高利琴 易領(lǐng)兵 呂兆龍 鄭力銘 權(quán) 威 聶善軍 胡 楠 劉勝歡

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院水利工程系, 450008, 鄭州; 2.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司， 100088, 北京;3.鄭州一建集團(tuán)有限公司， 450099, 鄭州;4.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 100088, 北京;5.中國(guó)建筑第八工程局有限公司, 200122, 上?！蔚谝蛔髡? 講師)

目前，小凈距暗挖隧道施工對(duì)鄰近既有盾構(gòu)隧道、房屋、市政管線、普速鐵路等設(shè)施影響的研究較多[1-10]。由于小凈距暗挖區(qū)間隧道下穿高速鐵路的情況較少出現(xiàn)，故小凈距暗挖隧道施工對(duì)高速鐵路影響的研究極少。

本文以某下穿既有高速鐵路路基段的新建小凈距暗挖區(qū)間工程為背景，用Madis/GTS有限元軟件對(duì)施工過程進(jìn)行了模擬分析，研究施工過程中既有高速鐵路的路基位移變化特征，收集相關(guān)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用于總結(jié)位移變化規(guī)律，并驗(yàn)證有限元模擬計(jì)算的可行性。

1 工程概況

本研究選取北京地鐵昌平線南延伸段(以下稱為“昌南線”)清河站北側(cè)區(qū)間(以下稱為“清河北區(qū)間”)作為研究對(duì)象。清河北區(qū)間長(zhǎng)1 070.2 m，設(shè)計(jì)里程為K31+499.797—K32+569.997。清河北區(qū)間有多種結(jié)構(gòu)形式，從小里程段起依次為：高架段，長(zhǎng)203.4 m；路基段，長(zhǎng)130.3 m；U型槽明挖段，長(zhǎng)211.9 m；地下明挖框架段，長(zhǎng)129.6 m；地下暗挖段，長(zhǎng)250 m；合槽明挖框架段，長(zhǎng)145 m。

清河北區(qū)間的地下暗挖段下穿京張高鐵(北京—張家口高速鐵路)，二者位置關(guān)系圖如圖1所示。清河北區(qū)間采取了初期支護(hù)加強(qiáng)措施，且左右線初期支護(hù)凈距為903～1 145 mm。下穿處的京張高鐵里程為K24+120附近。

清河北區(qū)間穿越段為平直段，總長(zhǎng)72 m，對(duì)應(yīng)里程為 K32+303.000—K32+375.000。下穿范圍的場(chǎng)地地下水位埋深為27.0 m。暗挖二次襯砌結(jié)構(gòu)底板埋深約為17.0 m，未進(jìn)入地下水范圍。

北京地鐵19號(hào)線支線清河站兩側(cè)區(qū)間為預(yù)留，與昌南線工程同期實(shí)施，建成后可與昌南線及北京既有地鐵M13號(hào)線在清河站換乘。工程位置關(guān)系如圖1所示。

a) 平面圖

b) 剖面圖圖1 下穿高鐵路基工程位置關(guān)系圖

清河北區(qū)間下穿處的京張高鐵為路基段。路基基床厚度為1.2 m。其中,基床表層為厚0.6 m的級(jí)配碎石，中粗砂層厚0.1 m，基床底層厚0.5 m。京張高鐵地處嚴(yán)寒地區(qū)，凍結(jié)影響范圍填料應(yīng)符合防凍脹要求?；蔡盍霞皦簩?shí)的標(biāo)準(zhǔn)要求見表1。

路基基床以下部位填料最大粒徑不宜大于300 mm或攤鋪厚度的2/3。填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2 有限元計(jì)算模型的模擬計(jì)算

2.1 有限元計(jì)算模型的建立

根據(jù)相關(guān)資料，采用Midas/GTS有限元分析軟件建立三維空間施工模型，并對(duì)不同施工工況進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算初始條件為新建工程尚未施工，且既有高鐵路基處于變形穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 路基基床厚度、填料及壓實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要求

表2 路基基床以下部位填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)表

基于施工過程中的空間效應(yīng)，對(duì)新建清河北區(qū)間地下暗挖段地層和既有的京張高鐵路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，如圖2所示。

圖2 清河北區(qū)間下穿京張高鐵的三維地層-結(jié)構(gòu)模型圖

為確保三維模型有足夠的計(jì)算精度并盡量減少收斂時(shí)間，本次計(jì)算對(duì)模型范圍作如下限定：沿長(zhǎng)度方向取700 m，寬度方向取150 m,垂直方向上從地表以下取80 m。模型中：地面超載取20 kPa，高鐵列車荷載取50 kN/m；板、墻結(jié)構(gòu)采用二維板單元模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性；路基段、土層采用實(shí)體單元，本構(gòu)關(guān)系為摩爾庫(kù)倫(M-C)；采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面；4個(gè)側(cè)面地層邊界限制水平位移；下部邊界限制豎向位移。昌南線的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 昌南線清河北區(qū)間的結(jié)構(gòu)模型圖

