新建地铁暗挖隧道下穿既有地铁与高铁线路变形规律研究

李宜霖 孙玉岭

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043； 2.北京京铁工程咨询有限公司，北京 100039)

近年来，城市轨道交通发展迅速，受城市空间区域限制，大部分轨道交通以隧道形式建设，不可避免地会发生新建地铁区间隧道与既有线交叉的情况。隧道施工过程中会扰动地层，对既有线安全造成一定影响，尤其在下穿既有地铁与高铁并行的路基时，施工情况较为复杂，这对地铁隧道施工提出更高的技术要求。

目前，盾构法施工在下穿既有铁路过程中应用较多，部分学者对该工法下钢轨变形规律进行有益探讨[1-4]。另外，暗挖法也是修建城市地铁隧道的常用方法之一，其结构形式灵活多变，很多学者对不同暗挖工法隧道下穿地铁车站、既有隧道等建(构)筑物造成的影响进行了研究，并提出针对既有结构沉降控制措施[5-9]。

另外，部分学者研究隧道下穿既有高铁路基变形的规律。蔺云宏针对两条并行单线隧道下穿既有铁路路基，探究列车荷载与既有路基加固对路基沉降的影响[10]；阮雷研究钢轨沉降变形及水平高差变化随隧道施工过程的变形规律，以及埋深与加固对效果钢轨变形的影响[11]；刘胜欢以隧道下穿京沪高铁路基为工程依托，采用现场测试与数值模拟相结合的方法研究路基施工变形规律[12]；刘新军基于南京地铁4号线下穿京沪高铁联络线路基段，分析地层损失率与线路高低偏差的对应关系[13]。

新建地铁隧道同时下穿既有地铁与高铁时，新建隧道施工对既有两条线路铁轨的变形影响更为复杂。依托北京地铁27号线下穿既有地铁13号线与京张高铁有砟轨道路基工程，采用数值模拟的方法对线路变形、地表沉降影响规律进行研究。

1 工程概况

1.1 工程简介

北京地铁27号线(昌平线南延)是中心城的加密线，与现有9号线组成城区西部南北方向的骨干线。其中，27号线新建隧道下穿既有地铁13号线双线路基与京张高铁3道有砟轨道路基。暗挖段里程为ZK32+235～ZK32+425。隧道位于地铁西二旗站至清河站区间内，由西二旗站向南敷设，小角度斜穿地铁13号线与京张高铁路基段，然后接入清河站交通枢纽。暗挖隧道区间与京张高铁、13号线的平面位置关系见图1。

图1 暗挖线路与既有线路位置关系

1.2 地质情况

根据工程地质勘探资料，勘探范围内土层划分为人工堆积层和第四纪冲洪积层两大类，自上而下主要为杂填土1.6 m、粉细砂6 m、粉质黏土11.6 m、卵石圆砾10 m、黏质粉土10.8 m。隧道地质横断面见图2。

图2 隧道断面及地层分布示意(单位：m)

1.3 既有线路概况

京张高铁路基基床厚1.2 m，其中基床表层厚0.6 m，采用级配碎石；基床底层厚0.5 m，采用A、B组填料，中部为0.1 m厚中粗砂。地铁13号线路基段为碎石道床，线路间距3.6 m，路基宽7.1 m，地铁13号线路基与京张高铁路基最小间距4 m。

1.4 新建隧道工法

新建地铁隧道暗挖段长度约190 m，与既有线路夹角约12°。隧道采用单洞单线马蹄形断面，覆土深度约10 m，采用上下台阶预留核心土加临时仰拱法施工，施工循环进尺为0.5 m，先开挖右线，厚开挖左线，先行线下台阶与后行线上台阶开挖错距20 m。初期支护采用C25混凝土，厚0.3 m，背土侧全断面每榀设φ6.5 mm单侧钢筋网，间距150 mm×150 mm；格栅钢架间距0.5 m/榀。利用小导管对掌子面180°范围内进行注浆，小导管采用DN32钢焊管，长2 m，环向间距300 mm，打设角度20°～25°。

2 数值模型的建立

2.1 材料参数

土体本构模型基于摩尔库伦准则，穿越土体分为5层，路基、道床、钢轨、轨枕采用实体单元模拟[14]，初期支护及临时仰拱采用壳单元模拟。在开挖过程中掌子面180°范围内，采取改变参数的方法来模拟注浆效果。土体物理力学性能参数见表1，各部分结构材料参数见表2。

