地鐵區間下穿成綿樂高鐵設計方案研究

葉至盛

（廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥工程師）

地鐵區間下穿成綿樂高鐵設計方案研究

葉至盛

（廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥工程師）

通過對地鐵區間下穿高鐵無砟軌道方案的研究，分析了地鐵區間下穿未運營的高鐵無砟軌道線路的可行性。以成都地鐵4號線二期東延線萬年場站—東三環站礦山法施工區間下穿即將運營的成綿樂城際高速鐵路（無砟軌道）為例，通過與同類工程進行類比，并結合理論計算分析，綜合評估了地鐵下穿施工對高鐵的影響。經與實際監測結果比較，證明設計方案是合理的，計算具有較高的可靠度。提出了對高鐵的具體保護措施及沉降控制標準，為今后類似工程設計提供借鑒及參考。

地鐵區間；礦山法下穿施工；沉降控制

Author＇s address Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou，China

中國是世界上同時在建高速鐵路和地鐵規模最大的國家。個別城市已出現地鐵線路與高速鐵路無砟軌道路基段線路交叉［1-7］。本文對成都地鐵4號線二期東延線工程萬年場站—東三環站區間下穿成綿樂高鐵設計過程中遇到的問題進行深入研究，總結出類似條件下地鐵區間下穿高鐵無砟軌道路基的設計方法，特別是針對高鐵即將運營而規劃與之交叉的地鐵區間才開始動工的情況，為類似工程提供借鑒。

1　項目背景

成綿樂高鐵起于成都東站，向北經德陽、綿陽引入江油站，向南經成都南站、雙流機場，最終抵達峨眉山站，正線全長約314 km，設計速度250 km/h，是西南地區首條開工建設的城際高速鐵路。

地鐵萬年場站—東三環站區間在成洛路下穿地道框架段處底下下穿成綿樂高鐵無砟軌道線路（見圖1、圖2）。該高鐵段已于2014年3月開始靜態驗收，無砟軌道線路鋼軌已精調并焊接鎖定。成綿樂高鐵于2014年8月15日進行全線聯調聯試，并于2014年年底開通運營。為避免地鐵區間施工對高鐵運營產生影響，地鐵區間必須在高鐵全線聯調聯試前完成下穿段施工。

圖1　地鐵與高鐵線路區位關系圖

圖2　地鐵區間上面的成洛路地道與高鐵關系實景照

2　地鐵區間下穿高鐵段概況

2.1下穿高鐵段概況

地鐵萬年場站—東三環站區間下穿處的成綿樂高鐵里程為D1K153+704～D1K153+744，距成都東客站站臺約2.2 km。此段高鐵設計時速為160 km，采用CRTSⅠ型板式無砟軌道。無砟軌道結構如圖3所示。

圖3　成綿樂高鐵軌道結構圖

高鐵下方的成洛路下穿地道A1框架段長18 m，寬39.9 m，為箱體結構。其底板下方地基加固采用CFG（水泥粉煤灰碎石）樁，設計樁徑為0.5 m，按正三角形布置，間距為1.5 m，樁長約7.5 m。樁穿過全風化泥巖后樁底進入強風化泥巖層。加固后地基容許承載應力不小于0.18 Mpa。

2.2工程地質

下穿段位于成都平原區與龍泉山低山丘陵區過渡帶的成都東部臺地地區，屬川西平原岷江水系Ⅲ級階地。地層從上至下為：人工素填土，粉質黏土，全風化，強風化，中風化泥巖。下穿段位于中等風化泥巖地層，地鐵隧道頂距地面約27.7 m，拱頂有7～9 m厚的中等風化泥巖層。中等風化泥巖為紫紅色，泥、鈣質膠結，傾角近水平的層狀結構，節理裂隙較發育，巖質較軟，局部夾砂質泥巖。根據室內試驗，該土體強度為6.24～15.4 Mpa，局部可達23.6 Mpa，飽和吸水率為5.3%～59.3%，膨脹應力為10～220 kpa，自由膨脹率為6%～62%。巖石堅硬程度分類為軟巖—較軟巖，巖體等級分類為Ⅳ。

3　沉降控制標準確定

由于成綿樂高鐵采用無砟軌道敷設，故完工后不允許有危害鐵路運營安全性或損壞線路可使用性的軌道變位，且工后總沉降也不能超過系鋼軌件豎向高度調整量的允許值。根據文獻［8］規定：對于調高量為30 mm的扣件，扣除施工誤差（+6 mm～-4 mm）影響，僅有20 mm調整空間；若再考慮列車運行時需要預留5 mm的余量，則實際留給運營期間路基、軌道沉降的允許調整量僅為15 mm。即只有路基沉降量不大于15 mm時，才能保證設計的軌道高程和平整度。因此，無砟軌道路基工后沉降應符合扣件調整能力和線路豎曲線圓順的要求，且工后沉降不宜超過15 mm。此處所述的工后沉降是指無砟軌道鋪設完成后路基可能繼續發生的沉降。