由于本工程下穿段施工步序較復(fù)雜，故本文簡(jiǎn)化為6個(gè)主要施工步序：步序1，初始地應(yīng)力平衡；步序2，昌南線暗挖段全斷面注漿；步序3，昌南暗挖段開挖；步序4，昌南線暗挖段支護(hù)；步序5，施加列車荷載；步序6，昌南線暗挖段的二次襯砌施工。為節(jié)約篇幅，僅選取有代表性的工況進(jìn)行研究。工況一為昌南線暗挖區(qū)間施作完初期支護(hù)后，工況二為昌南線暗挖區(qū)間施作二次襯砌后。

土體及車站的材料參數(shù)見表3。

表3 材料參數(shù)表

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

在工況一和工況二下，京張高鐵路基結(jié)構(gòu)的水平位移和沉降計(jì)算結(jié)果如圖4—7所示。

圖4 工況一水平位移云圖

圖5 工況二水平位移云圖Fig.5 Nephogram of horizontal displacement undercondition II

圖6 工況一沉降云圖Fig.6 Nephogram of vertical settlement under workingcondition I

圖7 工況二沉降云圖Fig.7 Nephogram of vertical settlement under workingcondition II

由圖4—7可知：

1) 工況一下，高鐵路基結(jié)構(gòu)水平位移最大值為0.01 mm，沉降最大值為0.28 mm；

2) 工況二下，高鐵路基結(jié)構(gòu)水平位移最大值為0.01 mm，沉降最大值為1.15 mm。

3 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可及時(shí)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便現(xiàn)場(chǎng)施工及時(shí)調(diào)整參數(shù)，保證京張高鐵線的運(yùn)行安全。本文選取主測(cè)斷面位置進(jìn)行分析。主測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖8所示。

圖8 主測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Layout of monitoring points of main survey section

工況二下的主測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見圖9。

圖9 主測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)Fig.9 Monitoring point data of main survey section

由圖9可知，主測(cè)斷面的最大沉降監(jiān)測(cè)值為1.05 mm。而有限元模型模擬計(jì)算結(jié)果中的最大沉降值為1.15 mm。二者基本一致，說明模型準(zhǔn)確性較好。

4 變形控制

4.1 其他類似項(xiàng)目

為更加全面地反映北京地區(qū)新建小凈距暗挖隧道對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降的影響程度，現(xiàn)整理5個(gè)已完工類似項(xiàng)目的既有結(jié)構(gòu)沉降如表4。由表4可知：當(dāng)采取合理的施工方法和防護(hù)措施時(shí)，可將新施工暗挖隧道對(duì)既有結(jié)構(gòu)的沉降控制在合理范圍；其他類似項(xiàng)目的既有結(jié)構(gòu)沉降最大值為4.83 mm，最小值為2.35 mm。

對(duì)比類似項(xiàng)目數(shù)據(jù)可知，清河北區(qū)間隧道下穿對(duì)京張高鐵路基的沉降影響是可控的。

表4 北京地區(qū)新建小凈距暗挖隧道下穿時(shí)既有結(jié)構(gòu)的沉降

4.2 控制指標(biāo)

根據(jù)TB 10182—2017《公路與市政管線下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》，對(duì)于列車設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為200～250 km/h的線路，軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值如表5所示。

表5 200～250 km/h線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值表

從有限元模型計(jì)算結(jié)果及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，新建小凈距暗挖隧道施工引起的高鐵路基結(jié)構(gòu)的沉降及水平位移均較小。

基于工程實(shí)際特點(diǎn)、現(xiàn)有常規(guī)測(cè)量?jī)x器的監(jiān)測(cè)精度、運(yùn)營(yíng)安全要求及變形預(yù)測(cè)結(jié)果，在京張高鐵的路基及軌道預(yù)測(cè)變形值、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算應(yīng)力的基礎(chǔ)上，考慮一定的安全裕度，可確定京張高鐵的路基結(jié)構(gòu)及軌道變形控制指標(biāo)。為能及時(shí)采取措施控制京張高鐵的變形，本文提出將控制值的70%作為預(yù)警值，將控制值的80%作為報(bào)警值。變形控制值如表6及表7所示。

表7 結(jié)構(gòu)變形速率控制值表

5 結(jié)論

1) 既有高鐵的路基水平位移及沉降均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

2) 監(jiān)測(cè)數(shù)值與模擬數(shù)值結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。

3) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示：清河北區(qū)間施作完初期支護(hù)后，京張高鐵路基結(jié)構(gòu)水平位移最大值為0.01 mm，豎向位移最大值為0.28 mm；清河北區(qū)間施作二次襯砌后，高鐵路基結(jié)構(gòu)水平位移最大值為0.01 mm，沉降最大值為1.15 mm。