远期延长线穿越既有线的预留路径选择与数值模拟

梁 健

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西 太原 030013)

0 前 言

近年来，随着城市化进程的加快，城市轨道交通快速发展，结合国内各城市轨道交通规划布局及建设情况，城市轨道交通穿越既有铁路线路或运营城市轨道交通既有线的工程不断涌现。本工程远期延长线实施时将同时下穿既有铁路线路与届时已建成的城市轨道交通隧道，情况较为少见。城市轨道交通区间隧道多以盾构法施工，盾构机在开挖掘进过程中会破坏原有的土体结构，进而引起地面及周边建构筑物变形沉降。为保证远期工程实施的可靠衔接，必须将远期工程实施对已建成线路的影响进行分析预测，进而决定合理可行的预留实施方案，并为后续相关设计提供参考。

1 工程概况

1.1 出入场线及远期西延线概况

西山停车场出入场线区间位于太原市万柏林区西山矿务局片区，为太原城市轨道交通1号线一期工程；根据太原城市发展需求，太原城市轨道交通1号线预留西延条件，西山矿务局站为一期工程起点站。

出入场线采用盾构法施工。区间由西山矿务局站西端始发，沿西矿街下穿玉门沟线铁路后以半径为400 m的平面曲线折向南，下穿虎峪河后进入丘陵区域，再以半径为300 m的平面曲线折向东接入西山停车场。

西延线拟采用盾构法施工，西山矿务局站预留盾构接收条件。西延线右线由西山矿务局站引出后，先下穿玉门沟线铁路，再穿越出入场线进而转向南，下穿虎峪河后向南延伸至远期生态园站；西延线左线沿出入场线北侧平行敷设，向西穿越玉门沟线铁路后转向南，下穿虎峪河后向南延伸至远期生态园站。

盾构隧道管片内径5 500 mm，外径6 200 mm，厚度为350 mm，环宽为1 200 mm。图1为区间隧道穿越玉门沟线铁路平面图。

图1 区间隧道穿越玉门沟线铁路平面图

1.2 玉门沟线铁路概况

玉门沟线铁路为西山煤电集团白家庄矿和官地矿的运煤通道，始建于1936年，铁路等级为Ⅲ级，为时速40 km/h单线有碴非电气化货运铁路，最小曲线半径为150 m，线路最大纵坡25‰，采用50 kg/m～25 m标准轨及钢筋混凝土轨枕。地铁区间穿越段为路基段，路基高度为4 m，道床顶宽为2.9 m，道砟厚度0.35 m。地铁出入场线区间与铁路线路的交叉角度约为63°,西延线区间与铁路线路的交叉角度约为75°。

2 工程地质及水文地质概况

2.1 工程地质

工程场区地貌单元为西山山前倾斜波状冲洪积平原。经勘察揭示，穿越铁路段地表多为第四纪人工填土，其下为第四纪全新统冲洪积层、第四系上更新统冲洪积层、二叠系基岩。根据土层性质及沉积规律，穿越段地层自上到下主要为：1-2素填土、2-2-12黏质粉土、2-9-3碎石土、3-2-2粉质黏土、3-9-3碎石土。

2.2 水文地质

2.2.1 地表水

区间从虎峪河穿过，下穿段河流宽度约2.1～4.9 m，河水深度约1.0～2.0 m。

2.2.2 地下水

拟建场地位于太原断陷盆地内，地下水主要为松散层孔隙潜水，主要赋存于浅部的砂土、碎石土层中，水位埋深大，透水性好，水量相对不大。穿越段水位埋深约为地下25 m。

3 铁路线路及出入场线沉降控制要求

3.1 既有铁路沉降控制要求

玉门沟线铁路等级为Ⅲ级，为单线非电气化有砟货运铁路。参照2019版《普速铁路线路修理规则》(TG/GW102-2019)表6.2.1-1及《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911-2013)中第9.3.6条，结合国内诸多成功穿越同等级铁路的相关工程经验，对区间下穿既有玉门沟线铁路轨道及路基沉降做如下要求：①铁路路基沉降不大于20 mm；②轨面沉降不得超过12 mm；③相邻两股钢轨水平高差不得超过6 mm；④相邻两股钢轨三角坑不得超过6 mm。

3.2 既有出入场线盾构隧道沉降控制要求

参照《地铁设计规范》(GB5017-2013)、《城市轨道交通结构安全保护技术规程》(CJJ/T202-2013)附录B及《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911-2013)中第9.3.5条，出入场线按照运营线路考虑，保护等级为一级。盾构隧道及轨道变形控制具体要求如下：①结构竖向位移沉降值：10 mm，上浮5 mm；②结构水平位移控制值：10 mm，结构收敛值5 mm；③道床左右差异沉降控制值：4 mm；④道床纵向差异沉降控制值：4 mm。

4 数值模拟计算及分析

4.1 计算原则及方法

西延线右线近似同时穿越出入场线及玉门沟线铁路，故本次计算重点分析西延线右线掘进对届时已建成的出入场线与既有玉门沟线铁路的影响。西延线盾构穿越出入场线区间过程中仅考虑其正常使用工况。结合场地条件及线路方案，分别按照西延线盾构从出入场线下方穿越和从出入场线上方穿越两个方案进行计算，两方案西延线盾构隧道距离届时已建成的出入场线盾构隧道结构最小净距均为6 m。

采用MIDAS/GTS-NX软件建立三维空间实体模型进行数值模拟。计算模型中，土体采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型；盾构管片、盾壳采用板单元，弹性模型；同步注浆采用等代层考虑，采用板单元，弹性模型；二次注浆通过提高土体参数，采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型模拟。

