浅埋大跨隧道小角度下穿既有线沉降控制技术

黄 松， 周书明， 闫国栋

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津300133)

0 引言

目前国内路网交通大力建设时期，必然出现各种线路交叉问题，出现高架或下穿形式形成立交，对于空间影响较小的下穿也逐渐得到人们的喜爱，下穿不同建筑物，其沉降控制标准不同，对应的加固措施也不同，对于下穿既有线，目前多采用各种便梁加固既有线形式，如尤显明，晏立忠等［1］在杭州解放路隧道穿越沪杭铁路段采用三组D24定型便梁分别加固3条铁路股道，待隧道施工完成后按原状恢复;马伟平对下穿既有线中顶进桥涵施工轨道加固常用方法有三种［2］，即扣轨加纵横梁加固方案、D便梁和工便梁加固方案进行比选，分析各种适用条件;但是这些跨度较小，且与既有线交角较大，影响范围相对较小，可以采用常用的便梁形式加固既有线;李文江等［3］在铁路站场下暗挖隧道地表沉降控制基准研究中，以规范规定的既有构造物允许不均匀沉降值作为控制目标，采用数学力学的基本分析方法，建立了相应的隧道施工地表沉降控制基准。徐干成，李成学，王后裕等［4］在北京地铁区间下穿京津城际铁路中采用三维仿真数值模拟研究表明，对下穿段一定范围内的土体进行注浆加固可以有效控制盾构隧道施工引起的既有铁路纵向和横向沉降及不均匀沉降。

1 工程概况

某隧道起点桩号ZK100+175，终点桩号ZK102+130，全长1 955 m，本隧道本溪端于ZK100+262.377下穿本溪至辽阳铁路(见图1)。

铁路技术标准为单线II级铁路，设计行车速度120 km/h，限制坡度15‰;新建公路隧道为单向双车道，设计速度为60 km/h，隧道建筑限界宽度10.5 m=(0.75+1.50+2×3.5+0.5+0.75)，隧道建筑限界净高5.0 m，检修道净高2.5 m。

图1 下穿段平面布置图

概况评价:新建铁路隧道中线与既有线相交角度较小，交角22°，且对轨道影响范围大，轨道方向隧道开挖跨度约40 m;既有线轨面高程为159.996 m，隧道顶距轨面10.8 m，为浅埋隧道。因此，本工程为浅埋大跨隧道小角度斜穿既有线，工程难度和风险较大。

与铁路交叉段洞身围岩情况为:①人工回填碎石土，约6.0 m厚，由碎石粉土组成，碎石占50%～60%。②弱风化石灰岩，泥质胶结，为较坚硬岩，节理裂隙较发育，沿裂隙有溶蚀现象。③微风化石灰岩:灰黑色，泥晶结构，中厚层状～厚层状，泥质胶结。岩石较完整，为较坚硬岩。工程区下部地段有溶洞，围岩中有地下水，涌水量Q2=80.9 m3/d，雨季水量会大些。

2 隧道施工前线路加固措施和隧道施工方法

本工程大跨隧道与既有线小角度斜交，隧道施工对既有线的影响范围较大，约40 m，若采用便梁加固措施，对于40 m跨的梁而言，必然造成施工难度大以及经济性较差，故隧道施工考虑一次施作40 m长Φ200大管棚+Φ42小导管超前预支护加固下穿既有铁路段，在下穿轨道前5 m处设置一个15 m长管棚工作腔，断面加高1.5 m左右，如图2所示。大管棚超前支护示意图见图3。为了增加既有线在隧道施工时整体协调变形能力，可以在隧道施工前对轨道进行3-5-3扣轨预加固。

图2 管棚工作腔(单位:m)

图3 大管棚超前支护

3 既有线沉降控制基准

隧道开挖引起的地表沉降对既有铁路线路的影响主要表现在两个方面:一方面可能造成水平(指线路两股钢轨顶面的相对高差)超限;另一方面可能造成前后高差(指沿线路方向的竖向平顺性)超限。

参照《铁路线路修理规则》［5］中对轨道需临时检修控制标准值，制定本工程沉降控制基准值，线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值如下:υmax≤120 km/h，临时补修，水平8 mm，高低(轨道纵向10 m)8 mm。根据轨道前后高低不平顺决定的轨道变形控制基准，可以推导出轨道纵向斜率容许值

式中，［f］为铁路轨道允许的高低倾斜值;［d］为铁路轨道允许10 m弦量测的最大矢度值;L为量测弦长，为10 m。考虑到既有线既有不平顺性，将容许最大矢度值减半，按4 mm计，可以得知本工程容许轨道纵向斜率值:［f］=4/10 000=1/2 500。

4 施工沉降控制模拟计算

4.1 计算模型

根据工程实际情况，计算模型纵向(沿隧道轴线)取40 m，水平方向长度约为100 m;垂直方向隧道底部以下15 m，上边界取近似地表的自由边界。模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，地表为自由边界。隧道围岩及支护结构均采用实体单元，模型共划分了73 310个节点和69 320个单元。三维计算模型如图4所示。