考慮高鐵正常運營安全的需要，結合國內隧道下穿高鐵的經驗，高鐵區域內無砟軌道路基沉降控制標準確定為-15 mm，沉降差不超過5 mm。

綜合理論計算結果、地質條件、覆土埋深、同類工程經驗，并結合現場礦山法橫通道的施工經驗后提出本設計的沉降標準控制值為2.5 mm。專家組對該設計的評審意見為：原則同意設計單位提出的下穿成綿樂高鐵段地鐵施工引起的無砟軌道的沉降量控制在2.5 mm以內（含施工沉降）。

4　同類工程的經驗案例

隨著國內地鐵建設的發展，地鐵區間下穿高鐵有砟軌道路基段的實例較多，但下穿高鐵無砟軌道路基段的實例屈指可數。

廣州地鐵9號線區間隧道在出廣州北站后下穿武廣客運專線4條股道及兩側站臺。武廣客運專線為設計時速350 km的高速鐵路，軌道采用CRTSI型雙塊式無砟軌道，從2009年底開始已投入運營。該工程是國內外首次地鐵盾構隧道下穿時速350 km高速鐵路無砟軌道路基段，已得到原鐵路部的正式批復。根據專家審查會，要求“在盾構下穿階段高鐵運營應采取限速措施，無砟軌道沉降按5 mm控制，同時不得隆起，避免對軌道結構的破壞”。原鐵道部批復意見要求路基面不發生隆起，沉降應滿足設計要求，同時要求該段鐵路限速80 km/h。

此案例說明，地鐵區間隧道在地質條件較差、覆土淺、高鐵已運營等復雜條件下，通過相關技術措施的保證，穿越高鐵無砟軌道路基段是具有可行性的。

5　設計方案

5.1施工工法選擇

國內地鐵區間通常采用盾構法施工，有著施工快速、安全可靠、對周邊環境影響小等優點。萬年場站—東三環站區間工程也計劃采用盾構法施工。為避免區間施工對高鐵運營產生影響，必須在2014年8月15日高鐵聯調聯試前完成本段區間施工。因當時4號線二期工程未全面開工，不具備盾構始發接收等條件，采用盾構法施工不能滿足工期要求，遂采用礦山法提前施作下穿高鐵段的區間（見圖4），待后期再將盾構機從東三環站下井始發，空推通過本段高鐵下的礦山法施工區間，在萬年場站再解體吊出，以貫通整個區間。

圖4　成都地鐵4號線萬年場站—東三環站區間施工方法分段平面圖

5.2礦山法區間設計方案

成都地鐵4號線萬年場站—東三環站區間沿成洛路下方敷設，借助成洛路北側地鐵區間風井作為施工豎井，利用橫通道與正線相連。下穿地段的地鐵正線隧道長51.2 m，其起點與橫通道相連，終點設于成洛路下穿地道A1框架段與相臨U槽段的分界處下方。

為保證后期盾構機能空推通過，區間正線礦山法隧道設計斷面近似為圓形結構（見圖6），內凈寬為8.0 m，內凈高為8.1 m。拱頂埋深約為27.7 m。地鐵隧道頂距成洛路下穿地道底板18 m，距CFG樁底部約10.5 m（見圖5）。

圖5　地鐵正線隧道襯砌斷面圖

下穿段的地鐵隧道礦山法采用工字上下臺階法施工。初期支護采用間距0.5 m的22#工字鋼拱架和厚0.3 m C25早強噴射混凝土，二次襯砌采用厚0.5 m C40鋼筋混凝土。

地鐵盾構區間斷面為圓形結構，外徑為6 m，管片襯砌厚度為0.3 m（見圖6）。

圖6　地鐵區間下穿高鐵段隧道與高鐵的剖面關系圖

5.3設計保護措施

（1）調整線路縱斷面，增大隧道埋深。為盡量減少地鐵區間施工對成綿樂高鐵影響，將臨近穿越地點的萬年場車站設計為地下三層站，同時從萬年場站下行至穿越地點采用較大線路縱向坡度，最大程度加大隧道埋深，使下穿段地鐵區間完全位于中等風化泥巖地層內。本下穿段地鐵隧道拱頂埋深達27.7 m。

（2）增大礦山法隧道線間距。地鐵區間左右線間距一般以1倍洞徑為宜，故本工程按外徑寬8 m，則左右外輪廓凈距為8 m即可滿足設計和施工要求。本地鐵區間穿越高鐵段線間距增大至21 m，兩線開挖外輪廓凈距為13 m，以保證左右線在礦山法施工時不會引起重疊沉降。同時，優化位置后的礦山法隧道頂部未正對成洛路下穿地道框架結構傳遞豎向壓力的隔墻下方。

