李宜霖 孫玉嶺

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043； 2.北京京鐵工程咨詢有限公司，北京 100039)

近年來(lái)，城市軌道交通發(fā)展迅速，受城市空間區(qū)域限制，大部分軌道交通以隧道形式建設(shè)，不可避免地會(huì)發(fā)生新建地鐵區(qū)間隧道與既有線交叉的情況。隧道施工過(guò)程中會(huì)擾動(dòng)地層，對(duì)既有線安全造成一定影響，尤其在下穿既有地鐵與高鐵并行的路基時(shí)，施工情況較為復(fù)雜，這對(duì)地鐵隧道施工提出更高的技術(shù)要求。

目前，盾構(gòu)法施工在下穿既有鐵路過(guò)程中應(yīng)用較多，部分學(xué)者對(duì)該工法下鋼軌變形規(guī)律進(jìn)行有益探討[1-4]。另外，暗挖法也是修建城市地鐵隧道的常用方法之一，其結(jié)構(gòu)形式靈活多變，很多學(xué)者對(duì)不同暗挖工法隧道下穿地鐵車站、既有隧道等建(構(gòu))筑物造成的影響進(jìn)行了研究，并提出針對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降控制措施[5-9]。

另外，部分學(xué)者研究隧道下穿既有高鐵路基變形的規(guī)律。藺云宏針對(duì)兩條并行單線隧道下穿既有鐵路路基，探究列車荷載與既有路基加固對(duì)路基沉降的影響[10]；阮雷研究鋼軌沉降變形及水平高差變化隨隧道施工過(guò)程的變形規(guī)律，以及埋深與加固對(duì)效果鋼軌變形的影響[11]；劉勝歡以隧道下穿京滬高鐵路基為工程依托，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究路基施工變形規(guī)律[12]；劉新軍基于南京地鐵4號(hào)線下穿京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線路基段，分析地層損失率與線路高低偏差的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13]。

新建地鐵隧道同時(shí)下穿既有地鐵與高鐵時(shí)，新建隧道施工對(duì)既有兩條線路鐵軌的變形影響更為復(fù)雜。依托北京地鐵27號(hào)線下穿既有地鐵13號(hào)線與京張高鐵有砟軌道路基工程，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)線路變形、地表沉降影響規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

北京地鐵27號(hào)線(昌平線南延)是中心城的加密線，與現(xiàn)有9號(hào)線組成城區(qū)西部南北方向的骨干線。其中，27號(hào)線新建隧道下穿既有地鐵13號(hào)線雙線路基與京張高鐵3道有砟軌道路基。暗挖段里程為ZK32+235～ZK32+425。隧道位于地鐵西二旗站至清河站區(qū)間內(nèi)，由西二旗站向南敷設(shè)，小角度斜穿地鐵13號(hào)線與京張高鐵路基段，然后接入清河站交通樞紐。暗挖隧道區(qū)間與京張高鐵、13號(hào)線的平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 暗挖線路與既有線路位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)工程地質(zhì)勘探資料，勘探范圍內(nèi)土層劃分為人工堆積層和第四紀(jì)沖洪積層兩大類，自上而下主要為雜填土1.6 m、粉細(xì)砂6 m、粉質(zhì)黏土11.6 m、卵石圓礫10 m、黏質(zhì)粉土10.8 m。隧道地質(zhì)橫斷面見圖2。

圖2 隧道斷面及地層分布示意(單位：m)

1.3 既有線路概況

京張高鐵路基基床厚1.2 m，其中基床表層厚0.6 m，采用級(jí)配碎石；基床底層厚0.5 m，采用A、B組填料，中部為0.1 m厚中粗砂。地鐵13號(hào)線路基段為碎石道床，線路間距3.6 m，路基寬7.1 m，地鐵13號(hào)線路基與京張高鐵路基最小間距4 m。

1.4 新建隧道工法

新建地鐵隧道暗挖段長(zhǎng)度約190 m，與既有線路夾角約12°。隧道采用單洞單線馬蹄形斷面，覆土深度約10 m，采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土加臨時(shí)仰拱法施工，施工循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m，先開挖右線，厚開挖左線，先行線下臺(tái)階與后行線上臺(tái)階開挖錯(cuò)距20 m。初期支護(hù)采用C25混凝土，厚0.3 m，背土側(cè)全斷面每榀設(shè)φ6.5 mm單側(cè)鋼筋網(wǎng)，間距150 mm×150 mm；格柵鋼架間距0.5 m/榀。利用小導(dǎo)管對(duì)掌子面180°范圍內(nèi)進(jìn)行注漿，小導(dǎo)管采用DN32鋼焊管，長(zhǎng)2 m，環(huán)向間距300 mm，打設(shè)角度20°～25°。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 材料參數(shù)

