新八達嶺隧道下穿青龍橋車站變形控制技術

王建功，卓 越，劉建友

(1.京張城際鐵路有限公司,北京 100070；2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

引言

隨著我國高速鐵路路網的逐漸形成，今后必然會出現大量穿越既有鐵路的交通工程，由于老京張鐵路的特殊性，新建京張高速鐵路與既有老京張鐵路交叉跨越時，應優先選擇新建高速鐵路下穿既有老京張鐵路方案，而控制路基沉降是下穿老京張鐵路的關鍵技術問題之一。京張高鐵新八達嶺隧道下穿施工時，不可避免地引起地層應力狀態的改變，從而對既有青龍橋車站產生影響。研究新八達嶺隧道下穿老京張鐵路路基沉降控制技術，對確保老京張鐵路運營安全、滿足工程建設需求具有重要的理論和實踐意義。

國內外一些學者對新建隧道穿越既有車站進行了相應的研究。陳彬科[1]運用Midas GTS有限元分析軟件，研究了新建地鐵下穿既有軌道車站沉降控制，結果表明，CRD法比上下臺階法在控制沉降變形方面更有優勢。李文峰等[2]以蘇州擬建8號線地鐵隧道下穿既有1號線華池街站和地下連續墻圍護結構為例，提出采用水平人工冷凍加固洞門附近土體，采用極限平衡理論推導了洞門土體穩定性的計算公式，分析了土體穩定性的影響因素，結果表明，加固后的土體穩定性系數更高。杜江濤等[3]基于蘇州地鐵某新建線路下穿既有車站工程，采用數值分析軟件對下穿施工方案風險進行研究并分析了下穿施工對既有結構變形的影響，結果表明，采用凍結法加固能有效降低隧道開挖風險并降低隧道施工對既有結構的影響。朱春杰[4]研究了新建隧道分別采用北京市地區比較常用的3種礦山法下穿施工對既有車站暗挖段結構豎向變形的影響，結果表明，CRD法在控制既有結構沉降方面效果最好。李磊[5]通過理論分析、數值模擬以及現場監測實驗，對既有隧道車站影響下新建隧道開挖引起的地表沉降進行了分析，發現既有隧道剛度和施工支護情況對地表沉降有較大影響。謝彤彤[6]以北京地鐵15號線大直徑盾構下穿既有13號線望京西站站房工程為研究對象，通過使用有限元分析軟件，對盾構穿越帶來的既有車站結構和軌道結構的影響和變形規律進行研究，結果表明，正常施工情況下，采用嚴格的監測和軌道防護措施能夠保證既有地鐵的安全運營。王子甲[7]以南水北調北京段西四環暗涵下穿北京地鐵1號線五棵松車站為研究對象，對雙線淺埋暗挖法小凈距暗涵穿越地下車站的影響進行了研究，結果表明，車站正下方土體開挖時引起既有車站結構沉降的主要原因，采取大范圍注漿加固是控制車站結構沉降的主要措施。宋文杰等[8]依托北京新建地鐵7號線下穿既有地鐵10號線雙井站的實際工程背景，根據實際工程參數對下穿隧道模型進行簡化，并應用有限差分軟件FLAC3D對既有車站結構在新建穿越隧道開挖下的力學性能進行研究與分析，結果表明，既有車站與新建穿越隧道間隔土層5 m時車站結構的監測點的沉降值最小且此時車站結構與周圍土體的沉降差值也較小。高玄濤[9]以成都地鐵某換乘站后建車站基坑開挖及區間近距離下穿既有地鐵車站工程為背景，采用三維有限元方法分析研究后建車站基坑開挖及區間下穿對既有車站的疊加影響效應，研究發現后建車站支撐結構采用剛度較大的混凝土支撐，能有效控制既有車站的水平變形。房居旺[10]以杭州地鐵7號線建設三路站—耕文路站區間盾構下穿2號線既有建設三路站為背景，采用數值模擬研究分析既有車站結構和盾構隧道的變形趨勢及最大沉降區域的分布概況，提出盾構隧道下穿既有車站控制措施。龍喜安[11]以佛山市城市軌道交通三號線大墩站—東平站區間下穿廣佛城際鐵路東平新城站為背景，采用Midas GTS NX分析既有車站地下連續墻的變形，計算結果表明隧道下穿過程中，地下連續墻變形均小于30 mm，與監測數據接近。張社榮等[12]通過數值模擬手段對新建隧道下穿既有營運車站的施工方案進行比選，確定雙線先后開挖方案為最優方案，并結合實際監測結果，驗證了當前施工方案的適用性。王明均等[13]基于有限差分法計算程序FLAC3D模擬既有地鐵車站下穿隧道三臺階法、CRD法、側壁導洞法不同施工開挖過程對上部既有地鐵車站影響研究，研究表明下穿段隧道采用側壁導洞施工方法，對上部已有地鐵車站隧道結構變形起到較好的控制效果。宋南濤[14]以深圳市軌道交通11號線下穿既有5號線寶華站工程為實例，通過理論分析、數值計算及現場監測，證明了在復合地層中采用“礦山法初支+盾構拼管片”工法的合理性。李本[15]以石家莊地鐵6號線區間盾構隧道下穿3號線槐安橋換乘車站為實際工程背景，采用FLAC3D軟件對地鐵區間隧道下穿既有地鐵車站變形機理進行了數值模擬計算，提出底板加厚、周邊加固、板凳樁加固和樁+袖閥管注漿加固這四種控制變形技術措施方案。

