暗挖隧道同时下穿铁路桥梁和隧道数值分析

周丁恒，郭华胜，田雪娟，贾世涛，马永峰

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司城市轨道与地下工程设计研究院，北京 102600； 2.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

对新建隧道穿越铁路桥的研究主要集中在盾构隧道穿越铁路桥方面，国内外学者通过数值分析、现场监测等手段[1-8]，对盾构穿越施工对铁路桥影响进行了分析研究。相对于丰富的盾构穿越铁路桥研究，暗挖隧道穿越铁路桥的研究相对较少，马伟斌等[9]对地铁暗挖隧道下穿铁路桥进行了数值计算，评价了铁路桥结构风险及安全性；闫鑫等[10]对暗挖隧道施工时铁路框架桥与土层间的滑移和脱空进行了分析；祁辉等[11]、张学钢等[12]分析了隧道施工对铁路桥桩基与位移的影响变化规律。暗挖隧道穿越铁路隧道同样较少，袁竹等[13]、陈志勇[14]采用数值模拟和现场监测对既有铁路隧道受下穿区间暗挖隧道近接施工影响进行了研究；曹瑞琅等[15]比较了地铁区间台阶法、临时仰拱台阶法、CD法以及CRD法极小间距下穿高铁盾构隧道。

为解决暗挖隧道同时下穿多个建(构)筑物风险控制问题，本文以地铁暗挖区间隧道同时下穿京张高速铁路隧道和京包铁路桥为工程背景，在风险保护措施的基础上，采用有限元分析方法，分析了不加固和加固方案下隧道、铁路桥竖向位移和横向位移极值随施工步变化特征，以期为类似穿越工程提供参考。

1 工程背景

北京地铁12号线大蓟区间线路沿北三环西路敷设，区间埋深范围为25.4～32.6m，长度为835.10m，采用矿山法施工。地铁暗挖区间隧道下穿京张高速铁路隧道和京包铁路桥。京张隧道结构型式为单洞双线的大断面盾构隧道，直径和管片厚度分别为12.2m、550mm，在地铁处隧道轨面标高为28.313m。京包铁路桥桥体结构为四孔不等跨钢筋砼结构，下部为基桩承台，基桩均为桩径1.2m钻孔桩。承台高度为2.0m，桩长25m和22m。工程勘探最大孔深65.00m深度范围内所揭露地层，按成因年代分为人工堆积层和一般第四纪冲洪积层两大类，按地层岩性进一步分为9个大层及亚层。

2 保护方案

2.1 京张隧道保护措施

下穿京张隧道时，为保证结构安全，采取如下保护措施(见图1)。

图1 区间下穿京张隧道风险源措施纵断面图(单位：mm)

1)穿越京张隧道段时，地铁暗挖区间隧道采用台阶法开挖，并增设临时仰拱，临时仰拱与注浆里程相同。

2)洞内管棚施工。I、抬高地铁暗挖区间隧道断面，为管棚创造洞内工作面。C型断面采用台阶法施工，该断面增设临时仰拱；II、拱顶100°范围采用小导管注浆加固+DN180大管棚，大管棚参数：12mm壁厚，0～1°外插角，400mm环向间距，京张隧道前后10m范围。小导洞注浆加固范围为隧道轮廓线外1.5m。

3)洞内深孔注浆为全断面范围和侧壁轮廓线外2.5m，注浆纵向长度与大管棚加固长度相同。

4)穿越段初支厚度为350mm(争长短250mm)，格栅密排，该措施设置范围为京张隧道前后10m。

5)初期支护的纵向连接筋由间距1m减至0.5m。

6)初支和二衬背后注浆管加密，环向2～3m加密至2m，纵向3m加密至2m，初支背后及时进行回填注浆，根据监测补充多次注浆，注浆压力和注浆量需进行严格控制。

7)初支、二衬施工后，对背后进行孔洞检测，需要时采取注浆回填措施。

8)完成初支结构后，尽快进行二衬浇筑。

对于京张隧道，建议其施工时为穿越预定一定的条件：增加管片预留注浆孔，对周围土体提前进行注浆加固；管片链接加强、管片纵向拉紧。

2.2 京包铁路桥保护措施

如图2所示，下穿京包铁路桥时保护措施有：①对地铁暗挖区间隧道两侧桥桩桩底周边3m范围内进行深孔注浆加固，注浆加固范围为向上和向下分别为3m，左右注浆范围均取桥桩外边缘3m。②京包铁路桥桥桩之前采用深孔注浆加固，之后采用大管棚加固措施，大管棚措施具体参数与穿越京张隧道时相同。③增加临时仰供，拉大上下导洞的步距，临时仰拱里程同注浆里程。④及时进行初支和二衬背后注浆，严格控制注浆压力，必要时进行多次补浆。