土體本構(gòu)模型基于摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，穿越土體分為5層，路基、道床、鋼軌、軌枕采用實(shí)體單元模擬[14]，初期支護(hù)及臨時(shí)仰拱采用殼單元模擬。在開挖過(guò)程中掌子面180°范圍內(nèi)，采取改變參數(shù)的方法來(lái)模擬注漿效果。土體物理力學(xué)性能參數(shù)見表1，各部分結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型建立

采用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維數(shù)值模型，由于隧道斜穿既有線路，考慮到模型的邊界效應(yīng)，選取隧道洞徑的3～5倍為模型邊界，模型尺寸為80 m×180 m×40 m，共913 347個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 069 882個(gè)單元。根據(jù)TB10682—2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，軌枕尺寸為2.6 m×0.23 m×0.23 m，間距0.6 m；軌距1.435 m，道床厚0.35 m，路基厚1.2 m[15]。模型約束條件為:上部邊界為自由面，左右邊界施加水平約束，底部邊界施加水平約束和豎直約束，模型示意見圖3。

圖3 三維數(shù)值模型

新建隧道采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土加臨時(shí)仰拱法施工，先開挖上臺(tái)階預(yù)留核心土，同時(shí)施作上半部初期支護(hù)；開挖核心土同時(shí)施作臨時(shí)仰拱；開挖下臺(tái)階同時(shí)施作下半部初期支護(hù)。數(shù)值模擬中施工步設(shè)置見表3。施工方法縱剖示意見圖4。

表3 施工方法說(shuō)明

圖4 上下臺(tái)階預(yù)留核心土加臨時(shí)仰拱施工縱剖面

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

鋼軌編號(hào)及監(jiān)測(cè)斷面示意見圖5。

圖5 鋼軌編號(hào)及監(jiān)測(cè)斷面示意

對(duì)地鐵上下行線以及高鐵鋼軌進(jìn)行編號(hào)，規(guī)定下穿隧道先通過(guò)的為1號(hào)，后通過(guò)的為2號(hào)。選取下穿隧道與既有線路交叉點(diǎn)的位置作為觀測(cè)斷面，先行線(右線)與高鐵鋼軌中心線的交叉面為A，先行線與地鐵和高鐵路基中心線的交叉面為B，兩隧道中心線與地鐵和高鐵路基中心線的交叉面為C，先行線與地鐵上下行線中心線的交叉面為D，后行線與地鐵上下行線中心線的交叉面為E，在5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上分別對(duì)鋼軌變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

隧道開挖施工中會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng)，破壞原有的土體平衡狀態(tài)，在土體應(yīng)力重分布的過(guò)程中，周圍的土體位移也在一直變化。隨著隧道的開挖，對(duì)土體影響范圍也隨之增大，位移變形也會(huì)影響到地表的既有結(jié)構(gòu)。因此，為了減小隧道開挖對(duì)既有線路的影響，需對(duì)鋼軌的豎向位移、幾何不平順、地表沉降進(jìn)行分析。

3.1 鋼軌變形分析

在開挖過(guò)程中，鋼軌受地表的影響產(chǎn)生彎曲變形會(huì)影響列車運(yùn)行安全，所以應(yīng)對(duì)鋼軌進(jìn)行重點(diǎn)分析。

(1)不同監(jiān)測(cè)斷面鋼軌測(cè)點(diǎn)豎向位移分析

A、C、E三個(gè)斷面(6條鋼軌)在隧道施工全部完成后的豎向位移見圖6；A、B、C、D、E五個(gè)斷面(6條鋼軌)豎向位移最大值見表4。

表4 不同斷面各條鋼軌豎向位移最大值 mm

圖6中，上方橫坐標(biāo)為后行線下臺(tái)階開挖距離，當(dāng)先行線上臺(tái)階開挖26 m時(shí)，后行線下臺(tái)階開始開挖。由圖6與表4可以看出，由于監(jiān)測(cè)斷面所代表的是隧道與既有路基位置的關(guān)系，不同監(jiān)測(cè)斷面下6條鋼軌中最大沉降出現(xiàn)的位置也有所不同。A斷面位置高鐵的兩條鋼軌變形規(guī)律基本一致，監(jiān)測(cè)斷面位置為隧道處于高鐵路基正下方，最大值為高鐵1號(hào)鋼軌的4.52 mm。B斷面位置地鐵鋼軌沉降值較A斷面有所增加，但仍全部小于高鐵鋼軌。說(shuō)明隧道對(duì)高鐵的影響仍然大于地鐵，其中，高鐵2號(hào)鋼軌沉降值大于1號(hào)鋼軌，沉降最大值為4.99 mm。