4.2 屈服准则

岩土材料常用的屈服准则有Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则。在FLAC有限差分数值计算中，对松散胶结体围岩，采用Mohr-Coulomb准则。Mohr-Coulomb的屈服函数为

式中，c、φ分别为黏聚力和内摩擦角;σm为平均应力，σm=I1/3，其中，I1为应力第1不变量;为等效应力其中，J2为应力偏量第2不变量;θ为Lode角;规定拉应力为正，压应力为负。

4.3 地层及支护参数

计算中围岩材料采用摩尔-库仑理想弹塑性模型，围岩及支护的物理力学参数指标如表1所示。

表1 地层及支护物理力学参数

4.4 计算测点布置

为了便于数值模拟分析，在目标面地表轨道测点布置如图5所示。计算轨道测点布置为:模型前端处左轨编号为1，右轨编号为“1”，以此类推编号。以便分析轨道纵向、水平差异变形及轨距差异变形。

图4 计算模型简图

图5 计算中轨道测点布置图

4.5 计算结果及分析

4.5.1 隧道围岩变形与结构受力

下穿段隧道施工围岩变形和衬砌结构受力结果如图6～图8所示。由计算结果可知，穿越既有线工程中，隧道拱顶竖向位移最大达到6.3 mm，水平最大位移达到2.2 mm。衬砌结构最小主应力(压应力)为1.26 MPa，在拱肩附近位置，最大主应力为(拉应力)1.19 MPa，均小于混凝土的极限抗拉和抗压强度。可知，下穿段隧道在该工法下开挖围岩较为稳定，衬砌受力满足要求。

图6 围岩变形云图

图7 管棚变形云图

图8 二衬应力状态

4.5.2 既有线轨道变形

(1)轨道纵向沉降差分析。隧道进尺过程中，轨道纵向差异沉降变形是控制既有铁路运营安全的一个重要指标，轨道测点(分左右轨道)每循环进尺时轨道纵向曲线分别见图9、图10。从图9和图10可以看出，隧道开挖过程中，在掌子面前后1倍洞径范围内，隧道沉降最大，占总沉降的60%左右，对应左右线轨道纵向斜率在掌子面前面1倍洞径内最大，其最大斜率为1/7 100，远小于轨道纵向容许斜率1/2 500。隧道穿越既有线过程中，地表轨道最大沉降值为3.56 mm，分别位于隧道中线与左右轨道交叉处。

(2)左右轨道水平高差分析。随着隧道的开挖进尺，两侧轨道高差比变化如图11所示。图11为轨向同里程断面两侧轨道每对测点(i，‘i’)水平差异沉降(ZDISi-ZDIS‘i’)，通过分析可知，在隧道开挖未到达轨道正下方时，其差异沉降值为负;在隧道接近轨道下方时(18 m＜x＜22 m)，两侧轨道差异沉降很小，随着进一步开挖(x＞22 m)，左侧轨道沉降大于右线沉降，即二者的差值为正。在隧道穿越既有线范围过程中，两轨道最大水平差异沉降仅为0.5 mm。

图9 每循环进尺轨道竖向位移曲线(左线)

5 施工沉降控制标准

根据既有线沉降控制基准值，结合数值模拟计算分析结果，在施工过程中做好相应的监控量测工作，并制定相应的沉降控制标准，采用沉降控制基准值的75%作为预警值、85%作为施工报警值，见表2。

表2 本工程既有铁路控制标准参考值

图10 每循环进尺轨道竖向位移曲线(右线)

图11 每循环进尺两轨道水平高差曲线

6 结论

通过对大跨隧道小角度下穿既有铁路工程三维数值施工模拟计算结果及分析，可以得出如下结论:

(1)轨道纵向高低差异沉降。在掌子面前后一倍洞距范围，地表沉降占总沉降的60%，沉降槽斜率也最大，本工程地表轨道纵向最大斜率为0.014%，均满足轨道纵向高低差异控制值。

(2)轨道水平差异沉降。水平轨差异变形在隧道到达轨道前，右侧轨道沉降大于左侧轨道，最大差异沉降为0.5 mm，隧道处于轨道下方附近位置时，两轨道差异沉降极小，当隧道穿越过轨道时，左侧轨道沉降大于右侧轨道沉降。

采用一次性施做40 mΦ200大管棚+Φ42小导管综合超前预支护，CRD工法开挖，能有效地控制沉降，同时在施工前对既有线进行扣轨加固，提高轨道的整体稳定性和抗差异沉降能力，保证既有线的运营安全。

［1］尤显明，晏立忠.隧道穿越既有铁路轨道加固施工技术［J］.河南科技，2006(6):67-68.

［2］马伟平.浅谈顶进桥施工中轨道的加固方法［J］.土木建筑，2009(11):119-120.

［3］李文江，刘志春，朱永全.铁路站场下暗挖隧道地表沉降控制基准研究［J］.岩土力学，2005，26(7):1165-1169.

［4］徐干成，李成学，王后裕，等.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析［J］.岩土力学，2009(S2):269-272.

［5］中华人民共和国铁道部.中华人民共和国铁道部铁路线路修理规则［M］.北京:中国铁道出版社，2006.