大直径地铁盾构隧道下穿高铁明挖隧道方案研究

邓文武 宋彦杰

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

高铁作为国家交通命脉，对沉降等变形要求极其严苛，当地铁隧道与高铁相交时，对地铁隧道下穿施工提出了较高要求，高铁结构变形一旦超标，将影响安全运营，甚至导致重大安全事故[1]。因此，对地铁盾构区间下穿铁路隧道的现状进行调查，对不同施工方案进行研究比选，优选下穿方案，采取针对性的专项防护措施，对下穿施工引起的高铁隧道的变形等进行预测，对地铁建设意义重大。

国内科研人员针对地铁盾构隧道下穿既有隧道开展了大量研究，李庭平等采用三维有限元法，对泥水盾构在既有隧道下方推进时泥水压力与既有隧道变形的关系进行了研究[2]；徐干成等以北京地铁14号线某盾构隧道为背景，对隧道下穿京津城际铁路路基段进行了三维仿真数值模拟[3]；康佐等采用三维有限元数值计算方法，分析了新建盾构隧道正交下穿施工对地表及既有隧道结构的影响，得到了既有隧道管片位移、内力以及既有隧道上方地表沉降的变化规律[4]；夏金春等依托新建地铁盾构下穿市政隧道工程，总结了既有隧道预留措施及施工加固措施[5]；康直利用有限元方法，分析地铁与高铁隧道垂直距离和地铁施工顺序对既有高铁隧道受力和变形的影响[6]。

还有学者对地铁盾构施工对既有高铁明隧道或机场跑道结构影响进行研究，曾英俊等对盾构下穿绕避深基坑围护结构地连墙引起地连墙沉降进行了有限元模拟[7-8]；石杰红等从下穿盾构安全性方面进行相关分析[10]；刘文广等研究了钻孔爆破技术在盾构穿越地连墙工程中的应用[11]；罗刚等对双线盾构隧道下穿机场高速沉降及变形规律进行研究[12];张文超等运用模拟软件对盾构下穿既有隧道进行了模拟分析[13]；马相峰等对盾构下穿运营高铁或地铁隧道的应急保障措施进行了探讨[15]。

综上，以往研究多从保证既有隧道安全角度出发，对新建隧道下穿既有隧道的一些问题进行了模拟计算，结合监测数据进行分析，优选施工加固方案，优化盾构掘进参数等设计。但对地铁盾构隧道下穿运营中高铁明挖隧道的研究少有相关报道。以天津滨海新区B1线一期工程塘沽站—外滩公园站盾构区间下穿京津城际线解放路明挖隧道为依托，对既有高铁明挖隧道现状进行检测，对隧道现状进行评估，为新建工程下穿提供基础依据。

1 工程背景

1.1 项目概况

天津滨海新区B1线一期工程塘-外区间为盾构区间，盾构管片内径5.9 m，外径6.6 m。采用两台泥水平衡盾构机，从外滩公园站始发，沿上海道以350 m曲线半径右转下穿塘沽一中运动场、烟台道小区居民楼后进入河北路，在塘沽站接收。线路在DK21+035处以57°直线下穿京津城际线解放路明挖隧道。盾构隧道与既有高铁明挖隧道平面关系见图1。

图1 盾构隧道与高铁明挖隧道平面位置关系

1.2 工程地质

依据工程岩土勘察报告，本工程处于软土地层，场地内分布较厚淤泥质土，岩土性质较差，土层自上而下依次为：杂填土、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土、粉砂，其中，粉砂层为承压水含水层，水头埋深约9 m。

1.3 高铁明挖隧道概况及现状调查

京津城际铁路解放路隧道为明挖单洞双线隧道，整体式道床，结构底板底埋深约14 m，底板下采用3 m水泥搅拌桩加固。围护结构采用800 mm厚地下连续墙，长度约30 m。隧道于2014年5月贯通，2015年9月通车。

本工程盾构隧道与京津城际解放路隧道相交，需对既有高铁隧道现状进行调查。调查结论为：①隧道结构状态良好，运营设施设备安装良好；②局部结构渗水，对列车运行及隧道结构无明显影响；③隧道结构发生了整体性沉降，差异沉降极小。

