城際鐵路隧道下穿客運專線鐵路橋梁方案設計

張竹清

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

根據珠三角城際軌道交通總體規劃及廣州市城市規劃布局，珠三角城際廣佛環線陳村2號隧道需要下穿通過武廣客運專線廣州南站橋梁。下穿段隧道設計列車速度為160 km/h，采用兩單線布置形式，隧道下穿武廣客運專線橋梁后與城際廣州南站相接[1-2]。

2 下穿段周邊控制因素概述

2.1 客運專線廣州南站現狀

客運專線廣州南站目前開行的線路有武廣客運專線及廣珠城際鐵路。武廣客運專線為設計時速350 km的高速鐵路，從2009年底開始投入運營。2011年7月1日起，武廣高速鐵路調圖后按最高300 km/h及250 km/h兩種列車速度開行。廣珠城際鐵路廣州南至珠海北段于2011年1月7日正式通車，設計速度為200 km/h。列車進出站運行速度為80 km/h。

客運專線廣州南站為高架站，城際鐵路廣州南站為地下站，因此廣佛城際陳村2號隧道需要下穿已建成通車的武廣客運專線廣州南站橋墩，穿越長度為320 m。根據現場調查及收集資料顯示，下穿段橋梁單孔跨度為32 m，32號墩左側結構形式為連續梁，采用無砟軌道，右側為簡支梁，采用有砟軌道。下穿段廣州南站現狀如圖1所示。

圖1 下穿橋梁現狀

2.2 地表建(構)筑物現狀(圖2)

圖2 下穿段控制因素簡圖(單位：m)

2.2.1 市政道路

下穿段上方道路為南站南路，雙向8車道，兩側布置有綠化帶和人行道。C匝道為廣州南站西廣場進入站臺層的落客通道，單向雙車道。上述2條道路均已投入使用。

2.2.2 鐵路及市政管網

下穿段分布有大量的鐵路、市政管線，包括給水管線、雨水管線、污水管線、電力管線、電信管線等，管線材質有塑料、鑄鐵、鋼、混凝土等種類。

2.2.3 既有景觀渠

32號橋墩右側為2號景觀渠，渠寬20 m，渠深3.5 m，水深約1.7 m。

3 工程及水文地質概況

隧道范圍內地下水類型主要有兩種：一種為賦存于第四系土層中的孔隙水，另一種為基巖風化裂隙水。勘察期間測得地下水位埋深0.4～6.1 m，平均水位埋深為2.1 m，水位高程-3.7～2.22 m[3]。

4 高速鐵路橋梁沉降的控制要求

4.1 相關規范及規定

根據《高速鐵路設計規范》(試行)(TB10020—2009)及《高速鐵路設計規范條文說明》(試行)(TB10621—2009)，橋梁工后沉降量不應超過表1限值[4]。

表1 靜定結構墩臺基礎工后沉降限值

注：超靜定結構相鄰墩臺沉降量之差除應符合上述規定外，尚應根據沉降差對結構產生的附加應力的影響確定。

橋梁墩臺基礎工后沉降限值主要為滿足高速列車運營安全和舒適性要求。對于墩臺基礎均勻沉降，有砟軌道橋梁沉降限值參考了路基的沉降控制標準。無砟軌道橋梁沉降限值主要依據橋上扣件容許的調整量。對于調高量為30 mm的扣件，扣除施工誤差+6 mm/-4 mm，僅有20 mm可用于調整運營期間基礎沉降、梁體徐變變形產生的軌道狀態變化。考慮到基礎發生均勻沉降時可通過圓順線路滿足運營要求，對于行車影響相對較小。因此規定，對于有、無砟軌道橋梁墩臺基礎工后均勻沉降限值分別按照30 mm和20 mm取用。

墩臺基礎不均勻沉降將在墩臺位置產生變坡點，即出現明顯的折角，直接影響行車的安全和舒適。相關研究分析表明：不同沉降限值對于梁體動力效應影響較小，而主要影響車輛動力效應；列車輪重減載率隨不均勻沉降值的增大而增大；車體豎向加速度、列車車體平穩性指標除與車體自身動力性能有一定關系外，也隨不均勻沉降量增加呈增大趨勢。同時超靜定結構相鄰墩臺不均勻沉降限值還應考慮對結構產生的附加應力影響[5]。

4.2 收集到的相關下穿高速鐵路沉降控制標準

根據資料調研，本文收集到了類似下穿高速鐵路工程的沉降要求，詳見表2。

4.3 本工程橋梁沉降限值的確定

根據相關規范的規定及收集到的類似工程的要求，并考慮一定富裕量后，確定本工程下穿段橋梁墩臺均勻沉降范圍為-10 mm～0，極限不超過15 mm，相鄰墩臺沉降差不大于5 mm。

