐵路橋及加固區(qū)如圖5。

圖4 三維有限元計(jì)算模型Fig. 4 3D FEM calculation model

圖5 模型中區(qū)間隧道與京張隧道相對位置關(guān)系Fig. 5 Relative position relationship of interval tunnel and Jingzhangtunnel in FEM model

6)模擬方式：暗挖區(qū)間隧道開挖的模擬方式通過分段方式實(shí)現(xiàn)，將施工進(jìn)尺分別設(shè)置為11、11.43、10.13、9.44、9、9、8.85、9.15、9、13.37 m。右線施工完成后左線施工，右線、左線上臺階均超前下臺階一個(gè)進(jìn)尺，右線、左線貫通后分別施工二襯。

3.2 計(jì)算參數(shù)

模型包含11層土體，根據(jù)地勘報(bào)告確定不同土體計(jì)算參數(shù)，具體數(shù)值列于表1中。橋樁、管棚、京張隧道襯砌、暗挖隧道初支及二襯的材料及尺寸參數(shù)列于表2中，材料類型均為彈性，泊松比均取0.2。

表1 土層計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of different soil layers

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)取值Table 2 Calculation parameters of the strcuture

3.3 模擬結(jié)果

圖6為不同施工步下京張隧道位移變化情況，暗挖隧道施工完成后京張隧道豎向位移云圖如圖7。

圖6 京張隧道襯砌位移最大值隨施工步變化曲線Fig. 6 Variation curves of maximum lining displacement ofJingzhang tunnel changing with construction steps

圖7 京張隧道襯砌豎向位移云圖Fig. 7 Nephogram of vertical displacement of lining ofJingzhang tunnel

通過圖6、圖7可以看出：①三向位移中，豎向位移最大值大于縱向水平位移最大值，橫向水平位移最大值最??；②京張隧道襯砌的豎向位移隨施工步變化曲線可定義為兩階段“S”型曲線，右線和左線引起的位移變化趨勢一致，當(dāng)開挖面距京張隧道較遠(yuǎn)時(shí)，豎向位移變化較小，隨著開挖面進(jìn)入京張隧道范圍，豎向位移急劇增大，當(dāng)開挖面遠(yuǎn)離京張隧道，豎向位移變化幅度再次減小。以京張隧道中心為中心，-16～14 m范圍是穿越影響顯著區(qū)域(負(fù)值表示開挖面未達(dá)到京張隧道中心處)；③區(qū)間隧道施工完成后，京張隧道豎向位移為2.84 mm，其中右線施工引起豎向位移約為1.94 mm，占總位移的68.3%，先施工右線對京張隧道位移貢獻(xiàn)量大于后施工左線；④京張隧道襯砌豎向位移最大值發(fā)生在中間偏左線隧道的位置，偏向后施工的左線隧道一側(cè)；⑤橫向水平位移最大值變化趨勢與豎向位移最大值基本一致，差異在于最大位移方向在后期發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。縱向水平位移最大值變化與其他兩個(gè)方向位移最大值變化不同，右線施工和左線施工相似，均是先增大后減小。

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測內(nèi)容與布置

大薊區(qū)間下穿京張隧道時(shí)，對暗挖隧道和京張隧道均進(jìn)行了監(jiān)測，具體監(jiān)測內(nèi)容與布置方式列于表3、表4中。

表3 暗挖隧道現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容及布置Table 3 On-site monitoring content and layout of the concealedexcavation tunnel

表4 京張隧道現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容及布置Table 4 On-site monitoring content and layout of Jingzhang tunnel

4.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

4.2.1 暗挖隧道監(jiān)測結(jié)果

暗挖隧道洞內(nèi)位移累計(jì)變形結(jié)果如圖8，由圖8可知：①拱頂沉降和結(jié)構(gòu)收斂累計(jì)變形值最大分別為6.3、4.47 mm，監(jiān)測結(jié)果均小于10 mm控制值，暗挖隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；②5組測點(diǎn)有3組右線拱頂沉降和結(jié)構(gòu)收斂大于左線拱頂沉降和結(jié)構(gòu)收斂，說明先施工的右線受到后施工的左線影響。

圖8 暗挖隧道洞內(nèi)位移累計(jì)變形Fig. 8 Cumulative displacement and deformation in undergroundtunnel

4.2.2 京張隧道監(jiān)測結(jié)果

京張隧道各類位移累計(jì)變形結(jié)果如圖9。由圖9可知：①人工監(jiān)測的京張隧道豎向位移最大累計(jì)沉降值和最大累計(jì)隆起值分別為-3.94 mm和2.23 mm，自動化監(jiān)測的京張隧道左側(cè)和右側(cè)最大累計(jì)沉降值分別為-2.078 mm和-2.47 mm，京張隧道橫向位移最大累計(jì)橫向位移值為-3.6 mm，京張隧道最大累計(jì)收斂值為-3.43 mm，上述指標(biāo)均小于10 mm的位移控制值；②人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測的豎向位移在空間上表現(xiàn)為“暗挖隧道上方沉降大，暗挖隧道兩側(cè)小”的特征；③京張隧道左側(cè)各自動化監(jiān)測測點(diǎn)累計(jì)沉降普遍大于右側(cè)對應(yīng)位置的測點(diǎn)累計(jì)沉降，暗挖隧道施工導(dǎo)致了京張隧道的明顯橫向不均勻沉降。

圖9 京張隧道位移監(jiān)測累計(jì)變形Fig. 9 Accumulative deformation of Jingzhang tunnel displacement

5 結(jié) 論

1)大薊區(qū)間暗挖隧道下穿京張高速鐵路隧道，京張隧道豎向位移過程為兩階段“S”型曲線，在中間階段位移急劇變化，是施工控制的關(guān)鍵。以京張隧道中心為中心，-16～14 m范圍是穿越影響顯著區(qū)域。

2)右線施工引起豎向位移占鐵路隧道總位移的68.3%，先施工右線對京張隧道豎向位移貢獻(xiàn)大于后施工左線，因此，右線施工是京張隧道沉降控制關(guān)鍵階段。

3)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果均顯示，后施工左線隧道明顯引起了京張隧道豎向位移空間位置的變化。

4)暗挖隧道穿越過程中，京張隧道橫向不均勻沉降比較明顯，最大橫向不均勻沉降值為1.267 mm。

5)綜合分析各項(xiàng)量測的結(jié)果可知，暗挖隧道位移不超過容許值的43.7%，京張隧道位移不超過容許值的40%，可認(rèn)為隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、施工保護(hù)方案合理，使得暗挖隧道和京張隧道均處于安全狀態(tài)。