图2 既有高铁明挖隧道现状检测

1.4 高铁明挖隧道变形控制标准

京津城际线设计速度250 km/h，整体式道床，根据相关要求，既有高铁隧道结构竖向变形控制值为3 mm，轨道竖向变形控制值为2 mm。

2 盾构隧道下穿高铁明挖隧道方案比选

借鉴已有研究成果，结合工程实际及既有高铁明挖隧道现状，提出4种设计方案。

2.1 方案一：盾构下穿绕避高铁明挖隧道地连墙

(1)方案介绍

盾构下穿绕避高铁明挖隧道围护结构地连墙，考虑施工误差等因素，控制盾构区间外皮与地连墙底竖向净距为2 m，盾构下穿绕避高铁明挖隧道地连墙剖面见图3。

图3 盾构下穿绕避明挖隧道地连墙剖面

(2)优缺点分析

盾构下穿绕避高铁隧道地连墙，无需施工临时工程，前期对高铁隧道无影响及破坏。盾构掘进施工扰动土体，间接引起高铁隧道发生沉降，可通过洞内深孔注浆等加固措施，严格控制土体变形，确保高铁隧道运营安全。缺点是：盾构区间埋深较深，属超深埋隧道，管片配筋需加强，两端车站需设置为地下三层站，地铁工程成本增加，线路纵坡较大，后期运营成本相对增加。

2.2 方案二：竖井内水平加固后盾构下穿绕避高铁明挖隧道地连墙

(1)方案介绍

盾构施工前，先在盾构下穿点附近施工临时竖井，对盾构穿越土层进行水平注浆加固，盾构区间下穿绕避地连墙，控制盾构区间外皮与地连墙竖向净距同为2 m，竖井内水平加固后盾构下穿绕避高铁明挖隧道地连墙剖面见图4。

图4 竖井内水平加固后盾构下穿绕避明挖隧道地连墙剖面

(2)优缺点分析

该方案需在盾构下穿点位附近先施工临时竖井，对下穿部分土体进行水平注浆加固，提高下穿范围土体强度，对控制高铁隧道沉降起到了一定的作用，缺点同方案一，且施工竖井深度较深，开挖竖井过程对高铁隧道影响较大，不满足高铁保护区相关要求。开挖竖井、水平加固及盾构下穿，对高铁隧道造成三次影响及破坏，既有隧道变形不可控。

2.3 方案三：盾构切割穿越高铁明挖隧道地连墙

(1)方案介绍

盾构下穿前应换刀并控制姿态，盾构直接切割高铁隧道围护结构地连墙(左右线依次穿越)，盾构切割穿越高铁明挖隧道地连墙剖面见图5。

图5 盾构切割穿越明挖隧道地连墙剖面

(2)优缺点分析

地铁盾构区间埋深相对较浅，区间两端车站设置地下两层即可满足要求，线路纵坡较小，后期运营等成本增加较少。无需临时工程，前期对高铁隧道无影响及破坏，对高铁隧道地连墙只有一次影响。缺点是：在软土地层盾构换刀风险较大，切割地连墙将对高铁隧道造成直接破坏，可能引起结构变形甚至开裂。

2.4 方案四： 预先破除高铁明挖隧道地连墙后盾构穿越

(1)方案介绍

盾构施工前，先在盾构下穿点附近施工开挖临时竖井，采用爆破或人工方式预先对盾构下穿处高铁隧道围护结构地连墙进行破除(盾构左右线依次施工)，预先破除高铁明挖隧道地连墙后盾构穿越剖面见图6。

图6 预先破除明挖隧道地连墙后盾构穿越剖面

(2)优缺点分析

方案四优点同方案三，且规避了软土地层换刀风险。缺点是：需施工临时竖井，开挖竖井过程对高铁隧道影响较大，不满足高铁保护区相关要求，破除地连墙将对高铁隧道造成直接破坏，可能引起结构变形甚至开裂，开挖竖井、破除地连墙及盾构穿越，对高铁隧道地连墙造成三次影响及破坏，既有隧道变形不可控。

2.5 对比分析

从地铁工程成本、对高铁隧道影响次数及规范符合性等各方面，对上述方案优缺点进行比选分析，各方案优缺点对比见表1。

表1 各方案优缺点对比分析

由表1可知，本工程下穿高铁隧道位置位于现状市政道路下，周围施工场地紧张，盾构下穿土层为软土。为尽量避免不必要的影响，宜采用洞内注浆加固等措施对变形进行控制，故推荐方案一。