表2 類似工程沉降限值

5 下穿方案研究

根據前期與廣州市規劃部門結合及珠三角城際廣佛環線運營規劃，城際廣州南站站場布置提出了2種方案，為此，隧道下穿客運專線橋梁的方案也分別采用礦山法方案及盾構法方案。

方案一：需要將城際廣州南站折返線伸入到客運專線廣州南站橋梁下方，折返線與正線線間距為5.3 m。因此，盾構隧道斷面已不能滿足折返線段落的要求，同時由于受到橋下凈空的限制，盾構機無法從橋下吊出，施工時只能將盾構機在進入橋梁下方前吊出，橋梁下方不能采用盾構法施工。為此，下穿段采用礦山法方案。

方案二：由于該段位于客運專線咽喉區，對沉降要求嚴格，下穿客運專線橋墩的施工風險大。礦山法隧道開挖帶來的風險必須充分考慮，一旦發生不可控制的事件，將會嚴重影響廣珠城際鐵路和武廣客運專線的運營。同時由于礦山法造價較高，因此本方案采用兩單洞盾構斷面下穿客運專線橋梁，該方案施工風險較小，但為了滿足城際廣州南站的運輸組織條件需要將站臺層整體東移，增加城際及客運專線換乘距離約250 m。

5.1 礦山法下穿方案

5.1.1 主要邊界條件

隧道開挖外輪廓距離廣州南站橋樁凈距3.61 m。隧道埋深9.84 m。隔離樁距離廣州南站橋樁凈距2.61 m。礦山法方案隧道與橋梁結構關系如圖3所示。

圖3 礦山法方案隧道與橋梁結構關系(單位：m)

5.1.2 相關措施及施工工法

(1)在DK34+600～+905段左右線隧道結構外緣設置隔離樁，以減小隧道施工對既有橋樁的側壓力作用和控制地層沉降變形。隔離樁采用φ1.0 m鉆孔灌注樁，間距1.2 m，樁端至仰拱底部下2 m。

(2)洞內采用T76L邁式管棚+φ42 mm小導管超前注漿處理，T76L邁式管棚布置于拱墻范圍，因側邊隔離樁限制，φ42 mm注漿小導管布置于拱部120°范圍。

(3)雙線隧道采用初期支護+雙層襯砌結構。初期支護采用C25噴射混凝土，厚30 cm，內設2榀/m的I22a型鋼鋼架。第一層襯砌為25 cm厚的格柵混凝土，內設2榀/m的φ25 mm主筋格柵鋼架；第二層襯砌為45 cm厚的鋼筋混凝土。

(4)采用雙側壁導坑法施工，在臨時支護拆除前完成第一層格柵混凝土襯砌施工，然后拆除臨時支護敷設防水層，澆筑第二層鋼筋混凝土襯砌。

(5)施工須采用機械開挖，局部硬質巖層在條件允許情況下采用控制爆破施工。

(6)施工期間按照相關規范加強監控量測，特別是對橋墩、梁、軌面及隧道初支等部位。量測信息須及時反饋，實現信息化施工。

(7)為保證客運專線的正常運行，在調查清楚隧道上方管線情況的基礎上，對各類管線進行臨時遷改。

5.2 盾構法下穿方案

5.2.1 既有盾構機的利用

為充分利用既有盾構設備，節約工程投資，陳村2號隧道盾構段采用珠三角城際鐵路在建項目土壓平衡盾構。

5.2.2 盾構管片設計

隧道內徑7.7 m、外徑8.5 m、管片襯砌厚度400 mm。采用C50混凝土，抗滲等級≥P12。管片寬度1.6 m，采用7塊模式，全環由1塊封頂塊，2塊鄰接塊和4塊標準塊組成。

5.2.3 主要邊界條件

穿越武廣客運專線既有橋墩，隧道結構埋深約13 m，左側距離橋墩樁基7.12 m，右側距離橋墩樁基6.78 m，穿越距離320 m。盾構機下穿橋墩后，在城際廣州南站吊出。盾構法方案隧道與橋梁結構關系如圖4所示。

圖4 盾構法方案隧道與橋梁結構關系(單位：m)

5.2.4 施工注意事項

(1)盾構機到達橋墩前，應選擇合適的地層停止掘進，對所有設備進行徹底的檢查和維修(刀具、注漿系統)，調整好盾構姿態，確保盾構機以良好的狀態順利穿過客運專線橋墩范圍，避免大幅調整盾構姿態。