以上研究多是針對小斷面的新建地鐵隧道對既有結構或線路的影響，而新建高鐵大斷面隧道下穿施工對既有車站的影響分析鮮有論述。以京張高鐵新八達嶺隧道下穿老京張鐵路青龍橋車站為背景，通過三維數值模擬方法研究新建隧道近距離下穿青龍橋車站施工對既有車站地表變形的影響，并提出相應的控制技術，為類似的工程提供借鑒。

1 工程概況

新八達嶺隧道DK66+380～DK66+460段下穿既有京張鐵路青龍橋車站站場，其中DK66+400～DK66+440段洞頂覆土5.3 m。隧道下穿站場段3條既有站線，其中站線Ⅰ正在運營，平均每天接發4趟列車，站線Ⅱ和站線Ⅲ未運營。

洞身段主要穿越強-弱風化斑狀二長花崗巖、巖脈以及巖性接觸帶。斑狀二長花崗巖巖質堅硬，塊狀結構，主要發育3～4組節理，巖體總體上較完整-較破碎，但巖脈接觸帶、局部節理密集帶、差異風化帶、蝕變帶和DK66+380～DK66+460斷層破碎帶以及影響帶的巖體破碎，施工時應注意塌方冒頂。新八達嶺隧道洞身段縱斷面見圖1。

圖1 新八達嶺隧道洞身段縱斷面

2 變形預測

2.1 計算參數

根據勘察資料，下穿既有京張鐵路段，洞身圍巖為全～強風化斑狀二長花崗巖，為Ⅴ級圍巖。隧道洞頂距離路基的覆蓋層厚度為5.3 m，表層為人工填土，其下至隧道洞身均為全～強風化斑狀二長花崗巖，既有京張鐵路軌底以下為碎石道床，表1給出了各種地層材料的計算參數。

表1 各材料計算參數

2.2 計算荷載的施加

模型計算荷載主要包括巖土體自重和既有京張鐵路的列車荷載。列車荷載采用靜載等效法計算，根據TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》，一級重型鐵路列車和軌道荷載換算土柱高度及分布寬度[16]分別為3.0 m和3.7 m(土柱容重按20 kN/m3計)。

2.3 本構模型

(1)單元類型

計算過程采用巖土與隧道有限元分析軟件MIDAS GTS NX進行，計算時假定圍巖為連續介質，圍巖采用實體單元模擬，既有京張鐵路路基、新八達嶺隧道結構等采用板單元模擬。