圖6 不同監(jiān)測(cè)斷面鋼軌豎向位移

C斷面位置處地鐵下行線1號(hào)鋼軌沉降值已經(jīng)超過(guò)高鐵兩條鋼軌，最大值為4.52 mm，地鐵下行線2號(hào)鋼軌沉降值介于高鐵1號(hào)與高鐵2號(hào)之間?？梢钥闯?，新建隧道對(duì)既有線路的影響范圍逐漸從高鐵過(guò)渡到地鐵。D斷面隧道開挖位置處于地鐵下行線下方，此時(shí)地鐵鋼軌沉降值均大于高鐵鋼軌，最大值仍然位于地鐵下行線1號(hào)鋼軌處，最大沉降值為5.23 mm，增大約15.7%。從C斷面至E斷面高鐵鋼軌變形逐漸變小，相較于A斷面，高鐵1號(hào)與2號(hào)鋼軌沉降值減小83.6%和74.4%；地鐵鋼軌沉降值均已超過(guò)高鐵鋼軌，地鐵沉降值最大位置為地鐵上行線1號(hào)與2號(hào)鋼軌處，最大值為5.18 mm。

根據(jù)5個(gè)斷面各條鋼軌的監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)隧道位于既有線路下方時(shí)，鋼軌變形均會(huì)增加，但是由于既有地鐵路基是雙線路基，路基本身重量大于高鐵，開挖對(duì)地鐵的影響稍大于對(duì)高鐵的影響。

(2)鋼軌不平順隨施工過(guò)程的變化規(guī)律

綜上所述，由于施工過(guò)程中新建隧道與既有線路相對(duì)位置關(guān)系不斷變化，導(dǎo)致不同施工開挖步，各條鋼軌的沉降量不同，最大沉降出現(xiàn)的位置也不同。所以，沿線路長(zhǎng)度方向上會(huì)出現(xiàn)各種類型的軌道不平順，軌道不平順會(huì)加劇輪軌的動(dòng)力作用，使列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生更大的附加動(dòng)力，會(huì)對(duì)列車安全運(yùn)營(yíng)造成不利影響。因此，必須對(duì)軌道不平順加以分析保證列車的運(yùn)營(yíng)安全。地鐵與高鐵水平不平順絕對(duì)值隨施工過(guò)程變化見圖7。

圖7 不同線路水平不平順示意

地鐵上行線的第一次峰值位置位于沿鋼軌方向的82 m處，峰值為0.6 mm；第二次峰值位置位于157 m處，峰值為0.38 mm。地鐵下行線第一次峰值位于沿鋼軌方向的67 m處，峰值為0.47 mm；第二次峰值位于143 m處，峰值為0.56 mm。高鐵第一次峰值位于沿鋼軌方向的2 m處，峰值為0.57 mm；第二次峰值位于92 m處，峰值為0.55 mm。由于3條線路與隧道的相對(duì)位置關(guān)系不同，鋼軌下方土層受到擾動(dòng)的時(shí)間先后也不同，會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。因此，顯示出水平不平順?lè)逯档奈恢靡膊幌嗤⑶野低谒淼雷笥揖€先后兩次下穿既有線路，3條線路都出現(xiàn)了兩次波峰。

對(duì)于鋼軌的高低不平順，數(shù)值模擬無(wú)法對(duì)鋼軌上所有位置的變形情況進(jìn)行分析，故在每條鋼軌上間隔1 m提取180個(gè)變形值，將180個(gè)變形值間隔10 m作差值分析。如從11 m的位置開始與1 m位置處的變形值做差值，以此類推，得到每條線路1號(hào)鋼軌高低不平順，見圖8。