表1 土体物理力学参数

表2 结构物理力学参数

2.2 模型建立

采用有限元软件MIDAS/GTS建立三维数值模型，由于隧道斜穿既有线路，考虑到模型的边界效应，选取隧道洞径的3～5倍为模型边界，模型尺寸为80 m×180 m×40 m，共913 347个节点，1 069 882个单元。根据TB10682—2017《铁路轨道设计规范》要求，轨枕尺寸为2.6 m×0.23 m×0.23 m，间距0.6 m；轨距1.435 m，道床厚0.35 m，路基厚1.2 m[15]。模型约束条件为:上部边界为自由面，左右边界施加水平约束，底部边界施加水平约束和竖直约束，模型示意见图3。

图3 三维数值模型

新建隧道采用上下台阶预留核心土加临时仰拱法施工，先开挖上台阶预留核心土，同时施作上半部初期支护；开挖核心土同时施作临时仰拱；开挖下台阶同时施作下半部初期支护。数值模拟中施工步设置见表3。施工方法纵剖示意见图4。

表3 施工方法说明

图4 上下台阶预留核心土加临时仰拱施工纵剖面

2.3 监测点设置

钢轨编号及监测断面示意见图5。

图5 钢轨编号及监测断面示意

对地铁上下行线以及高铁钢轨进行编号，规定下穿隧道先通过的为1号，后通过的为2号。选取下穿隧道与既有线路交叉点的位置作为观测断面，先行线(右线)与高铁钢轨中心线的交叉面为A，先行线与地铁和高铁路基中心线的交叉面为B，两隧道中心线与地铁和高铁路基中心线的交叉面为C，先行线与地铁上下行线中心线的交叉面为D，后行线与地铁上下行线中心线的交叉面为E，在5个监测断面上分别对钢轨变形进行监测。

3 计算结果及分析

隧道开挖施工中会对土体造成扰动，破坏原有的土体平衡状态，在土体应力重分布的过程中，周围的土体位移也在一直变化。随着隧道的开挖，对土体影响范围也随之增大，位移变形也会影响到地表的既有结构。因此，为了减小隧道开挖对既有线路的影响，需对钢轨的竖向位移、几何不平顺、地表沉降进行分析。

3.1 钢轨变形分析

在开挖过程中，钢轨受地表的影响产生弯曲变形会影响列车运行安全，所以应对钢轨进行重点分析。

(1)不同监测断面钢轨测点竖向位移分析

A、C、E三个断面(6条钢轨)在隧道施工全部完成后的竖向位移见图6；A、B、C、D、E五个断面(6条钢轨)竖向位移最大值见表4。

表4 不同断面各条钢轨竖向位移最大值 mm

图6中，上方横坐标为后行线下台阶开挖距离，当先行线上台阶开挖26 m时，后行线下台阶开始开挖。由图6与表4可以看出，由于监测断面所代表的是隧道与既有路基位置的关系，不同监测断面下6条钢轨中最大沉降出现的位置也有所不同。A断面位置高铁的两条钢轨变形规律基本一致，监测断面位置为隧道处于高铁路基正下方，最大值为高铁1号钢轨的4.52 mm。B断面位置地铁钢轨沉降值较A断面有所增加，但仍全部小于高铁钢轨。说明隧道对高铁的影响仍然大于地铁，其中，高铁2号钢轨沉降值大于1号钢轨，沉降最大值为4.99 mm。

图6 不同监测断面钢轨竖向位移

C断面位置处地铁下行线1号钢轨沉降值已经超过高铁两条钢轨，最大值为4.52 mm，地铁下行线2号钢轨沉降值介于高铁1号与高铁2号之间。可以看出，新建隧道对既有线路的影响范围逐渐从高铁过渡到地铁。D断面隧道开挖位置处于地铁下行线下方，此时地铁钢轨沉降值均大于高铁钢轨，最大值仍然位于地铁下行线1号钢轨处，最大沉降值为5.23 mm，增大约15.7%。从C断面至E断面高铁钢轨变形逐渐变小，相较于A断面，高铁1号与2号钢轨沉降值减小83.6%和74.4%；地铁钢轨沉降值均已超过高铁钢轨，地铁沉降值最大位置为地铁上行线1号与2号钢轨处，最大值为5.18 mm。

根据5个断面各条钢轨的监测结果，当隧道位于既有线路下方时，钢轨变形均会增加，但是由于既有地铁路基是双线路基，路基本身重量大于高铁，开挖对地铁的影响稍大于对高铁的影响。

(2)钢轨不平顺随施工过程的变化规律

综上所述，由于施工过程中新建隧道与既有线路相对位置关系不断变化，导致不同施工开挖步，各条钢轨的沉降量不同，最大沉降出现的位置也不同。所以，沿线路长度方向上会出现各种类型的轨道不平顺，轨道不平顺会加剧轮轨的动力作用，使列车运行时产生更大的附加动力，会对列车安全运营造成不利影响。因此，必须对轨道不平顺加以分析保证列车的运营安全。地铁与高铁水平不平顺绝对值随施工过程变化见图7。