(2)邊界條件

本計算在模型底部施加豎向固定位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面。

(3)破壞準則

圍巖在開挖過程中考慮其塑性變形，采用Mohr-Coulomb準則，而既有京張鐵路路基、新八達嶺隧道結構采用線彈性本構關系。

2.4 計算工況

新八達嶺隧道采用三臺階法施工[17]，如圖2所示。根據隧道實際施工情況，分4種工況分別模擬隧道的施工過程。

(1)工況1：新八達嶺隧道開挖前的初始工況。指新八達嶺隧道開挖施工前既有京張鐵路軌道、路基及周圍巖土層在自重作用下的初始狀態。

(2)工況2：隧道開挖①部，并施做拱頂初期支護和臨時仰拱。

(3)工況3：隧道開挖②部，并施做兩側邊墻初期支護和臨時仰拱。

(4)工況4：隧道開挖③部，并施做仰拱。

圖2 隧道施工工法示意(單位：mm)

2.5 計算結果與分析

隧道全部開挖完成后的圍巖變形云圖、剖面和鐵路路基沉降變形如圖3～圖5所示。可以看出：隧道開挖完成后，最大沉降變形發生在拱頂，為79.699 mm，既有鐵路路基沉降變形最大為16.017 mm。

圖3 隧道全部開挖完成后圍巖變形云圖

圖4 隧道全部開挖完成后圍巖變形剖面

圖5 隧道全部開挖完成后鐵路路基沉降變形

通過建立地層-結構模型，利用MIDAS GTS NX軟件模擬新八達嶺隧道下穿既有京張鐵路段開挖過程，分析隧道開挖對既有京張鐵路的影響，計算了新八達嶺隧道施工過程共計4種工況下圍巖及既有京張鐵路路基的變形，各工況變形計算結果如表2所示。

表2 各工況圍巖及鐵路路基沉降變形

圖6給出了隧道全部開挖完成后既有鐵路路基沉降變形的理論值與實測值的對比。圖中橫軸為鐵路路基走向，其中隧道開挖范圍為159.1～173.9 m，開挖跨度為14.8 m，中心位置為166.5 m。

圖6 隧道全部開挖完成后鐵路路基沉降曲線

根據計算結果得到主要結論如下。

(1)理論值與實測值相比偏小，數值模擬計算得到的路基累計最大沉降量為16.017 mm，實測值最大為47.24 mm。隧道施工過程中，數值模擬得到的開挖1部、2部和3部引起的路基最大沉降分別為15.047，15.690 mm和16.017 mm。造成這一結果的原因是實際開挖進尺過大，注漿參數與設計不符。

(2)根據鐵路路基沉降曲線，隧道開挖引起的路基沉降范圍為隧道軸線兩側各約17 m，路基最大沉降位于隧道拱頂上方。

(3)根據《鐵路線路修理規則》中對線路幾何形變控制要求，取軌道的沉降控制值為5 mm，路基單日沉降控制值為5 mm/d，路基累計沉降變形控制值為30 mm。將控制值的80%作為報警值，70%作為預警值[18]，具體監控量測控制指標建議如表3所示。

表3 本工程路基控制指標建議值

(4)實測隧道開挖引起的路基累計最大沉降為47.24 mm，超過路基累計沉降控制值30 mm。因此，在隧道施工過程中，應通過控制循環進尺和施工速度來控制路基的沉降，并根據路基的沉降監測結果，及時補充道砟，恢復軌道沉降變形，從而控制軌道的沉降，確保軌道沉降變形滿足其平順性要求。

綜上所述，新八達嶺隧道施工過程會引起圍巖和既有京張鐵路路基發生變形，但通過控制開挖循環進尺長度和施工速度，并及時補充道砟，隧道開挖引起的路基累計沉降和軌道沉降變形能夠滿足相關規范的控制標準。

