孫漢貴

深圳鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518026

我國(guó)已建成的部分高速鐵路通道已不滿足客運(yùn)增長(zhǎng)的需求，在已有高速鐵路通道內(nèi)如何增建新的高速鐵路、城際鐵路等工程是擺在建設(shè)者面臨的難題，如廣深新通道、深汕通道、京滬通道等增建二線工程。特別是城市地區(qū)，通道寬度較為有限，最大程度地壓縮新建工程與現(xiàn)有高速鐵路工程間距，以獲得對(duì)城市規(guī)劃、土地切割等方面顯著的效益，成為一項(xiàng)重要課題。在鐵路規(guī)劃建設(shè)方面，沈海燕等［1］改進(jìn)了傳統(tǒng)模糊評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建了高速鐵路車站選址評(píng)價(jià)模型。彭學(xué)理［2］對(duì)宜萬(wàn)鐵路復(fù)雜不良地質(zhì)地段進(jìn)行線路方案比選，確定了合理的路線方案。展志成［3］在伊寧—阿克蘇鐵路南天山越嶺方案研究中，從隧道高程、隧道長(zhǎng)度、工程地質(zhì)條件及工程投資進(jìn)行比較，選取了工程條件較好、投資少的方案。牟瀚林［4］對(duì)衢寧鐵路鷲峰山越嶺方案進(jìn)行了研究，主要從工程難易程度、工程地質(zhì)條件、工程投資等方面進(jìn)行比選并得出最佳施工方案。在鐵路修建對(duì)鄰近既有高速鐵路橋梁影響研究方面，李永盛等［5］基于彈性開(kāi)爾文解和彈性地基梁理論研究了隧道開(kāi)挖對(duì)樁基附加內(nèi)力和變形的影響。宋衛(wèi)東等［6］利用FLAC 3D 有限元軟件對(duì)北京地鐵10 號(hào)線盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了盾構(gòu)施工對(duì)地層的影響。劉麗［7］運(yùn)用三維有限差分軟件模擬了盾構(gòu)開(kāi)挖鄰近單樁基礎(chǔ)的施工過(guò)程，總結(jié)了樁基與隧道處在不同相對(duì)位置情況下的變形規(guī)律。邱明明等［8］依托南昌地鐵某區(qū)間盾構(gòu)工程，通過(guò)有限元軟件模擬了富水砂層條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)施工，結(jié)合對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，最終得出盾構(gòu)施工引起地表沉降規(guī)律。Chen 等［9］通過(guò)兩階段分析方法深入研究了隧道開(kāi)挖引起鄰近樁基的變形特性。Loganathan 等［10］通過(guò)離心模型試驗(yàn)，分別對(duì)隧道開(kāi)挖引起的單樁和群樁應(yīng)力變化與變形特性進(jìn)行了研究。韓進(jìn)寶等［11］通過(guò)離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了三維有限元模型，并借此來(lái)研究鄰近樁基受隧道開(kāi)挖影響的位移變化。章榮軍等［12-13］為能夠合理考慮樁土界面相互作用特點(diǎn)，通過(guò)兩階段分析方法對(duì)模型開(kāi)展了非線性分析。

本文以既有廈深通道內(nèi)新建深汕高速鐵路為例，從通道條件、運(yùn)行時(shí)間、工程經(jīng)濟(jì)等方面確立深汕高速鐵路坪山東隧道最佳線路方案，并在此基礎(chǔ)上選取多種典型工況，通過(guò)盾構(gòu)隧道近接高速鐵路橋梁施工數(shù)值模擬分析，研究大直徑盾構(gòu)隧道施工與高速鐵路橋樁的響應(yīng)關(guān)系以及既有高速鐵路橋梁對(duì)城市高速鐵路規(guī)劃建設(shè)的影響。