（3）加強支護措施。在中風化地層，地鐵隧道拱頂埋深達20 m以上。根據經驗，類似洞徑的地鐵礦山法施工區間通常采用間距較大的格柵鋼架，無需采用超前支護措施。由于本段區間下穿高鐵，為保證沉降可控，不僅加強了初期支護設計，在穿越高鐵范圍內采用間距0.5 m的22#工字鋼拱架，同時還局部采用了自進式錨桿的超前支護措施以及拱頂增加了系統錨桿，以進一步加強對開挖期間的沉降控制。

5.4施工階段應急補償措施

若施工過程中，當監測高鐵軌道沉降結果達到報警值（建議為1.5 mm）時，應采取灌漿抬升法作為應急補償措施。

灌漿抬升法即在發生沉降的建構筑物地基中布置注漿管，有控制性地注入水泥漿液或化學漿液，不僅能加固基礎下部的土體，還可使建構筑物基礎抬高，從而達到消除沉降的目的。化學漿液能在地基中產生膨脹反應，而高壓注入水泥漿液能對地基土產生壓力、加固、拱抬作用。這都是使地基土產生豎向膨脹抬升的原因。

本工程在高鐵下方的成洛路下穿地鐵道框架底板上布置了可重復注漿孔。如地鐵區間施工引起成綿樂高鐵的沉降超過報警值，則采取跟蹤補償注漿來抬升下穿地道的框架，以消除高鐵路基沉降，確保運營安全。

5.5高鐵工后沉降的調節補償措施

地鐵隧道洞室開挖會造成拱頂到中風化巖面巖層的卸載，從而帶來后續的滯后沉降。可利用隧道底的水浮力，來補償拱頂以上的巖層變形。故隧道施工完成后一般不會再引起高鐵路基沉降變形。

但若后期高鐵由于地鐵區間隧道施工的影響出現滯后沉降，且沉降超出控制標準，則應采取應急補償措施：

（1）在成洛路下穿地道底板下方跟蹤注漿。可利用框架段底板布置的可重復注漿孔進行跟蹤補償注漿，以補償地層損失，控制高鐵路基的變形，確保高鐵安全。

（2）利用鋼鐵扣件剩余調節量調節軌道變形量。地鐵區間下穿高鐵段采用CRTSⅠ型板式軌道和WJ-7B型扣件。根據文獻［9］，鋼軌高低調整量為+26 mm、-4 mm。

6　數值模擬分析

6.1模型建立

有限元模型上邊界距隧道頂部取實際埋深值，左邊界距左隧道左側50 m，右邊界距右隧道右側50 m，下邊界距右隧道底部21 m。模型總尺寸（長×高）為130 m×56 m。

有限元計算中各種材料的物理力學參數原則上根據地勘報告建議值和相關規范取值。并根據橫通道施工過程中反饋的地表沉降，經反復試算對地層參數進行修正。模擬超前支護及上覆成綿樂高鐵CFG樁加固路基時均提高地層彈性模量，支護范圍取隧道拱頂約120°范圍。計算考慮不同開挖階段的應力釋放，且先開挖左線隧道。根據不同的地層、開挖分部和開挖邊界進行網絡組劃分，從而得到有限元模型如圖7所示。

圖7　下穿隧道的有限元模型圖

模型的邊界條件為；底面固定Z方向，左右面固定X方向，前后面固定Y方向，頂面為自由表面。

6.2模擬的基本過程

模型建立完畢后，首先，施加下穿隧道及上部高鐵路基荷載；然后，進行初始地應力場模擬；最后，進行隧道的上臺階開挖、初期支護施做、下臺階施工和初期支護施工的模擬。隧道的開挖順序為先開挖左側隧道，待左側隧道初期支護完成后再進行右側隧道的開挖、支護。

6.3模擬計算結果及分析

經計算，左線隧道施工初期支護后，地面最大沉降量為1.36 mm，位于左線隧道正上方。右線隧道施作初期支護后，地面最大沉降量為1.98 mm，位于下穿隧道正上方。洞內拱頂最大累計理論沉降量為4.2 mm。

地層豎向應力特征隨著主要施工步驟的變化特征如圖8～圖9所示。

從圖9可以看出，左側隧道施工完成后，在隧道左右產生了應力集中，最大應力為-1.22 Mpa。隧道上下應力較小，僅為-0.39 Mpa左右。這是因為隧道施工引起的應力釋放造成的。右側隧道施工完成后，呈現出和左側隧道基本一致的應力狀態。以成洛路下穿地道中心線為橫軸中線，繪高鐵路基計算沉降曲線見圖11。下穿地道寬40 m，最大沉降量為1.98 mm；中心線兩側60 m以外范圍沉降值在1.5 mm以內。理論計算高鐵路基沉降量為1.98 mm，小于設定的控制值2.50 mm。