3 数值模拟计算

3.1 计算模型

针对推荐方案，采用Midas GTS/NX有限元分析软件建立三维模型，对盾构隧道下穿高铁明挖隧道进行计算分析。模型长130 m，宽100 m，深70 m。左右线盾构隧道依次下穿既有高铁明挖隧道，模型四周边界采用垂直侧边的水平约束，底边界采用竖向约束，有限元计算模型见图7。

图7 有限元计算模型

3.2 计算参数

既有线结构和二次深孔注浆体采用实体单元模拟，隧道衬砌采用板单元模拟。混凝土结构重度为25 kN/m3，土体采用修正摩尔-库伦模型，按土层性质整合为6层，土层计算参数及结构计算参数见表2及表3。

表2 土层计算参数

表3 结构计算参数

3.3 计算假定

(1)除自重外，考虑列车荷载及地面行车荷载，列车活载采用标准"中-活载"进行检算。地面行车荷载取20 kPa，列车荷载取ZK标准活荷载，见图8。

图8 列车竖向活荷载示意(单位：m)

(2)参考相关工程经验，结合盾构机特性及工程地质，盾构顶推力取掘进掌子面水土压力之和，侧压力系数取0.6，计算仅考虑正常掘进状态，未考虑地震等偶然工况。

(3)根据工程地质勘察资料，假定各土层呈水平层状分布，厚度均匀，通过提高土体弹性模量的方法，完成对隧道周围土体注浆加固的模拟。

(4)荷载释放系数各阶段取值：开挖阶段为0.2，管片支护阶段为0.4，盾构加固土体阶段为0.4。

(5)盾构掘进、管片拼装、土体注浆加固是不断循环的过程，采用逐步移动的过程模拟动态施工。

3.4 计算工况及施工过程

本工程地铁区间盾构隧道下穿既有高铁明挖隧道，盾构隧道与高铁明挖隧道围护结构地连墙竖向净距为2 m，盾构隧道埋深约34 m，分为以下工况。

(1)工况一

先进行左线盾构施工，再进行右线盾构施工，不进行深孔注浆。

(2)工况二

先进行左线盾构施工，再进行右线盾构施工，同时进行全断面深孔注浆加固，加固深度2 m。

具体施工步骤：初始地应力分析-盾构区间掘进土体开挖-盾构管片支护-(土体加固)-盾构掘进下一环-循环至盾构左线掘进通过-盾构右线掘进通过。

4 计算结果分析

4.1 既有高铁明挖隧道结构变形

盾构区间下穿绕避既有高铁明挖隧道围护结构地连墙，盾构掘进施工对土体造成一定程度的扰动，使高铁隧道结构及道床结构产生变形，对列车运营安全造成影响，通过数值模拟分析，两种工况下高铁明挖隧道结构及道床结构竖向位移分析结果见图9～图12，变形统计见表4。

图9 明挖隧道结构竖向位移计算云图

图10 明挖隧道道床结构竖向位移计算云图

图11 明挖隧道结构竖向位移计算云图

图12 高铁明挖隧道道床结构竖向位移计算云图

表4 明挖隧道结构及道床结构竖向位移统计 mm

由以上分析可知：①两种工况下，高铁隧道竖向位移在左右线盾构施工完成后达到最大；②既有线隧道最大竖向位移发生在和新建B1线相交位置的底部；③工况一隧道结构最大竖向位移约为1.62 mm，道床结构最大竖向位移约为1.61 mm；工况二隧道最大竖向位移约为1.02 mm，道床结构最大竖向位移约为1.01 mm。

5 结论

(1)盾构掘进施工前， 通过对既有结构进行现状调查可掌握既有结构安全状态，从而确定设计方案，有针对性的采取保护措施，为盾构隧道下穿提供前提条件。

(2)从工程地质、现场施工条件及对既有高铁的扰动程度和次数分析，结合相关方意见，最终确定本工程采用盾构下穿绕避地连墙方案。

(3)数值计算结果显示，两种计算工况均能满足相关规范对高铁隧道结构变形小于2 mm的控制要求，从安全角度考虑，本工程盾构穿越段采用全断面深孔注浆加固措施，进一步控制盾构掘进引起的既有高铁明挖隧道沉降变形，增加安全冗余量，以确保高铁的运营安全。