图2 地铁暗挖区间隧道下穿京包铁路桥横断面图(单位：mm)

3 数值计算分析

3.1 模型概况

采用midas GTS NX软件建立暗挖地铁暗挖区间隧道下穿京张隧道、京包铁路桥的三维有限元模型(见图3)。模型尺寸参数：X向116m、Y向100.37m、Z向60m。模型边界条件：底部三向位移约束，四面水平位移约束。京张隧道衬砌、地铁暗挖区间隧道初支及二衬采用板单元模拟，地铁暗挖区间隧道加固区、桥面、桥墩及承台采用实体单元模拟，京包铁路桥桥桩、管棚采用梁单元模拟，土体本构模型选取摩尔库伦模型，不考虑地下水的影响，地面超载值为20kPa。

图3 三维有限元分析模型

3.2 模型参数

模型土层数为11个，根据地质报告确定各土层物理力学参数(见表2)。京包铁路桥桥桩、承、承台、桥墩及面板均采用C30混凝土模拟，管棚采用钢管模拟，京张隧道衬砌、地铁暗挖区间隧道大断面二衬、地铁暗挖区间隧道标准断面二衬均采用C50混凝土模拟，地铁暗挖区间隧道大断面初支和标准断面初支则采用C20混凝土模拟。

表2 土体物理力学参数

3.3 模拟工况与施工步

本次计算分析了不加固和加固两种工况，不加固指的是不进行深孔注浆和管棚加固，其他措施正常实施。每种工况均以分段的方式模拟隧道开挖的空间影响，分段进尺依次按照11、11.43、10.13、9.44、9、9、8.85、9.15、9和13.37m进行设置。先施工右线再施工左线，每个开挖断面的上、下台阶相隔1个分段进尺，右线、左线二衬在贯通后施工。

3.4 京张隧道计算结果与分析

京张隧道竖向位移、水平位移极值随施工步变化曲线如图4所示(Z向位移为竖向位移，Y向水平位移为横向水平位移，X向水平位移为纵向水平位移)。由图4(a)可看出：①不加固和加固工况下京张隧道衬砌竖向位移极值随施工步变化趋势基本一致，均可定义为两阶段“S”型曲线；②同一工况下，右线和左线引起的位移变化过程均包括了缓慢变化、急速增大和稳定三个阶段。不加固工况下，以京张隧道中心为坐标零点，-18～16m范围是穿越影响显著区域(负值表示开挖面未达到京张隧道中心处)，加固工况下影响范围为-16～14m；③不加固工况下右线、左线施工后的京张隧道衬砌竖向位移极值分别为3.89mm和5.70mm，右线、左线施工引起的位移分别约为总位移的68.2%和31.8%。加固工况下右线、左线施工后的京张隧道衬砌竖向位移极值分别为1.94mm和2.84mm，右线、左线施工引起的位移分别约为总位移的68.3%和31.7%；④加固后京张隧道竖向位移极值减少了50.07%，控制效果明显。

由图4(b)可知：①同一施工步下竖向位移极值大于水平位移极值，水平位移极值中横向水平位移极值稍大于纵向水平位移极值；②不加固和加固工况下施工全过程中横向水平位移极值为-1.14mm和-0.86mm，极值发生在下穿过程中。不加固和加固工况下施工全过程中纵向水平位移极值为-0.83mm和-0.42mm，最极值为最终值；③加固后横向水平位移极值和纵向水平位移极值分别减少了24.6%和49.4%，加固处理对纵向水平位移控制效果较好；④两种工况下纵向水平位移极值变化趋势与竖向位移基本一致，经历缓慢、快速及稳定三个阶段，区别在于极值的方向后期发生变化。两种工况下横向水平位移极值变化经历了增大、减小及稳定三个阶段，右线、左线施工过程变化趋势一致。

