城際鐵路下穿南水北調干渠設計方案研究

晏 成

(中交鐵道設計研究總院有限公司,北京 100097)

引言

南水北調中線干線工程自丹江口水庫引水，途經河南、河北，至北京、天津，輸水干渠全長1 432 km(其中天津輸水干渠156 km)。中線工程于2014年12月全線正式通水運行。中線干渠規模大、渠線長，以明渠輸水方式為主，局部采用管涵過水。

隨著我國城市建設的快速發展和鐵路的深入建設，新建工程與南水北調中線干渠交叉案例逐漸出現。目前下穿南水北調中線干渠的工程實例少，且結構斷面尺寸較小，如石家莊市政熱力管線4.8 m×3.0 m小斷面隧道[1]、鄭州軌道交通2號線φ6 m盾構隧道[2]先于干渠下穿施工，河北省磁縣和諧大道φ720 mm污水管道采用定向鉆穿越通水干渠等。

城際鐵路下穿中線干渠，國內尚無先例。以新鄭機場至鄭州南站城際鐵路工程為例，對鐵路與干渠交叉建設方案、施工方法、下穿干渠沉降控制等進行研究，分析盾構下穿干渠風險，提出工程對策措施，以確保鐵路施工及干渠運行安全。

1 工程建設方案比選

1.1 工程概況

新鄭機場至鄭州南站城際鐵路從已建鄭州至新鄭機場城際鐵路區間隧道CK39+800引出向東，與南水北調工程交叉后，向南引入鄭州南站，工程總體呈東西走向。由于南水北調工程在機場區域總體呈南北走向，鐵路不可避免地與南水北調工程交叉。

1.2 下穿方案的確定

1.2.1 中線工程建設管理方的相關規定

為避免新建工程在穿越干渠施工期或運行期對干渠的工程安全、水質安全和運行安全產生影響，南水北調中線工程建設管理部門對穿越工程布置和設計標準提出了一定的要求，并要求從結構和施工上分別采取相應的安全措施[3-4]。穿越工程與中線干線工程交叉宜采用正交方式；采用盾構等暗挖法施工時，渠道底板以下穿渠盾構等結構頂埋深不應小于2D(D為穿渠盾構等結構最大外徑)，且不小于5 m。

1.2.2 鐵路與中線干渠交叉方案比選

南水北調中線工程西側為新鄭機場用地范圍，東側為航空港區用地范圍，結合南水北調工程、機場及航空港區規劃、機場電磁環境[5]等因素，研究了上跨、下穿南水北調工程方案(圖1)。

圖1 城際鐵路與南水北調交叉方案平縱斷面示意

從施工難度、對機場和航空港區規劃影響、對機場電磁環境影響、工程投資方面，對城際鐵路上跨、下穿干渠方案進行了比選，雖上跨方案施工難度小、投資省4.3億元，但下穿方案對機場規劃、航空港區規劃及機場電磁環境影響小，利于機場及航空港區遠期發展，推薦采用下穿干渠方案。

2 工程地質及水文地質

城際鐵路穿越干渠段地質縱剖面見圖2，穿越的土層主要為第四系粉質黏土②22、細砂②54、粉質黏土③23層；其中③23層含有大量鐵錳氧化物及鈣質結核，膠結較好。地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存于粉砂、細砂和粉土層中，地下水水位高程為114.5～116.7 m。

3 工法選擇

南水北調中線工程已于2014年12月正式通水，考慮到工程的重要性及其對水質保護的特殊要求，下穿干渠采用明挖法施工已不具備可實施性，需在淺埋暗挖法和盾構法之間進行比選。

鐵路下穿干渠段地下水埋置深度較淺，土層松散不穩定，暗挖施工易導致地層的過大擾動，引起干渠結構發生較大的位移和變形，進而可能危及結構安全。

圖2 城際鐵路穿越干渠段地質縱剖面

3.1 淺埋暗挖法

國內70余座淺埋暗挖法修建的隧道的地表實測數據統計分析顯示[6]，多數淺埋暗挖隧道的最大地表沉降為20～40 mm；地表沉降受地質條件、隧道跨度及埋深、開挖方法、支護時機及剛度、施工管理技術水平等多方因素影響。

