地鐵暗挖雙連拱隧道下穿既有鐵路施工影響分析

高 強

(廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣東 廣州 510010)

隨著城市化進程的加快，城市軌道交通線網規模不斷增大，下穿既有公路、鐵路的工程越來越多，引起了國內外學者的廣泛關注[1-3]。隧道開挖必然會對周圍地層造成一定的擾動，引起地層的應力變化，導致圍巖產生變形，并且隨著施工過程的進行，影響范圍也不斷擴大，最終通過地層傳遞到地表，引起地表的沉降和變形，進而對公路、鐵路的安全運營產生不利影響[4-11]。新建地鐵區間隧道下穿既有鐵路施工時，隧道開挖施工或多或少會引起鐵路路基和軌道的整體沉降和不均勻沉降，造成鐵路軌道的前后不平順、左右線存在高差等現象，這些都會給鐵路的運營舒適性和安全性[12-13]帶來很大的不確定性。

西安地鐵5號線紡織城火車站站—一期終點區間需要下穿既有西康鐵路施工，受線路條件限制，區間隧道和鐵路路基之間豎向凈距約18 m，僅為1.5倍隧道開挖跨度。為降低隧道開挖對鐵路的影響，保證掘進期間隧道自身和既有鐵路的安全，參照相關規范和類似工程的研究資料，提出了既有鐵路的保護標準，對區間隧道進行了線路條件、開挖斷面、施工工法等多方面的比選，擬定了區間隧道設計方案，提出了輔助工程措施，并對隧道開挖過程進行數值模擬分析，同時對鐵路的安全防護提出了施工、監測和維修養護等方面的要求。

1 工程概況

1.1 地鐵區間隧道與西康鐵路概況

紡織城火車站站—一期終點區間為站后雙存車線區間，全長約243 m，左右線間距5 m。區間在YDK46+458.000—YDK46+480.000段下穿西康鐵路。區間縱斷面采用單線坡設計，區間出紡織城火車站站后以2‰的坡度下坡至一期終點。隧道拱頂最深埋深約27 m，其中下穿鐵路段埋深約18 m。區間采用淺埋暗挖法施工，其中交叉渡線段采用單洞雙線大斷面隧道施工，其余采用雙連拱隧道施工。

西康鐵路設計時速160 km/h，采用鋼筋混凝土軌枕、道床型式為碎石道床，鐵路在地鐵隧道下穿段無道岔。

地鐵區間隧道與西康鐵路平面成62°交角，隧道拱頂距離鐵路路基約18.3 m。兩者之間的平剖面關系如圖1和圖2所示。

圖1 區間隧道與鐵路平面關系圖

圖2區間隧道與鐵路剖面關系圖

1.2 工程及水文地質概況

場地地貌單元為山麓斜坡坡積裙，地形起伏較大，地面高程438.72 m～469.49 m，最大高差約30.77 m。場地地層主要為人工填土；第四系上更新統風積黃土、殘積古土壤；上更新統洪積粉質黏土及砂類土；中更新統湖積粉質黏土及砂類土等，其中3-1新黃土、3-2古土壤、4-1-1老黃土層局部具自重濕陷性，施工場地屬自重濕陷性黃土場地，但隧道基底位于非濕陷性土層。場地地下水主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于粉質黏土、砂類土及卵石類土層中，水量較大。穩定地下水水位埋深為13.20 m～42.40 m，基本位于軌面附近，水位年變化幅度為約2.0 m～3.0 m。

1.3 鐵路保護標準

參照《鐵路線路修理規則》[14]對鐵路線路的沉降、隆起和鐵軌間的差異沉降等要求，以及國內其它城市地鐵下穿鐵路實際經驗和控制標準[15-19]，既有西康鐵路變形控制采用如下標準值：

(1) 鐵路路基、地面最大變形值+2 mm～-15 mm；

(2) 鐵路軌面最大豎向變形值小于8 mm；

(3) 左右軌之間差異沉降值小于6 mm；

(4) 單軌10 m內差異沉降值小于8 mm。

2 設計方案比選

(1) 線路方案優化。本段線路作為車站站后停車線，其走向必須滿足車站使用要求，根據工況和初步設計階段線路比選，綜合考慮車站控制性邊界條件、周邊規劃、客流吸引及車站使用功能等因素后，確定本段線路平面無法避讓鐵路。

另外減少地面沉降的有效辦法是加大區間隧道埋深。按照目前的線路方案，在區間出紡織城火車站約120 m后就要下穿西康鐵路，且本段線路設置交叉渡線，線路縱坡不宜過大，已最大限度的加大了埋深。

(2) 施工工法選擇。區間內設雙存車線，且存在交叉渡線，線間距為5 m，無法采用盾構法施工，明挖法施工對周邊環境影響較大，無法滿足鐵路下穿施工，因此本區間采用淺埋暗挖法施工。

根據線路條件，隧道斷面可在交叉渡線段需采用單洞雙線的大斷面隧道，但交叉渡線以外(包括下穿西康鐵路段)可采用單洞雙線的大斷面隧道和雙連拱隧道兩種斷面型式，兩種隧道斷面的開挖、支護參數詳見表1。

根據國內相關工程以及西安地區暗挖施工經驗，隨著暗挖斷面的增大，施工對圍巖的擾動越大，相應的引起地面沉降越大。另外，雙連拱隧道中隔墻為模注鋼筋混凝土結構，其整體剛度遠大于格柵鋼架，能及時發揮豎向支頂作用，有利于控制豎向沉降。而雙側壁導坑法拆除臨時中隔壁時，沉降增加幅度較大。另外本區間常水位在軌面位置，抗浮水位在拱腰附近，這使得雙連拱隧道拱頂施工縫不利于防水的缺點，基本不會發生。因此，本區間在下穿西康鐵路段采用雙連拱斷面進行施工，隧道襯砌斷面圖如圖3所示。