3 加固措施

3.1 洞內措施

(1)超前長管棚施工

正洞DK66+380～DK66+460段Ⅴ級圍巖采用φ159 mm超前長管棚支護，設置范圍拱部140°，管棚每環長度15 m，搭接3 m，外插角不大于12°，環向間距40 cm，全環45根，如圖7所示。管棚為φ159 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管，連接套管采用φ180 mm、壁厚6 mm熱軋無縫鋼管。

圖7 正洞長管棚橫斷面設計(單位：mm)

平導2XPDDK0+475～2XPDDK0+520段V級圍巖采用φ108 mm長管棚超前支護，設置范圍拱部120°，管棚每環長度10 m，搭接3 m，外插角不大于12°，環向間距40 cm，全環20根，如圖8所示。管棚為φ108 mm、壁厚6 mm的熱扎無縫鋼管，連接套管采用φ114 mm、壁厚6 mm熱軋無縫鋼管。

圖8 平導長管棚橫斷面設計示意(單位：mm)

管棚下穿站線時只設置1處搭接，且搭接位置位于未運營的站線Ⅱ下方，站線Ⅰ和站線Ⅲ下方不設置搭接，如圖9所示。

圖9 站線范圍內管棚搭接示意(單位：mm)

當采用超前長管棚施工時，由于管棚的超前預支護作用，可有效減少路基沉降與拱頂沉降；同時，由于管棚與圍巖之間的黏結力，能夠提高圍巖的力學參數，增大地層自穩能力。

(2)管棚詳細參數

①鋼管規格：長管棚采用φ108 mm和φ159 mm、壁厚6 mm的熱扎無縫鋼管，單節長4～6 m，兩端車絲20 cm，連接成單根長10 m和15 m的管棚。φ159 mm管棚套管采用φ180 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管，套管絲扣長度40 cm；φ108 mm管棚套管采用φ114 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管，套管絲扣長度40 cm。長管棚連接在同一斷面內接頭數量不得超過總鋼管數的50%。

②長管棚從左至右進行編號，奇數號采用鋼花管，偶數號采用鋼管，施工時先打設鋼花管并注漿，打設鋼管的同時檢查鋼花管的注漿質量。

③鋼花管上鉆注漿孔，孔徑10～16 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止漿段150 cm。

④管棚環向間距中至中40 cm，鋼管軸線與襯砌外緣夾角不大于12°，如圖10所示，設在拱部100°范圍內。管棚施工誤差徑向不大于20 cm，環向不大于10 cm。

圖10 洞身超前長管棚縱斷面設計(單位：m)

⑤長管棚注漿采用水泥漿液，水泥漿水灰比1∶1，注漿壓力控制為0.5～2.0 MPa，注漿前進行現場注漿實驗，根據實際情況調整注漿參數，取得管棚注漿經驗，注漿結束后，所有鋼管用M10水泥漿液填充，提高管棚剛度。

3.2 洞外措施

(1)地表注漿加固

隧道下穿青龍橋車站站場地表采用垂直袖閥管注漿加固[19-20]，地表垂直袖閥管注漿采用剛性袖閥管及塑性袖閥管，后退式注漿工藝。

正洞地表垂直剛性袖閥管(孔深15 m)施做范圍為隧道兩側開挖輪廓線外4 m注漿加固，塑性袖閥管(孔深10 m)施做范圍為正洞內及拱頂注漿加固；注漿加固范圍為正洞外兩側拱頂下9 m、開挖輪廓線外4 m、正洞內加固至拱頂以下4 m，軌面以下2 m不注漿、加固長度22.56 m，加固寬度為軌道范圍11.1 m，兩側站臺不注漿。

平導地表垂直剛性袖閥管(孔深15.8 m)施做范圍為平導兩側開挖輪廓線外4 m注漿加固，塑性袖閥管(孔深15.8 m)施做范圍為平導內及拱頂注漿加固；注漿加固范圍為平導拱頂下4 m、開挖輪廓線外4 m，軌面以下6.8 m不注漿、加固長度14.94 m，加固寬度為軌道范圍11.1 m，兩側站臺不注漿。