(2)盾構掘進采用土壓平衡模式，選擇適宜的掘進參數[8]，嚴格控制出土量，保持開挖面穩定。

(3)及時足量進行同步注漿。在掘進中及時進行盾尾回填注漿，并可適當調整砂漿配合比，以加快其凝固速度，為確保注漿效果，可進行二次補充注漿。

(4)往開挖面和切削倉注入泡沫，改善渣土的密水性與和易性[9]。

(5)盾構掘進中加強盾尾密封油脂的注入，確保盾尾密封效果。防止地下水從盾尾涌入，有效控制地面沉降、隧道的變形。

(6)施工過程加強地表及橋梁的沉降觀測。

5.3 方案比較

礦山法方案及盾構法方案優缺點比較詳見表3。

表3 下穿廣州南礦山法方案及盾構法方案對比

根據以上論述，采用大斷面礦山法方案，其最大優點是可將城際廣州南站渡線布置在橋下范圍，縮短城際與客運專線車站換乘距離，但正是由于渡線布置的原因，導致隧道開挖跨度達15.18 m，開挖邊界距離橋樁僅有3.61 m，開挖面積達140 m2，而埋深僅10 m，雖然超前支護及隔離措施已經加強，但施工風險仍然較大。而盾構方案的最大優點是隧道與橋樁距離為6.78 m，埋深達13 m，施工過程中對橋樁影響較小。考慮到客運專線運營要求的特殊性，一旦出現問題引起的社會影響十分廣泛，因此最終推薦采用盾構法下穿方案。

6 盾構法下穿方案數值模擬計算

6.1 模型參數的選取

根據橋梁專業提供的承臺底部荷載反算到橋墩位置然后等加到各節點上，先進行左側隧道施工，施工完成后再進行右側隧道施工，每次掘進1.6 m，即1片管片長度。施加土倉壓力以維護掌子面的穩定，土倉壓力為初始應力平衡下該點的初始應力，開挖完成后進行管片拼裝及背后注漿，注漿層彈性模量起始按注漿壓力0.25 MPa考慮，3個循環后砂漿凝固，彈性模量按150 MPa考慮。所用材料物理力學參數見表4。

表4 材料物理力學參數

6.2 計算模型及結果(圖5～圖7)

圖5 計算模型

圖6 開挖貫通后豎向位移云圖

圖7 地表沉降曲線

本次數值計算土體采用D-P本構模型，用Solid45單元模擬，橋墩、承臺采用彈性模型用Solid45單元模擬，樁采用Beam188單元模擬，盾構管片采用Shell63單元模擬。

由圖7可知，隧道開挖引起地表沉降最大值僅為14 mm，對地表的影響較小，同時計算表明，在掘進過程中隧道兩側樁體的水平及豎向位移只有0.2 mm，基本可以忽略，因此盾構法下穿方案是安全可靠的。

7 結語

目前，我國高速鐵路仍處于高速發展期，已有多條高速鐵路投入運營。今后大量高速鐵路的建成及通車，設計人員在很長時間內，都會面臨新建工程下穿高速鐵路的情況需要處理。新建工程與既有高速鐵路的交叉處是影響高速鐵路運營安全的重要敏感點， 交叉方案的設計非常關鍵，交叉點方案選擇是否合理，對高速鐵路的運營安全、城市的長遠規劃和環境保護都具有重要影響，因此必須做好充分的論證與研究[10]。本文旨在通過廣佛環線陳村2號隧道下穿客運專線廣州南站的方案設計，給類似工程提供參考及借鑒。

[1] 中華人民共和國鐵道部，廣東省人民政府.關于廣佛環線佛山西站至廣州南站段項目建議書的批復[Z].北京:中華人民共和國鐵道部，2011.

[2] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司. 廣佛環線佛山西站至廣州南站段施工圖設計總說明[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2012.

[3] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司. 廣佛環線佛山西站至廣州南站段定測階段地質報告[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2009．

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)條文說明 [S]. 北京:中國鐵道出版社，2009．

[6] 徐干成，等.地鐵盾構隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析[J].巖土力學，2009，30(2)：269-270．

[7] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.廣州市軌道交通九號線工程廣州北～花城路區間下穿武廣高鐵、京廣鐵路專項設計[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

[8] 竺維彬，等.廣州地鐵三號線盾構隧道工程施工技術研究[M].廣州：暨南大學出版社，2007:81．

[9] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50446—2008 盾構法隧道施工與驗收規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2008．

[10] 李耐振，閆偉.德大線下穿京滬高速鐵路設計方案研究[J].鐵道標準設計，2011(5)：25-27.