1 隧道線路方案

1.1 工程背景

深汕高速鐵路位于廣東省南部，起于深圳樞紐西麗站，經(jīng)深圳市南山、龍華、羅湖、龍崗、坪山等，惠州市至深汕合作區(qū)赤石鎮(zhèn)，正線全長(zhǎng)125.52 km，線路正線設(shè)計(jì)速度350 km/h。整條線路內(nèi)城市建筑密集，需穿越坪山、大亞灣、惠陽(yáng)等核心城區(qū)，人員流動(dòng)大，施工環(huán)境復(fù)雜。深汕高速鐵路坪山東隧道位于廣東省深圳市坪山區(qū)和惠州市惠陽(yáng)區(qū)，為丘間谷地地貌，地形較平坦，主要穿越燕山期花崗巖地層、第三系砂礫巖和泥盆系粉砂巖地層。

1.2 線路方案

為了避免坪山東隧道施工對(duì)城市建設(shè)的影響，高速鐵路線路宜充分利用東西向既有通道走行。為此，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境，選取沿廈深鐵路與沿沈海高速公路兩種線路方案，如圖1所示。

圖1 坪山東隧道線路方案

1）沿廈深鐵路方案

沿廈深鐵路方案線路自坪山站引出，繞避松子坑水庫(kù)一級(jí)水源保護(hù)區(qū)，于廈深鐵路北側(cè)并行。隨后，線路走行于廈深鐵路及周邊的高層建筑物之間，并以地下方式敷設(shè)。于惠州南站前設(shè)地下站，出站后并行廈深鐵路穿金桔自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)，經(jīng)惠東縣，前往深汕合作區(qū)方向。

2）沿沈海高速公路方案

由于沈海高速公路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低，本方案與高速公路并行段需長(zhǎng)距離限速至200 ～ 250 km/h。線路自坪山站引出，沿廈深鐵路北側(cè)向東走行。在下穿綠梓互通與金沙互通后，以連續(xù)兩個(gè)半徑2 000 m 曲線段橫穿坪山區(qū)坑梓街道，與沈海高速公路向東并行。隨后，線路走行于沈海高速公路及周邊的高層建筑物之間，以地下方式敷設(shè)?？缭交荽蟾咚俟泛螅谏程镦?zhèn)設(shè)惠陽(yáng)北站。之后，穿越惠東縣白花新材料產(chǎn)業(yè)園，與廣汕高鐵惠東南站并站，繼續(xù)并行廣汕高鐵引入深汕合作區(qū)深汕站。比較范圍內(nèi)線路長(zhǎng)88.5 km。

1.3 方案比選

1）通道條件

深汕高速公路改擴(kuò)建后，與兩側(cè)建（構(gòu)）筑物凈距在30 ～ 50 m。受既有高速公路平面線形條件影響，為避免大面積房屋拆遷，可利用的與高速公路并行段落較少。且新建鐵路曲線半徑均在2 000 ～ 2 800 m，約13 km 線路需限速至200 ～ 250 km/h，沿沈海高速公路方案平面線形條件較差。

既有廈深鐵路為時(shí)速250 km 客貨共線，線路沿城市中間穿過(guò)，兩側(cè)建筑物較為密集，大多與鐵路凈距一般在30 ～ 50 m。本線自坪山站引出，沿廈深鐵路并行，前往惠州方向。由于既有廈深鐵路通道順直，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較高，本線可利用既有鐵路并行段落較長(zhǎng)。相比而言，沿廈深鐵路方案通道順直。

2）運(yùn)行時(shí)間

森林撫育即在造林后到郁閉期開(kāi)展的多項(xiàng)林木撫育管理工作，致力于為幼木創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境，最大限度為之提供適宜的光照條件、溫度條件、水分、養(yǎng)分等，提升幼木成活率。森林撫育管理工作具體包括土壤管理、林木管理、幼木保護(hù)等多項(xiàng)工作。

對(duì)本線從西麗至深汕合作區(qū)全段進(jìn)行運(yùn)行時(shí)間模擬，沿沈海高速公路方案線路運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度132.5 km，運(yùn)行時(shí)間35.3 min；沿廈深鐵路方案線路運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度128.4 km，運(yùn)行時(shí)間32.9 min。因此，在運(yùn)行時(shí)間上，沿廈深鐵路方案較優(yōu)。

