綜合管廊上穿高速鐵路隧道安全性分析

陳 五 二

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著我國市政綜合管廊、交通基礎建設的加快，綜合管廊工程與地下交通工程交叉、臨近的情況越來越多，其中不乏有市政管廊上穿高速鐵路隧道的情況。由于高速鐵路軌道對沉降要求較高，就會對與高速鐵路相交綜合管廊建設提出高要求。本文結合市政管廊上穿崇禮鐵路太子城隧道，在高速鐵路隧道頂部進行大面積土方開挖和回填夯實，對高速鐵路隧道形成卸載和加載的工況，分析其引起太子城隧道沉降及結構安全的影響。

2 工程概況

張家口崇禮太舞四季滑雪小鎮市政綜合管廊上穿崇禮鐵路太子城隧道，管廊結構中線和鐵路線路夾角約為45°，如圖1所示。崇禮鐵路是為北京冬奧會崇禮賽場服務的，是時速250 km的高速鐵路，軌道為無砟軌道結構。太子城隧道與綜合管廊相交段為明洞結構，該處明洞頂覆土約7.7 m。市政綜合管廊為兩艙結構，分別為熱力艙和水信艙。市政管線中雨水管、污水管、排洪管不能進入管廊的管線采用直埋，但其基坑開挖與綜合管廊設計施工同步進行，如圖2所示。

根據地質勘查資料，綜合管廊與太子城隧道相交段地層由上至下依次為：粉質黏土、全風化二長花崗巖、強風化二長花崗巖，綜合管廊結構主要位于粉質黏土及全風化二長花崗巖中。

3 綜合管廊設計方案

綜合管廊為框架結構，管廊內凈空尺寸為(355+206)×300 cm，頂、底板及邊墻厚度為40 cm，兩艙間中墻厚度為25 cm。

綜合管廊采用明挖施工，基坑深約6 m，邊坡采用噴錨防護，主體框架混凝土結構采用現澆施工。綜合管廊基礎坐落在太子城隧道明洞拱頂回填土范圍內，為防止管廊基底承載力局部不滿足要求，產生不均勻沉降，對明洞回填土范圍內土體采用地表注漿加固。

4 施工過程數值模擬分析

4.1 數值模擬分析模型

通過有限元軟件建立數值計算模型，模擬綜合管廊施工全過程，分析新建綜合管廊施工對太子城隧道明洞結構及軌道變形的影響。

模型單元中土體為實體單元模擬，明洞結構、管廊結構及市政管線用板單元模擬。土體采用線彈性本構關系。

模型以太子城隧道方向為Y軸，垂直線路方向為X軸，豎直方向為Z軸，模型在太子城隧道方向取180 m，X軸方向取86 m，Z軸方向取40 m。根據太子城隧道和綜合管廊的相對位置關系，按隧道與基坑開挖夾角45°建模，建模如圖3所示。模型共包含95 013個單元，117 046個節點。綜合管廊、直埋管和太子城隧道空間關系見圖4。

4.2 模擬計算工況

分析計算按照以下4種工況進行：工況1是管廊結構施工前初始應力狀態。此工況太子城隧道僅受圍巖壓力作用；工況2是注漿加固管廊基地并開挖基坑。此工況模擬隧道逐步卸載過程，分析卸載對隧道結構和軌道產生的影響；工況3是施作管廊結構。此工況模擬局部加載對隧道結構及軌道產生的影響；工況4是埋設直埋管線并回填夯實土層。此工況模擬加載對隧道結構及軌道產生的影響；對土層進行夯實過程，通過施加施工超載，模擬此階段夯實填土對隧道結構及軌道產生的影響。

4.3 主要工況計算結果

通過各工況計算分析，分別得到地層應力分布圖，隧道結構X,Y,Z方向的變形，無砟軌道結構橫向和豎向的變形，本文僅列出影響安全主要的隧道結構Z向變形和軌道結構豎向變形，見圖5～圖8。

通過對綜合管廊施工開挖過程的數值模擬分析，得出各施工階段太子城隧道無砟軌道最大變形計算結果。基坑開挖至管廊底標高時(工況2)，太子城隧道受基坑開挖的影響，軌道出現隆起變形量最大值，隆起變化位置與基坑開挖位置一致，隆起變形量為1.542 mm。綜合管廊施作完成并回填夯實土層后，引起太子城隧道軌道發生沉降，為-0.236 mm回填后趨于初始狀態。

根據本工程實際特點，依據鐵路相關管理規定和技術標準，采用200 km/h<υmax≤250 km/h軌道保養管理值5 mm作為本隧道內軌道變形的控制值。施工過程中計算分析的最大隆起和沉降均小于變形控制值。

5 隧道襯砌結構驗算

綜合管廊施工全過程中對高鐵隧道而言即為卸載—加載過程，根據以上計算過程分析隧道結構受力最不利工況為工況4，即管廊施作完成后，夯實回填土過程，承載力驗算按最不利工況進行驗算。

5.1 襯砌結構計算

驗算按照平面應變，建立荷載—結構模型。明洞結構采用梁單元。荷載按工況4—夯實回填土最不利工況進行驗算。荷載按照基本組合考慮。

管廊上穿太子城隧道鐵路影響范圍內的內力計算結果如圖9所示。

5.2 結構驗算

明洞結構驗算按照現行鐵路隧道設計規范進行破損階段法安全系數計算(見表1)。

表1 二次襯砌強度檢算

通過分析可知：太子城隧道與綜合管廊相交處明洞結構內力計算和強度檢算，其抗壓強度滿足控制值。

6 結語

1)管廊基坑開挖，實際對下方的太子城隧道形成卸載，引起隧道結構及仰拱局部隆起，為隧道隆起最不利工況，軌道最大隆起值為1.542 mm，小于無砟軌道隆起的控制值。

2)管廊結構施工完成后，回填夯實，形成對隧道加載過程，為隧道沉降最不利工況，最大沉降變形為-0.236 mm，小于無砟軌道沉降的控制值。

3)管廊回填土石夯實為最不利工況，對太子城隧道明洞結構強度及裂縫進行驗算，其抗壓強度和裂縫寬度滿足控制值。

4)綜合管廊施工模擬分析結論，隧道結構在施工過程中發生隆起到下沉過程，為防止變化速率過大，建議施工嚴格遵守“分層開挖”的原則，嚴格控制每次開挖高度方法，回填時應嚴格“分層回填夯實”的原則，以降低對既有隧道的影響。