表1 隧道開挖支護參數表

圖3區間隧道襯砌斷面圖(單位：mm)

(3) 輔助工程措施。

① 超前地質預報、超前支護。施工過程中應加強超前地質預報，掌握掌子面前方圍巖及地下水情況，若發現工程水文地質條件與地勘報告不符，應及時采取針對性措施。下穿鐵路前采用大管棚配合超前小導管注漿加固隧道圍巖，確保掌子面的穩定，降低隧道施工對既有鐵路的影響。

② 增設臨時仰拱、及時背后注漿。隧道采用中洞法+臺階法進行施工，且各開挖部均設置臨時仰拱，各導洞初支應及時成環，并應在初支和二襯施工過程中預留注漿管，及時注水泥砂漿填充初支和圍巖、初支和二襯之間空隙，減小地面沉降。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立及參數選取

計算模型橫向寬度取95 m，豎向高度取55 m，其中隧道兩側各取41 m，約為4倍隧道開挖跨度，隧道底板以下取30 m，約為3倍隧道開挖高度。按擬定的施工工序進行施工全過程模擬，分析暗挖隧道施工對西康鐵路的影響(見圖4)。

圖4數值模型

土層、注漿加固材料采用摩爾-庫侖模型模擬，初支和二襯采用彈性模型模擬，初支采用梁單元模擬，其他材料均采用實體單位模擬。材料的物理力學參數根據地勘報告整理如表2所示。

表2 材料力學參數表

3.2 模擬思路

模型建立完成后，先得到初始地應力場，然后進行位移清零，接著按實際施工順序進行區間隧道的開挖和支護的模擬。由于地鐵隧道施工采用降水施工，故模擬中不考慮地下水的影響。根據國內類似工程實例的施工經驗，由于區間隧道與西康鐵路之間凈距和水平交角較大，隧道施工對西康鐵路的影響主要為引起鐵路路基的豎向變形，故本次計算僅對區間隧道施工引起的圍巖豎向變形及隧道支護受力狀態進行分析。

3.3 計算結果及分析

(1) 豎向位移分析。隧道不同開挖步圍巖的豎向位移云圖如圖5所示。

圖5不同開挖步引起土體豎向位移云圖

從圖5中可以看出，隧道施工過程中，隧道周邊圍巖及鐵路路基出現不同程度的沉降變形，沉降變形值表現為隧道拱頂最大、地面最小。隧道施工過程中拱頂下沉最大值為16.4 mm，鐵路路基最大沉降值為6.90 mm，滿足控制標準的要求。鐵路路基的沉降變形隨著區間隧道的開挖、支護過程不斷增大，中洞施工完成后引起鐵路路基的沉降值到達5.53 mm，占全部變形值的80%，施工中應重點考慮中洞施工對鐵路的影響。

(2) 區間隧道初期支護受力特征分析。區間隧道初期支護彎矩隨著各部分的開挖、支護等主要施工步的變化特征如圖6所示。

從圖6可以看出，區間隧道采用中洞法+臨時仰拱法施工過程中，隨著開挖，分部的不同初期支護受力也在不斷變化，且隨著臨時支撐的拆除，初支的受力方向也會發生變化，由于初支配筋為內外側對稱配筋，故只需要復核初支的彎矩絕對值即可。隧道開挖過程中，中洞初支的最大彎矩為228 kN·m，發生在下臺階拱腳處(負彎矩)，中洞臨時支撐拆除后，中洞左右側初支受力方向發生變化，由負彎矩變化為正彎矩，正彎矩最大值為118 kN·m。側洞施工過程中，初支的最大彎矩為114 kN·m，發生在下臺階拱腰附近(負彎矩)。側洞開挖會造成中洞左右側初支彎矩(正彎矩)的增大，正彎矩最大值為251 kN·m。通過計算，經過支座彎矩調幅后初支配筋能滿足受力要求，可以確保隧道施工期間的安全。

圖6不同開挖步支護應力云圖

4 結 論

本文在充分進行線路條件、開挖斷面、施工工法比選的基礎上，推薦下穿西康鐵路段區間隧道采用雙連拱斷面施工，通過數值模擬分析了地鐵暗挖雙連拱區間隧道施工過程對既有西康鐵路的影響，并提出了針對性的施工保護措施，得出以下結論：

(1) 采用雙連拱隧道下穿鐵路，隧道施工本身是安全可靠的，各施工階段初支結構受力均滿足承載力的要求，可確保施工期間不出現結構性破壞。

(2) 鐵路路基的豎向位移隨著區間隧道的開挖、支護過程不斷增大，最大位移出現在二襯施工前一階段。隧道施工過程中，鐵路路基的最大豎向位移值為6.9 mm，滿足相關保護標準的要求。

(3) 中洞施工完成后引起鐵路路基的沉降值到達5.53 mm，占全部變形值的80%，施工中應重點考慮中洞施工對鐵路的影響。

(4) 地鐵暗挖區間隧道施工產生的沉降不是瞬間沉降，而是一個變化累積的過程。結合數值分析結果、本區間的工程地質條件以及西安地區暗挖施工經驗，采用雙連拱斷面進行隧道施工，輔以較強的超前支護措施和洞內支護措施，在施工過程中加強對鐵路軌道的實時監測，并進行有效、及時的維修養護后，可確保下穿施工期間鐵路的結構和運營安全。

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