3）工程經(jīng)濟(jì)

與沿廈深鐵路方案相比，沿沈海高速公路方案比較范圍線路展線長(zhǎng)4.1 km；由于盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度較短，且減少了地下站工程，工程投資少2.76億元。

綜上，沿沈海高速公路方案雖然一定程度降低沿既有廈深鐵路的施工安全風(fēng)險(xiǎn)，但線路平面條件較差，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，與坪山區(qū)城市規(guī)劃的協(xié)調(diào)較差；沿廈深鐵路方案通道順直，可利用既有鐵路并行段落更長(zhǎng)，新建線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，與城市規(guī)劃更契合，通過(guò)優(yōu)化施工工藝，施工安全風(fēng)險(xiǎn)可控。因此，推薦沿廈深鐵路方案。

2 大直徑盾構(gòu)施工對(duì)高速鐵路橋梁的影響

沿廈深鐵路方案隧道長(zhǎng)距離并行高速鐵路橋梁，施工期保障廈深高速鐵路運(yùn)行安全成為本方案的決定性因素。

2.1 沿廈深鐵路方案隧道情況

沿廈深鐵路方案中坪山東隧道斷面見(jiàn)圖2。坪山東隧道整體為丘間谷地地貌，地形較平坦，上覆土層為第四系殘坡積物，下伏基巖為侏羅紀(jì)金雞組粉砂巖、燕山期花崗巖。坪山東隧道盾構(gòu)管片外徑為13.8 m，厚度為0.6 m。

圖2 坪山東隧道（單位：mm）

表1 巖土體及結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

為了驗(yàn)證沿廈深鐵路方案合理性，探究該方案施工對(duì)既有高速鐵路橋梁的影響，取三種典型工況進(jìn)行分析，見(jiàn)圖3。其中：工況1為隧道埋深最大處斷面，洞頂為花崗巖，距廈深高速鐵路最小水平距離14.90 m、埋深60.10 m 處，隧道洞身主要處于弱風(fēng)化花崗巖層中。工況2 為距樁身最近處斷面，隧道洞頂灰?guī)r覆巖層厚0 ～ 10 m，距離廈深高速鐵路最小水平距離8.50 m、埋深35.18 m 處，隧道洞身主要處于弱風(fēng)化砂礫巖和灰?guī)r地層中。工況3為隧道與高層建筑最小水平距離3.79 m、埋深29.33 m 處。該斷面內(nèi)隧道不僅臨近廈深高速鐵路，沿線還分布有高層建筑。

圖3 計(jì)算工況（單位：m）

通過(guò)MIDAS 軟件建立盾構(gòu)隧道近接高速鐵路橋梁施工數(shù)值模型，土層采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，樁結(jié)構(gòu)采用彈性模型。計(jì)算參數(shù)參見(jiàn)表1。根據(jù)圣維南原理，所建模型邊界范圍為隧道直徑的3 ～ 5倍。

三種工況模擬過(guò)程中，先進(jìn)行橋樁的模擬，待地層穩(wěn)定后，再進(jìn)行隧道開(kāi)挖。除此以外，工況3中還研究有無(wú)隔離樁對(duì)樁基變形的影響。

2.2 計(jì)算結(jié)果

工況1地層豎向位移與橋樁位移見(jiàn)圖4。可知：隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，地層開(kāi)始產(chǎn)生變形，在拱頂處隧道沉降最大，其值為1.61 mm；拱底處隧道隆起最大，其值為1.66 mm。隧道開(kāi)挖后，橋樁開(kāi)始產(chǎn)生變形，位移最大值出現(xiàn)在樁身中部，其值為0.43 mm；位移最小值出現(xiàn)在樁身底部，其值為0.39 mm。