4.2 模型概述

为消除计算边界效应的影响，考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取其有效影响范围，盾构结构外边缘至模型边界均大于5倍的盾构外径，两方案模型尺寸均取为240 m(长)×140 m(宽)×50 m(高)。模型顶面设为自由边界，底面采用竖向约束，其他面均采用法向约束。模型见图2～3，为简化计算，西延线掘进按照4 m(约三环)为一个施工步考虑。

图2 西延线盾构从出入场线下方穿越 图3 西延线盾构从出入场线上方穿越

4.3 计算假定

为便于分析计算，在计算模型中做如下假定：①所有土层为各向同性均质，且简化各土层使其呈均匀的水平层状分布；②不考虑结构与周围土体的相对滑移及脱离；③初始应力仅考虑自重应力场，不考虑构造应力场，土层在自重作用下达到平衡后进行隧道的施工；④不考虑隧道开挖的时间效应。

4.4 主要的计算参数(见表1)

表1 主要计算参数表

4.5 计算结果及分析

4.5.1 西延线盾构从出入场线下方穿越方案计算结果

经计算，地表、玉门沟线铁路路基、出入场线盾构隧道主要变形特征均为竖向沉降，且最大沉降位置均位于西延线盾构隧道正上方。其中，地表最大沉降值为3.99 mm，既有玉门沟线铁路路基最大沉降值为3.98 mm，西延线盾构沿线两侧约85 m范围内玉门沟线铁路路基沉降值均大于2 mm；出场线盾构隧道最大沉降值为4.27 mm，入场线盾构隧道最大沉降值为4.21 mm，西延线盾构沿线两侧约150 m范围内既有隧道结构沉降值均大于2 mm。

本方案既有铁路及轨道交通隧道结构变形值均在允许范围内，等值云图见图4。

图4 下方穿越方案竖向变形等值云图

4.5.2 西延线盾构从出入场线上方穿越方案计算结果

经计算，地表、玉门沟线铁路路基主要变形特征均为竖向沉降，出入场线盾构隧道主要变形特征为竖向隆起，最大变形位置均位于西延线盾构隧道正上方或正下方。其中，地表最大沉降值为1.49 mm，既有玉门沟线铁路路基最大沉降值为1.53 mm，西延线盾构沿线两侧约16 m范围内玉门沟线铁路路基沉降值均大于1 mm；出场线盾构隧道最大隆起量为1.26 mm，入场线盾构隧道最大隆起量为1.23 mm，西延线盾构沿线两侧约20 m范围内既有隧道结构隆起量均大于1 mm。

本方案既有铁路及轨道交通隧道结构变形值均在允许范围内，等值云图见图5。图6为玉门沟线铁路路基竖向位移曲线图，图7为出场盾构隧道竖向位移曲线图，图8为入场线盾构隧道竖向位移曲线图。

图5 上方穿越方案竖向变形等值云图

图6 玉门沟线铁路路基竖向位移曲线图

图7 出场线盾构隧道竖向位移曲线图

图8 入场线盾构隧道竖向位移曲线图

4.5.3 两方案对比分析

两方案西延线掘进依次穿越已建入场线、出场线及既有玉门沟线铁路。通过绘制两方案不同施工步结果对比图示，远期西延线不论在出入场线上方或者下方穿越，对玉门沟线铁路主要影响均为竖向沉降，且在出入场线下方穿越方案对路基造成影响相对较大。西延线在出入场线下方掘进穿越，出入场线盾构隧道结构会产生沉降；远期西延线在出入场线上方掘进穿越，出入场线盾构隧道结构会因卸载而隆起；两方案均对既有隧道结构有一定的影响，但论及影响范围及位移相对值，西延线在出入场线下方穿越时造成影响相对较大。

综合考虑，远期西延线在出入场线下方穿越影响相对较大，但两方案变形绝对值均在相关规定的允许范围内。预留方案应结合场地条件、区间纵向坡度确定、联络通道设置、工程筹划、工程投资等因素进一步确定。若不考虑其他因素，仅以减小对既有线的影响为目的，应优先采用西延线从出入场线上方穿越的方案。

5 结论与建议

1)根据计算结果，远期西延线应优先考虑从出入场线隧道上方穿越，以减小对既有线路的影响，但考虑两方案对既有线的影响均可控，方案均具有可行性，故需进一步分析论证方案对线路方案、区间布置、施工风险、工程投资等的影响。本次设计西延线若从出入场线上方穿越，西延线及出入场线沿线路纵向均需增设置反向坡，出入场线需增设联络通道及泵房，且减小了西延线盾构穿越虎峪河段覆土，施工风险及投资增大，综合考虑本工程设计预留了西延线从出入场线下方穿越条件。

2)盾构穿越土层主要为碎石土，地质条件较好，且场地受限，根据计算结果建议不采取地面加固措施。下阶段设计应进一步优化线路纵向坡度，增加近远期盾构间净距以减小远期西延线盾构掘进施工对既有线的影响。

3)远期西延线穿越时对既有铁路线及已建成出入场线结构影响可控，但此需要建立在盾构正常掘进的情况下，故施工期间必须控制好盾构姿态，加强信息化、自动化监测，并通过监测数据及时优化掘进参数。

4)建议远期西延线施工前进行数值模拟，进一步分析推进速度、推进力、注浆等对盾构施工的影响，论证得到最优的掘进参数，进一步减小对既有线的影响。

5)随着国民经济的增长，工程项目建设进程加快，类似交叉穿越的工程日益增多，此类工程应结合数值模拟分析，确定合理的设计方案和施工方法、工序，以降低施工风险。

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