地铁暗挖双连拱隧道下穿既有铁路施工影响分析

高 强

(广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州 510010)

随着城市化进程的加快，城市轨道交通线网规模不断增大，下穿既有公路、铁路的工程越来越多，引起了国内外学者的广泛关注[1-3]。隧道开挖必然会对周围地层造成一定的扰动，引起地层的应力变化，导致围岩产生变形，并且随着施工过程的进行，影响范围也不断扩大，最终通过地层传递到地表，引起地表的沉降和变形，进而对公路、铁路的安全运营产生不利影响[4-11]。新建地铁区间隧道下穿既有铁路施工时，隧道开挖施工或多或少会引起铁路路基和轨道的整体沉降和不均匀沉降，造成铁路轨道的前后不平顺、左右线存在高差等现象，这些都会给铁路的运营舒适性和安全性[12-13]带来很大的不确定性。

西安地铁5号线纺织城火车站站—一期终点区间需要下穿既有西康铁路施工，受线路条件限制，区间隧道和铁路路基之间竖向净距约18 m，仅为1.5倍隧道开挖跨度。为降低隧道开挖对铁路的影响，保证掘进期间隧道自身和既有铁路的安全，参照相关规范和类似工程的研究资料，提出了既有铁路的保护标准，对区间隧道进行了线路条件、开挖断面、施工工法等多方面的比选，拟定了区间隧道设计方案，提出了辅助工程措施，并对隧道开挖过程进行数值模拟分析，同时对铁路的安全防护提出了施工、监测和维修养护等方面的要求。

1 工程概况

1.1 地铁区间隧道与西康铁路概况

纺织城火车站站—一期终点区间为站后双存车线区间，全长约243 m，左右线间距5 m。区间在YDK46+458.000—YDK46+480.000段下穿西康铁路。区间纵断面采用单线坡设计，区间出纺织城火车站站后以2‰的坡度下坡至一期终点。隧道拱顶最深埋深约27 m，其中下穿铁路段埋深约18 m。区间采用浅埋暗挖法施工，其中交叉渡线段采用单洞双线大断面隧道施工，其余采用双连拱隧道施工。

西康铁路设计时速160 km/h，采用钢筋混凝土轨枕、道床型式为碎石道床，铁路在地铁隧道下穿段无道岔。

地铁区间隧道与西康铁路平面成62°交角，隧道拱顶距离铁路路基约18.3 m。两者之间的平剖面关系如图1和图2所示。

图1 区间隧道与铁路平面关系图

图2区间隧道与铁路剖面关系图

1.2 工程及水文地质概况

场地地貌单元为山麓斜坡坡积裙，地形起伏较大，地面高程438.72 m～469.49 m，最大高差约30.77 m。场地地层主要为人工填土；第四系上更新统风积黄土、残积古土壤；上更新统洪积粉质黏土及砂类土；中更新统湖积粉质黏土及砂类土等，其中3-1新黄土、3-2古土壤、4-1-1老黄土层局部具自重湿陷性，施工场地属自重湿陷性黄土场地，但隧道基底位于非湿陷性土层。场地地下水主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于粉质黏土、砂类土及卵石类土层中，水量较大。稳定地下水水位埋深为13.20 m～42.40 m，基本位于轨面附近，水位年变化幅度为约2.0 m～3.0 m。

1.3 铁路保护标准

参照《铁路线路修理规则》[14]对铁路线路的沉降、隆起和铁轨间的差异沉降等要求，以及国内其它城市地铁下穿铁路实际经验和控制标准[15-19]，既有西康铁路变形控制采用如下标准值：

(1) 铁路路基、地面最大变形值+2 mm～-15 mm；

(2) 铁路轨面最大竖向变形值小于8 mm；

(3) 左右轨之间差异沉降值小于6 mm；

(4) 单轨10 m内差异沉降值小于8 mm。

2 设计方案比选

(1) 线路方案优化。本段线路作为车站站后停车线，其走向必须满足车站使用要求，根据工况和初步设计阶段线路比选，综合考虑车站控制性边界条件、周边规划、客流吸引及车站使用功能等因素后，确定本段线路平面无法避让铁路。

另外减少地面沉降的有效办法是加大区间隧道埋深。按照目前的线路方案，在区间出纺织城火车站约120 m后就要下穿西康铁路，且本段线路设置交叉渡线，线路纵坡不宜过大，已最大限度的加大了埋深。

(2) 施工工法选择。区间内设双存车线，且存在交叉渡线，线间距为5 m，无法采用盾构法施工，明挖法施工对周边环境影响较大，无法满足铁路下穿施工，因此本区间采用浅埋暗挖法施工。

根据线路条件，隧道断面可在交叉渡线段需采用单洞双线的大断面隧道，但交叉渡线以外(包括下穿西康铁路段)可采用单洞双线的大断面隧道和双连拱隧道两种断面型式，两种隧道断面的开挖、支护参数详见表1。

根据国内相关工程以及西安地区暗挖施工经验，随着暗挖断面的增大，施工对围岩的扰动越大，相应的引起地面沉降越大。另外，双连拱隧道中隔墙为模注钢筋混凝土结构，其整体刚度远大于格栅钢架，能及时发挥竖向支顶作用，有利于控制竖向沉降。而双侧壁导坑法拆除临时中隔壁时，沉降增加幅度较大。另外本区间常水位在轨面位置，抗浮水位在拱腰附近，这使得双连拱隧道拱顶施工缝不利于防水的缺点，基本不会发生。因此，本区间在下穿西康铁路段采用双连拱断面进行施工，隧道衬砌断面图如图3所示。