圖4 工況1計(jì)算結(jié)果

工況2地層豎向位移與橋樁位移見(jiàn)圖5?？芍涸谒淼离x樁基最近處，地層沉降規(guī)律與工況1 計(jì)算結(jié)果類似，都是在拱頂處沉降最大，其值為1.01 mm；拱底處隧道隆起最大，其值為1.22 mm。工況2 位移變化最大量略小于工況1，這是因?yàn)楣r1 埋深更大，所受土體擠壓作用更明顯。工況2 橋樁最大位移與工況1不同，出現(xiàn)在樁身頂部，其值為0.36 mm；位移最小值出現(xiàn)在樁身底部，其值為0.30 mm。由此可見(jiàn)，在隧道離樁身最近處，坪山東隧道開(kāi)挖對(duì)樁身影響較小。

圖5 工況2計(jì)算結(jié)果

工況3下盾構(gòu)隧道近接高速鐵路橋梁施工數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2?？芍核淼离x建筑水平距離最近處，當(dāng)隧道未施作隔離樁時(shí)，建筑樁基及橋梁樁基，最大總位移分別為2.086、1.342 mm。但是施作隔離樁后，建筑樁基及橋樁變形顯著減小，二者最大位移分別減小至0.463、0.283 mm，減小到原來(lái)的22%與21%。當(dāng)隧道近接高速鐵路橋梁施工時(shí)，施作隔離樁可以有效控制地層變形及高速鐵路橋梁樁基變形。

3 隧道近接高速鐵路橋梁施工變形控制措施

坪山東隧道不僅臨近廈深高速鐵路，沿線還分布有高層建筑，對(duì)隧道的安全施工提出了巨大挑戰(zhàn)。為此，本文基于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，針對(duì)坪山東隧道施工，提出以下變形控制措施：

1）當(dāng)隧道位于土層且隧道與橋梁凈距小于1D（D為隧道直徑）時(shí)，對(duì)隧道采用門(mén)式隔離樁保護(hù)，隔離樁樁底與隧底平齊。

2）當(dāng)隧道位于巖層且?guī)r層覆蓋層厚度大于5 m時(shí)，注意控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，調(diào)整姿態(tài)，加強(qiáng)管片背后注漿。

3）當(dāng)隧道洞身位于軟硬不均段、隧頂覆巖厚度小于5 m 且與橋梁凈距小于1D時(shí)，在隧道與橋梁之間設(shè)單排隔離樁，隔離樁入弱風(fēng)化巖3 m。

4）明挖段通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，加強(qiáng)樁間止水措施控制地層位移及施工過(guò)程中滲漏水。

4 結(jié)論

本文從通道條件、運(yùn)行時(shí)間、工程經(jīng)濟(jì)等三個(gè)方面，對(duì)比選取了較優(yōu)線路方案，并在此基礎(chǔ)上選取了三種典型工況，建立了盾構(gòu)隧道近接高速鐵路橋梁施工數(shù)值模型，研究了既有高速鐵路橋梁對(duì)城市高速鐵路規(guī)劃的影響，并給出了變形控制措施。結(jié)論如下：

1）臨近既有運(yùn)營(yíng)廈深鐵路新建二線，運(yùn)行時(shí)間短，線路平面條件較好，與城市規(guī)劃更契合，該方案在工程上可行。

2）經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，采用沿廈深鐵路方案時(shí)埋深最大斷面處地層最大變形1.66 mm，樁身最大變形0.43 mm；距橋樁最近斷面處地層最大變形1.22 mm，樁身最大變形0.36 mm。均滿足TB 10314—2021《鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》橋梁控制變形3 mm要求，能夠保證盾構(gòu)下穿既有高速鐵路施工安全和鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

3）為控制地表變形，需要施作隔離樁。與未施作隔離樁相比，建筑樁基、橋樁最大位移分別減小78%、79%，故當(dāng)隧道近接高速鐵路橋梁施工時(shí)，施作隔離樁可以有效控制地層變形及高速鐵路橋梁樁基變形。