暗挖下穿干渠時，基于工程的重要性，擬采用凍結法對隧道周圍地層改良加固[7]，凍結壁厚度約3.5 m。暗挖隧道擬采用復合式襯砌(圖3)，襯砌支護采用40 cm厚、C25網噴混凝土，二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，拱墻厚70 cm、仰拱厚75 cm。暗挖隧道工程投資約45萬元/m。

圖3 暗挖隧道橫斷面(單位：mm)

3.2 盾構法

盾構施工引起的地表沉降受地質條件、隧道埋深、盾構掘進參數、施工管理技術水平等多重因素影響[8-10]。大量研究文獻表明，盾構法施工誘發的地層損失率相比淺埋暗挖法施工小，在黏性土及其互層地層中，盾構法隧道施工誘發的地表沉降小于淺埋暗挖法施工[11]。

目前大直徑盾構已成功應用在廣深港鐵路獅子洋隧道、益田路隧道、天津地下直徑線、京津城際延伸線等鐵路工程及上海、南京、武漢等地區的越江隧道工程中[12]，對城際鐵路下穿干渠工程的建設具有很好的借鑒意義。

為有效控制大直徑盾構下穿干渠時的施工風險，盾構機擬采用泥水盾構[12-13]。盾構隧道內徑11.3 m、外徑12.4 m，管片厚55 cm(圖4)。管片混凝土等級為C50，抗滲等級P12；環寬2 m，分塊數9塊。

圖5 隧道下穿處干渠橫斷面(單位：mm)

圖4 盾構隧道橫斷面(單位：mm)

除鐵路下穿干渠段100 m外，城際鐵路下穿機場場區及其他埋置較深的3 700 m段具備采用盾構法施工的條件。如城際鐵路3 800 m采用盾構法施工，購置單臺盾構機的費用約1.6億元，盾構隧道工程投資約22萬元/m。

3.3 工法的確定

下穿干渠施工工法比較見表1。

表1 淺埋暗挖法、盾構法比較

由于盾構法對地層適應性強、施工引起的干渠結構變形小于淺埋暗挖法，施工質量易控制和保證，對干渠影響周期短，安全風險可控性強，同時統籌考慮整條隧道建設可降低工程投資，推薦城際鐵路下穿干渠采用盾構法施工。

4 盾構下穿干渠沉降影響分析

結合工程地質條件，基于隧道埋深2D(D為盾構直徑)工況，進行盾構開挖數值模擬計算，分析盾構推進對干渠沉降的影響。

4.1 干渠結構

干渠過水斷面采用梯形斷面(圖5)，渠道設計底寬21.0 m，渠深約8 m，設計水深7 m，邊坡坡度1∶2.5，縱比1/26 000。干渠馬道以下全斷面采用混凝土板襯砌，渠坡厚10 cm、渠底厚8 cm。渠道板以下材料依次為復合土工膜、聚苯乙烯保溫板、反濾料層。渠底換填為2 m厚黏性土，渠坡采用擠密砂樁處理至高程113 m。

4.2 干渠沉降變形控制標準

4.2.1 渠堤坡頂、坡腳最大變形差

根據《南水北調中線一期工程高填方渠道沉降變形特征及其對襯砌結構影響研究報告》[14]的成果，“襯砌分縫條件下允許的渠堤坡頂、坡腳最大變形差為，分縫間距為4 m時，[SΔV]=25 mm”。穿越段干渠襯砌結構分縫間距為4 m，坡頂到坡腳襯砌板實際斜長約23 m，折合每延米沉降差為1.087 mm/m，進而渠堤坡頂、坡腳最大變形差設為1 mm/m。

4.2.2 沉降控制指標

干渠安全影響評價報告提出，干渠變形隆起≤5 mm，累計沉降≤15 mm，變化速率≤2 mm/d。朱永全等探討了石家莊熱力隧道后于干渠施工時其施工沉降應控制在10 mm以內[1]。

鑒于尚無大斷面隧道下穿干渠工程實踐，基于干渠的重要性，沉降控制指標設為(+10～-5) mm、變形速率≤2 mm/d。

4.3 計算模型與參數選取

建立模型時，忽略隧道縱坡影響，同時將干渠與隧道交角約85°簡化為正交。取開挖直徑12.8 m，模型尺寸縱向(盾構掘進)100 m、橫向100 m，豎向80 m。模型底部和側面均施加法向位移約束，頂邊界為自由端。