圖8　地層豎向初始應力圖

圖9　隧道完成后地層豎向應力圖

圖10　高鐵路基沉降曲線圖

7　施工結果

地鐵礦山法施工的初期支護由橫通道向高鐵方向施工，二次襯砌由高鐵向橫通道方向施工。本工程地鐵隧道于2014年5月18日動工，8月10日完成下穿段施工，2014年10月7日完成剩余礦山法施工，歷時113 d順利完成。根據中國水利水電第七工程局有限公司科研設計院成都地鐵測量試驗中心的監測和深圳市工勘巖土工程有限公司第三方監測單位的測量結果，施工期間高鐵無砟軌道路基的沉降最大值為1.2 mm。

成綿樂高鐵于2014年8月15日完成全線聯調聯試，并于2014年12月20日正式通車運營。根據監測結果，地鐵區間隧道施工未引起高鐵無砟軌道路基的滯后沉降。

地鐵區間施工期間引起的沉降及高鐵通車后的滯后沉降均未達到2.5 mm，沉降可控。施工期間未發生沉降報警，也未采用地道底板下方注漿或者利用扣件剩余調節量調節軌道變形量等措施。

8　結語

本項目為地鐵區間采用礦山法下穿即將運營的高鐵無砟軌道線路，現已順利實施完成。工程實例說明，在地質條件較好、地鐵隧道埋深較深、施工時高鐵未開通等類似情況下，地下區間隧道通過相關技術措施的保證，穿越高速鐵路無砟軌道線路是可行的。

根據已完成的工程沉降監測結果，成洛路下穿地道框架段下方地鐵礦山法施工引起的成綿樂高鐵無砟軌道線路的沉降（含工后沉降）控制在1.5 mm以內，實現了控制目標。

當區域內規劃地鐵線路與高速鐵路線路（無砟軌道）交叉時。由于無砟軌道對沉降的控制要求較高，應及早做好規劃和施工時間安排，建議應在高鐵運營前提前完成地鐵線路施工，以有效避免地鐵施工對高鐵運營產生影響。

［1］ 陳靖.地鐵盾構隧道下穿滬寧城際鐵路的影響分析［J］.鐵道勘測與設計，2011（2）：80.

［2］ 霍軍帥，王炳龍，周順華.地鐵盾構隧道下穿城際鐵路地基加固方案安全性分析［J］.中國鐵道科學，2011（5）：71.

［3］ 翟利華，史海歐，蔣盼平.高速鐵路振動荷載作用下的土體動力響應及對下穿地鐵隧道的影響分析［J］.城市軌道交通研究，2012（9）：32.

［4］ 張鵬.地鐵隧道下穿高速鐵路地表沉降控制標準研究［J］.地下空間與工程學報，2014（10）：1700.

［5］ 程雄志.地鐵盾構下穿高速鐵路情況下的路基加固與軌面控制［J］.城市軌道交通研究，2013（2）：89.

［6］ 徐干成，李成學，趙月，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（增2）：269.

［7］ 佘才高.地鐵盾構隧道下穿鐵路的安全措施［J］.城市軌道交通研究，2009（4）：33.

［8］ 中華人民共和國鐵道部科學技術司，中國鐵道科學研究院. WT-7型扣件暫行技術條件：科技基［2007］207號［S］.北京：中國鐵道科學研究院，2007.

［9］ 國家鐵路局.高速鐵路設計規范：TB 10621—2014［S］.北京：中國鐵道出版社，2014.

［10］ 高志剛，馮超.地鐵隧道下穿既有鐵路施工時地基加固分析［J］.城市軌道交通研究，2015（6）：105.

Design of Subway Section Crossing under Chengdu-Mianyang-Leshan Intercity High Speed Railway

Ye Zhisheng

The plan of subway section crossing under the ballastless track of high-speed railway isintroduced，the feasibility of this plan for not yet operated high-speed railway is analyzed.Based on the phase II of Chengdu Subway Line 4，the mining method adopted at the interval from Wannian Station to Dongsanhuan Station on the east extension line is studied，which crosses under the ballastless track of Chengdu-Mianyang-Leshan Intercity High-speed Railway.Through comparison with similar projects and combined with theoretical calculation，the impact of subway over the high-speed railway during its construction is comprehensively assessed. Compared with the actual monitoring data，it shows that the design plan is reasonable，the calculation has high reliability. Finally，specific protective measures and setlement control standards are proposed for the high-speed railway，to provide a reference for the design of similar projects.

subway section；undercrossing mining construction；settlement control

U 455.41+1

10.16037/j.1007-869x.2016.03.012

（2015-02-06）