表1 隧道开挖支护参数表

图3区间隧道衬砌断面图(单位：mm)

(3) 辅助工程措施。

① 超前地质预报、超前支护。施工过程中应加强超前地质预报，掌握掌子面前方围岩及地下水情况，若发现工程水文地质条件与地勘报告不符，应及时采取针对性措施。下穿铁路前采用大管棚配合超前小导管注浆加固隧道围岩，确保掌子面的稳定，降低隧道施工对既有铁路的影响。

② 增设临时仰拱、及时背后注浆。隧道采用中洞法+台阶法进行施工，且各开挖部均设置临时仰拱，各导洞初支应及时成环，并应在初支和二衬施工过程中预留注浆管，及时注水泥砂浆填充初支和围岩、初支和二衬之间空隙，减小地面沉降。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立及参数选取

计算模型横向宽度取95 m，竖向高度取55 m，其中隧道两侧各取41 m，约为4倍隧道开挖跨度，隧道底板以下取30 m，约为3倍隧道开挖高度。按拟定的施工工序进行施工全过程模拟，分析暗挖隧道施工对西康铁路的影响(见图4)。

图4数值模型

土层、注浆加固材料采用摩尔-库仑模型模拟，初支和二衬采用弹性模型模拟，初支采用梁单元模拟，其他材料均采用实体单位模拟。材料的物理力学参数根据地勘报告整理如表2所示。

表2 材料力学参数表

3.2 模拟思路

模型建立完成后，先得到初始地应力场，然后进行位移清零，接着按实际施工顺序进行区间隧道的开挖和支护的模拟。由于地铁隧道施工采用降水施工，故模拟中不考虑地下水的影响。根据国内类似工程实例的施工经验，由于区间隧道与西康铁路之间净距和水平交角较大，隧道施工对西康铁路的影响主要为引起铁路路基的竖向变形，故本次计算仅对区间隧道施工引起的围岩竖向变形及隧道支护受力状态进行分析。

3.3 计算结果及分析

(1) 竖向位移分析。隧道不同开挖步围岩的竖向位移云图如图5所示。

图5不同开挖步引起土体竖向位移云图

从图5中可以看出，隧道施工过程中，隧道周边围岩及铁路路基出现不同程度的沉降变形，沉降变形值表现为隧道拱顶最大、地面最小。隧道施工过程中拱顶下沉最大值为16.4 mm，铁路路基最大沉降值为6.90 mm，满足控制标准的要求。铁路路基的沉降变形随着区间隧道的开挖、支护过程不断增大，中洞施工完成后引起铁路路基的沉降值到达5.53 mm，占全部变形值的80%，施工中应重点考虑中洞施工对铁路的影响。

(2) 区间隧道初期支护受力特征分析。区间隧道初期支护弯矩随着各部分的开挖、支护等主要施工步的变化特征如图6所示。

从图6可以看出，区间隧道采用中洞法+临时仰拱法施工过程中，随着开挖，分部的不同初期支护受力也在不断变化，且随着临时支撑的拆除，初支的受力方向也会发生变化，由于初支配筋为内外侧对称配筋，故只需要复核初支的弯矩绝对值即可。隧道开挖过程中，中洞初支的最大弯矩为228 kN·m，发生在下台阶拱脚处(负弯矩)，中洞临时支撑拆除后，中洞左右侧初支受力方向发生变化，由负弯矩变化为正弯矩，正弯矩最大值为118 kN·m。侧洞施工过程中，初支的最大弯矩为114 kN·m，发生在下台阶拱腰附近(负弯矩)。侧洞开挖会造成中洞左右侧初支弯矩(正弯矩)的增大，正弯矩最大值为251 kN·m。通过计算，经过支座弯矩调幅后初支配筋能满足受力要求，可以确保隧道施工期间的安全。

图6不同开挖步支护应力云图

4 结 论

本文在充分进行线路条件、开挖断面、施工工法比选的基础上，推荐下穿西康铁路段区间隧道采用双连拱断面施工，通过数值模拟分析了地铁暗挖双连拱区间隧道施工过程对既有西康铁路的影响，并提出了针对性的施工保护措施，得出以下结论：

(1) 采用双连拱隧道下穿铁路，隧道施工本身是安全可靠的，各施工阶段初支结构受力均满足承载力的要求，可确保施工期间不出现结构性破坏。

(2) 铁路路基的竖向位移随着区间隧道的开挖、支护过程不断增大，最大位移出现在二衬施工前一阶段。隧道施工过程中，铁路路基的最大竖向位移值为6.9 mm，满足相关保护标准的要求。

(3) 中洞施工完成后引起铁路路基的沉降值到达5.53 mm，占全部变形值的80%，施工中应重点考虑中洞施工对铁路的影响。

(4) 地铁暗挖区间隧道施工产生的沉降不是瞬间沉降，而是一个变化累积的过程。结合数值分析结果、本区间的工程地质条件以及西安地区暗挖施工经验，采用双连拱断面进行隧道施工，辅以较强的超前支护措施和洞内支护措施，在施工过程中加强对铁路轨道的实时监测，并进行有效、及时的维修养护后，可确保下穿施工期间铁路的结构和运营安全。

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