图7 不同线路水平不平顺示意

地铁上行线的第一次峰值位置位于沿钢轨方向的82 m处，峰值为0.6 mm；第二次峰值位置位于157 m处，峰值为0.38 mm。地铁下行线第一次峰值位于沿钢轨方向的67 m处，峰值为0.47 mm；第二次峰值位于143 m处，峰值为0.56 mm。高铁第一次峰值位于沿钢轨方向的2 m处，峰值为0.57 mm；第二次峰值位于92 m处，峰值为0.55 mm。由于3条线路与隧道的相对位置关系不同，钢轨下方土层受到扰动的时间先后也不同，会产生不均匀沉降。因此，显示出水平不平顺峰值的位置也不相同，并且暗挖隧道左右线先后两次下穿既有线路，3条线路都出现了两次波峰。

对于钢轨的高低不平顺，数值模拟无法对钢轨上所有位置的变形情况进行分析，故在每条钢轨上间隔1 m提取180个变形值，将180个变形值间隔10 m作差值分析。如从11 m的位置开始与1 m位置处的变形值做差值，以此类推，得到每条线路1号钢轨高低不平顺，见图8。

图8 不同钢轨高低不平顺示意

由图8可知，3条钢轨均出现了2个波峰，但是出现波峰的位置不同，说明隧道开挖施工对3条既有线路的影响范围不同。地铁上行线1号钢轨在先行线下台阶开挖到50 m左右的位置处时出现不平顺的峰值，此时还未受到后行线的影响；在先行线开挖到90 m的位置处出现第2个波峰时，后行线对钢轨产生影响；直到开挖完成，先行线与后行线造成的影响都在逐渐增大，且先行线造成的不平顺峰值大于后行线。同样地铁下行线1号钢轨的规律与上行线基本相同，但高铁1号钢轨的变形情况与地铁不相同。高铁的高低不平顺受先后行线的影响出现先增大后减小，后行线的开挖会减小先行线的影响。地铁与高铁钢轨的高低不平顺峰值分别为1.72,1.74,1.70 mm。

根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术轨程》和《高速铁路有砟轨道线路维修规则》，关于轨道动静态几何不平顺值的规定见表5，各条线路不平顺值均未超过规范限制。

表5 250～300 km/h线路轨道动态质量容许偏差管理值 mm

3.2 地表沉降分析

取上述A、C、D三个监测断面为研究对象，沿断面横向每间隔1 m提取地表沉降特征值，绘制不同施工阶段断面的地表沉降曲线(见图9)。

图9 不同监测断面地表沉降

由图9可以看出，隧道在穿过不同监测断面时，地表对于不同施工步的响应不同，沉降变形随着施工的进行而依次发展。由于隧道右线先开挖，而右线对于双洞隧道来说位置偏左，在刚开挖时地表沉降最大值位置相对于最终沉降值的位置也偏左，当隧道开挖推进一定距离后，沉降值逐渐回到两隧道连线的中线上。图9(a)表明，先行线开挖50 m时引起的地表沉降占总沉降量的49.4%，开挖70 m时引起的地表沉降占总沉降量的94.9%，后续沉降发展缓慢直到稳定。图9(b)表明，在先行线开挖90 m时引起的地表沉降占总沉降量的45.9%，开挖110 m时引起的地表沉降占总沉降量的90.6%。图9(c)表明，先行线开挖90 m时引起的地表沉降占总沉降量的24%，开挖110 m时引起的地表沉降占总沉降量的51.3%，开挖130 m时引起的地表沉降占总沉降量的94.5%。

4 结论

依托北京地铁27号线暗挖隧道下穿地铁13号线与京张高铁路基工程，采用数值模拟的方法研究开挖对既有线路钢轨变形与地表沉降变形的影响规律，得出以下结论。

(1)钢轨竖向位移最大值为5.23 mm，水平不平顺峰值为0.6 mm，高低不平顺峰值为0.57 mm，地表沉降最大值为5.33 mm，各项变形值均在规范要求之内。

(2)根据下穿隧道与既有线路相对位置关系，不同监测断面下钢轨竖向位移最大值所在的钢轨位置不同，开挖对地铁钢轨造成的竖向位移影响略大于高铁。

(3)隧道开挖左右线之间步距20 m施工，开挖对钢轨不平顺的影响，形变有2次先增加后减小的过程，不平顺值出现2个峰值。开挖对地铁与高铁钢轨的影响范围不同，但是3条线路不平顺的峰值基本相同。

(4)暗挖隧道先行线开挖的位置偏左，地表沉降最大值的位置先偏于两线路路基轴线靠左的位置，而后回到轴线位置处。当隧道开挖远离监测断面位置后，沉降发展缓慢基本保持最大值不变，说明在初支状态下隧道结构基本稳定，不会继续对既有结构造成更大的影响。