圖8 不同鋼軌高低不平順示意

由圖8可知，3條鋼軌均出現(xiàn)了2個(gè)波峰，但是出現(xiàn)波峰的位置不同，說(shuō)明隧道開挖施工對(duì)3條既有線路的影響范圍不同。地鐵上行線1號(hào)鋼軌在先行線下臺(tái)階開挖到50 m左右的位置處時(shí)出現(xiàn)不平順的峰值，此時(shí)還未受到后行線的影響；在先行線開挖到90 m的位置處出現(xiàn)第2個(gè)波峰時(shí)，后行線對(duì)鋼軌產(chǎn)生影響；直到開挖完成，先行線與后行線造成的影響都在逐漸增大，且先行線造成的不平順?lè)逯荡笥诤笮芯€。同樣地鐵下行線1號(hào)鋼軌的規(guī)律與上行線基本相同，但高鐵1號(hào)鋼軌的變形情況與地鐵不相同。高鐵的高低不平順受先后行線的影響出現(xiàn)先增大后減小，后行線的開挖會(huì)減小先行線的影響。地鐵與高鐵鋼軌的高低不平順?lè)逯捣謩e為1.72,1.74,1.70 mm。

根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)軌程》和《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》，關(guān)于軌道動(dòng)靜態(tài)幾何不平順值的規(guī)定見表5，各條線路不平順值均未超過(guò)規(guī)范限制。

表5 250～300 km/h線路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值 mm

3.2 地表沉降分析

取上述A、C、D三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為研究對(duì)象，沿?cái)嗝鏅M向每間隔1 m提取地表沉降特征值，繪制不同施工階段斷面的地表沉降曲線(見圖9)。

圖9 不同監(jiān)測(cè)斷面地表沉降

由圖9可以看出，隧道在穿過(guò)不同監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，地表對(duì)于不同施工步的響應(yīng)不同，沉降變形隨著施工的進(jìn)行而依次發(fā)展。由于隧道右線先開挖，而右線對(duì)于雙洞隧道來(lái)說(shuō)位置偏左，在剛開挖時(shí)地表沉降最大值位置相對(duì)于最終沉降值的位置也偏左，當(dāng)隧道開挖推進(jìn)一定距離后，沉降值逐漸回到兩隧道連線的中線上。圖9(a)表明，先行線開挖50 m時(shí)引起的地表沉降占總沉降量的49.4%，開挖70 m時(shí)引起的地表沉降占總沉降量的94.9%，后續(xù)沉降發(fā)展緩慢直到穩(wěn)定。圖9(b)表明，在先行線開挖90 m時(shí)引起的地表沉降占總沉降量的45.9%，開挖110 m時(shí)引起的地表沉降占總沉降量的90.6%。圖9(c)表明，先行線開挖90 m時(shí)引起的地表沉降占總沉降量的24%，開挖110 m時(shí)引起的地表沉降占總沉降量的51.3%，開挖130 m時(shí)引起的地表沉降占總沉降量的94.5%。

4 結(jié)論

依托北京地鐵27號(hào)線暗挖隧道下穿地鐵13號(hào)線與京張高鐵路基工程，采用數(shù)值模擬的方法研究開挖對(duì)既有線路鋼軌變形與地表沉降變形的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)鋼軌豎向位移最大值為5.23 mm，水平不平順?lè)逯禐?.6 mm，高低不平順?lè)逯禐?.57 mm，地表沉降最大值為5.33 mm，各項(xiàng)變形值均在規(guī)范要求之內(nèi)。

(2)根據(jù)下穿隧道與既有線路相對(duì)位置關(guān)系，不同監(jiān)測(cè)斷面下鋼軌豎向位移最大值所在的鋼軌位置不同，開挖對(duì)地鐵鋼軌造成的豎向位移影響略大于高鐵。

(3)隧道開挖左右線之間步距20 m施工，開挖對(duì)鋼軌不平順的影響，形變有2次先增加后減小的過(guò)程，不平順值出現(xiàn)2個(gè)峰值。開挖對(duì)地鐵與高鐵鋼軌的影響范圍不同，但是3條線路不平順的峰值基本相同。

(4)暗挖隧道先行線開挖的位置偏左，地表沉降最大值的位置先偏于兩線路路基軸線靠左的位置，而后回到軸線位置處。當(dāng)隧道開挖遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面位置后，沉降發(fā)展緩慢基本保持最大值不變，說(shuō)明在初支狀態(tài)下隧道結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，不會(huì)繼續(xù)對(duì)既有結(jié)構(gòu)造成更大的影響。