根據現場踏勘，Ⅰ線與Ⅱ線之間埋設有電纜線路，注漿施工前挖開表層明確線路走向再用沙袋回填保護，并做好標記，防止注漿過程中破壞電纜。

地表孔位布置按照1.5 m×1.5 m梅花形布置，沿既有線路方向鉆設7排孔，正洞每排15個，共計105個，如圖11所示；平導每排10個，共計70個，如圖12所示。軌道中線設置1排注漿孔。鉆孔孔徑為φ125 mm，剛性袖閥管采用φ50 mm無縫鋼管加工，塑性袖閥管為φ50 mm PVC材質，正洞和平導地表垂直袖閥管注漿示意如圖13、圖14所示。

圖11 正洞地表垂直袖閥管注漿孔位布置(單位：mm)

圖12 平導地表垂直袖閥管注漿孔位布置(單位：mm)

圖13 正洞地表垂直袖閥管注漿(單位：mm)

圖14 平導地表垂直袖閥管注漿(單位：mm)

地表注漿分段長度1.0 m，施工中可根據地質條件進行調整；注漿順序按發散-約束型注漿原理進行，由外向內、先周邊、再中間跳孔作業方式。采用袖閥管注漿能夠提高土體的承載力，改善地層結構，是控制路基沉降的有效途徑[21]。

(2)扣軌加固

新八達嶺隧道下穿青龍橋車站段采用3-5-3扣軌加固既有軌道線路，需確保下穿施工時既有線運營安全。隧道下穿3條站線(圖15)，根據隧道下穿倒邊施工方案以及現場踏勘及調查，需對站線Ⅰ和站線Ⅱ進行加固。

圖15 青龍橋站線現場

扣軌施工必須在鐵路管理相關部門的同意及配合下進行，線路加固作業均應在慢行時間內進行。加固段軌枕全部應換成長木枕，并在軌底增設墊板，以加固軌面。設計限速為45 km/h，加固范圍為75 m，如圖16所示。

圖16 線路加固平面示意(單位：m)

扣軌、枕木聯結設計見圖17。組裝形式按3-5-3扣設吊軌，鋼軌接頭需錯開1 m以上，兩端伸出隧道拱墻以外不小于1.5倍隧道高，且伸出路基穩定邊坡以外不小于5 m。吊軌與其下的枕木用φ22 mm、U形螺栓聯結在一起，鋼軌為50 kg/m軌。

圖17 扣軌、枕木聯結設計(單位：mm)

采用對既有線進行扣軌加固，能夠提高軌道整體穩定性和抗差異沉降能力[22]，從而保證青龍橋車站既有線路的運營安全。

4 結論和建議

依托京張高鐵新八達嶺隧道下穿既有京張鐵路青龍橋車站工程，通過數值模擬軟件，模擬了新建隧道施工的全過程，根據研究結果得出以下結論。

(1)隧道全部開挖完成后，循環開挖引起的鐵路路基累計沉降變形為16.017 mm。

(2)根據鐵路路基沉降曲線圖，隧道開挖引起的路基沉降范圍為隧道軸線兩側各約17 m，路基最大沉降位于隧道拱頂上方。

(3)在隧道施工過程中，可通過控制循環進尺和施工速度來控制路基的累計沉降，并根據路基的沉降監測結果，及時補充道砟，恢復軌道沉降變形，從而控制軌道的沉降，確保軌道沉降變形滿足其平順性要求。

(4)新八達嶺隧道下穿施工時，為保證既有青龍橋車站站場線路的運營安全、減少路基的累計沉降，提出了洞內φ159 mm超前大管棚注漿加固、洞外地表垂直袖閥管注漿加固和3-5-3扣軌加固的變形控制技術，能為其他類似的下穿工程控制沉降變形提供經驗與借鑒。