(a)竖向位移极值 (b)水平位移极值图4 京张隧道衬砌位移极值随施工步变化曲线

3.5 京包铁路桥计算结果与分析

1)绝对位移

京包铁路桥桥桩竖向位移极值、水平位移极值随施工步变化曲线如图5所示(Z向位移为竖向位移，X向水平位移为横向水平位移，Y向水平位移为纵向水平位移)。通过图5(a)可以看出：①铁路桥桥桩竖向位移极值与京张隧道竖向位移极值变化规律基本一致，包含缓慢变化、急速增大和稳定的两阶段“S”型曲线；②不加固工况下右线、左线施工后的竖向位移极值分别为3.99mm和5.69mm，分别约占总位移的70.2%和29.8%。加固工况下右线、左线施工后的京包铁路桥桥桩竖向位移极值分别为1.95mm和2.28mm，分别约占总位移的85.9%和14.1%；③根据位移云图，两种工况下桥桩竖向位移从大到小依次为2轴、3轴、1轴、4轴、5轴(从左到右依次编号为1～5轴，同一轴承台下从左侧最上方桥桩开始，以逆时针方向编号为1#～6#桩)；④加固后铁路桥桥桩竖向位移极值减少了60%，控制效果十分明显。

(a)竖向位移极值 (b)水平位移极值图5 京包铁路桥桥桩位移极值随施工步变化曲线

由图5(b)可知：①同一施工步下桥桩竖向位移极值大于水平位移极值，纵向水平位移极值大于横向水平位移极值；②纵向水平位移极值变化经历初期快速增长后，后期变化较小。横向水平位移极值在右线施工阶段变化比较剧烈，经历了增大、稳定、减少、增大及稳定5个阶段，左线施工对横向水平位移极值影响较小；③不加固和加固工况下施工全过程中横向水平位移极值为-3.07mm和-1.73mm，不加固和加固工况下施工全过程中纵向水平位移极值为-0.94mm和-0.74mm；④加固后横向、纵向水平位移极值分别减少了42.9%和21.27%，加固处理对横向水平位移控制效果较好，对纵向水平位移较差。

2)差异沉降

京包铁路桥承台最终竖向位移列如表3所示， 通过表3中各承台计算相邻承台的差异沉降。 不加固工况下相邻承台间差异沉降分别为2.228mm、 2.061mm、3.276mm、1.751mm， 不加固工况下相邻承台间差异沉降分别为0.814mm、 0.669mm、 1.378mm、0.746mm，两种工况下承台间最大差异沉降均为3～4轴承台间差异沉降，加固后各承台间差异沉降减少63.5%、67.5%、57.9%、57.4%，承台差异沉降明显得到控制。

表3 京包铁路桥承台竖向位移最终值 mm

京包铁路桥桥桩桩底最终竖向位移及各承台下桩底差异沉降列如表4所示。经过加固处理后，各承台间差异沉降减少48.7%、72.5%、47.2%、56.9%、60.4%，加固后桩底差异沉降明显得到控制。

表4 铁路桥桥桩桩底竖向位移及差异沉降/mm

5 结论

(1)地铁暗挖区间隧道同时下穿京张高速铁路隧道和京包铁路桥，京张隧道和京包铁路桥桥桩竖向位移极值变化过程可描述为“S”型曲线，每一阶段包含了缓慢增长、快速增大及稳定变化三个过程。

(2)对于京张隧道和京包铁路桥，不加固和加固工况下竖向位移大于水平位移，不加固时位移超过5mm位移控制标准。经过加固处理后，京张隧道竖向位移极值减少了50%左右，京包铁路桥竖向位移极值和横向水平位移极值分别减少了60%和42.9%，位移均得到了明显控制，表示加固处理降低了地铁暗挖区间隧道对上部结构的施工风险。

(3)京张隧道竖向位移极值发生在中间偏左的位置，京包铁路桥竖向位移极值发生在2轴结构，京包铁路桥最大差异沉降发生在中间偏右的3轴～4轴间。

(4)不加固和加固工况下右线施工引起的京张隧道竖向位移超过总竖向位移的68%，不加固和加固工况下右线施工引起的京包铁路桥竖向位移超过总竖向位移的85.9%，因此，先行施工的地铁暗挖区间隧道是京张隧道、京包铁路桥沉降控制关键阶段。