土體本構關系采用摩爾-庫倫彈塑性模型，渠道結構、盾構殼及管片本構關系為彈性。盾構殼利用殼單元模擬；盾構管片結構按均質圓環、襯砌單元模擬，采用修正慣用法對剛度進行修正[15]，折減系數為0.7。注漿體用彈性等代層模擬[16]，假定注漿體填充率100%，彈性模量保持不變。干渠內水體等效為荷載施加于渠道結構表面。

根據地質勘察資料，隧道穿越的土層主要為粉砂、粉質黏土、細砂層，各土層計算參數見表2。渠道結構、盾構殼、管片及等代層力學參數見表3。

表2 土層計算參數

表3 渠道結構及其他材料力學參數

根據土層計算參數、結構材料力學參數和隧道的斷面形式(圖6)，建立計算模型(圖7)。

圖6 隧道斷面形式

圖7 隧道下穿干渠計算模型

4.4 掘進過程模擬

盾構每次進尺2 m，模型采用單元激活與鈍化的方法實現單元剛度的變化，模擬掘進過程。

(1)重力分析步：對模型整體施加重力、地應力場和均布渠道水壓力，使模型達到未開挖時的應力平衡狀態。

(2)準備步：自邊界處逐步開挖10 m的中心土體并鈍化，于開挖面施加一個面荷載模擬盾構推力，同時在外圈原土體位置激活盾構殼單元。

(3)開挖步：將下一環需開挖的土體單元移除，激活盾構殼單元；將距離開挖面10 m后的盾構殼單元移除，原有位置激活管片單元和注漿單元，模擬盾構通過、管片支護及盾尾注漿過程。

(4)重復上述開挖步，直至掘進100 m即50環的位置。

4.5 計算結果

盾構隧道穿越干渠后，渠道位移見圖8。隧道軸向渠道沉降、橫向渠底沉降分別見圖9、圖10。

隧道軸向渠道沉降總體上與干渠斷面形狀相似，隧道橫向渠底存在明顯的沉降槽，沉降曲線基本對稱。隧道軸線與渠道軸線交匯處渠道底部沉降最大值為4.6 mm。

圖8 推進100 m時的干渠位移云圖

圖9 隧道軸向渠道沉降曲線

圖10 隧道橫向渠底沉降曲線

4.6 干渠沉降影響分析

盾構隧道以2D(D為盾構直徑)渠底埋深下穿干渠，渠堤坡頂、坡腳沉降差小于1 mm/m，渠底最大沉降4.6 mm處于沉降控制指標范圍內，干渠結構沉降可控、不影響安全。

5 隧道下穿干渠風險分析與對策措施

5.1 隧道下穿干渠風險分析

5.1.1 盾構施工風險

施工風險來自多個方面，包括不利的地質條件(富水砂層、鈣質膠結黏土層)、盾構操作控制不當、實時監控量測不精準、機組人員素質不高等[17-18]，須采取針對性措施，降低盾構穿越干渠風險。

5.1.2 干渠結構變形風險

盾構掘進施工會引起地層應力的重分布，導致地層松弛、沉降或隆起[19]，進而致使干渠襯砌結構、馬道、防護堤、排水溝等產生變形、沉降或位移(包括整體沉降和基礎的差異沉降)。

沉降變形處于控制標準范圍內時，考慮到干渠襯砌板下10 cm厚的粗砂墊層具有一定的變形協調能力，干渠及渠基不會受到施工的較大影響；沉降變形較大時，可引起襯砌板變形開裂，影響結構及運行安全。

5.1.3 干渠水質及環境安全風險

干渠屬城市供水工程，左右岸一級水源保護區范圍為干渠永久占地線外200 m，二級水源保護區范圍為左岸距永久占地線外3 000 m、右岸為2 500 m。隧道施工場地布置、棄渣的存放、施工注漿材料選擇等可能會對干渠水質及環境安全產生影響。

5.1.4 鐵路運營對干渠長期影響風險

城際鐵路運營期間，列車在隧道內高速通過，長期往復振動會對地層產生再次擾動，進而影響渠道結構及地基，可能會對干渠運行安全產生影響。

5.2 工程對策措施

5.2.1 提高穿越段隧道設計安全等級

通過提高穿越段隧道的設計安全等級，以避免正常運行中隧道先破壞，進而影響干渠的安全運行[3-4，20]。

(1)結構加強措施

非穿越段隧道最大埋深約36 m，采用C型管片(最強配筋形式)。穿越段盾構隧道覆土厚度為26.2 m+7 m(干渠設計水深)，折合覆土厚度約30 m，可采用B型管片。考慮提高穿越段隧道結構安全系數，采用C型管片。

(2)防水加強措施

按TB10623—2014《城際鐵路設計規范》的規定，區間隧道防水等級為二級。穿越段隧道防水等級提高為一級，即不允許滲水、結構表面無濕滯。加強同步注漿及二襯注漿，采取注漿壓力與注漿量的雙控指標，以保證注漿效果。

(3)工后檢測

穿越段盾構同步注漿及二次注漿完成后，由第三方檢測單位對盾構管片進行無損檢測，對盾構施工同步注漿及二次注漿效果進行檢測。檢測范圍為穿越段及兩側各100 m。檢測結果提報各相關方分析，協商確定進一步加強處理措施。

5.2.2 設置試驗段，確定合理的盾構掘進參數

結合地質條件，在盾構推進至南水北調保護范圍前400 m設置100 m試驗段，通過試驗段和其他段落總結和優化施工參數，明確盾構機推力、推進速度、土倉壓力設定、注漿壓力、同步注漿量、二次注漿壓力與范圍等重要參數，完成設備狀態、掘進姿態的綜合評價工作，以確保下穿干渠施工順利進行。

5.2.3 干渠變形監測與控制標準

(1)第三方監測

在盾構試驗段布置監測試驗段，根據監測成果調整優化穿越段的操作工藝，完善干渠變形監測方案。穿越干渠段實施第三方監測，并制定針對性的監測方案，細化監測項目、內容、監測點布設、監測控制標準、監測頻率等內容，重點監測干渠沉降變形、滲壓等內容。根據實時監測結果，動態控制施工過程。

(2)渠道變形控制標準

結合渠道結構對變形及沉降的承受能力，取差異沉降量、最大沉降量作為控制標準[21]。盾構穿越干渠時，渠堤坡頂、坡腳最大變形差≤1 mm/m，渠底變形沉降量控制在10 mm以內，隆起量控制在5 mm以內，變形速率≤2 mm/d。

5.2.4 加強環境保護

根據一級水源、二級水源保護區的相關要求，合理布置施工場地，采用環保型的注漿材料，加強生產生活、泥漿、棄土等的處理管控，盡量減少施工期對干渠水質及環境安全的影響。

5.2.5 采取軌道減震措施

為減少鐵路運行期的振動對干渠基礎的影響，在穿渠段及兩側各外延100 m隧道內，采用CRTSⅠ型雙塊式減震型無砟軌道。

6 結論

本文對新鄭機場至鄭州南站城際鐵路與干渠交叉建設方案、工法選擇、盾構掘進對干渠沉降影響進行了研究，分析了盾構下穿干渠的風險，提出了切實可行的工程對策措施，可降低風險，確保隧道施工及干渠運行安全。

(1)鐵路與南水北調工程交叉方案比選時，需綜合考慮交叉處渠道結構形式、地質條件、實施難度與風險、對沿線現況與規劃的影響、施工工期、工程投資、后期運營等因素，合理確定建設方案。

(2)鐵路下穿干渠時，應結合南水北調工程管理方的要求，統籌考慮地質條件、施工安全性、施工進度質量、施工工期、工程投資、風險可控性等多方面因素，選擇適宜的工法。

(3)基于干渠的重要性，結合工程實踐和數值模擬分析計算，提出了盾構以渠底埋深2D(D為盾構直徑)下穿干渠的沉降變形控制標準，即渠道坡頂坡腳最大變形差≤1 mm/m，渠道位移(+10～-5) mm、變形速率≤2 mm/d，以確保隧道施工及干渠結構安全。

(4)為降低隧道下穿干渠風險，須采取切實可行的工程對策措施，如提高穿越段隧道設計安全等級、設置盾構試驗段、實施第三方監測、制定干渠變形控制標準、加強環境保護、采取軌道減震措施等，以確保鐵路隧道施工期及運營期干渠的安全運行。