遠期延長線穿越既有線的預留路徑選擇與數值模擬

梁 健

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，山西 太原 030013)

0 前 言

近年來，隨著城市化進程的加快，城市軌道交通快速發展，結合國內各城市軌道交通規劃布局及建設情況，城市軌道交通穿越既有鐵路線路或運營城市軌道交通既有線的工程不斷涌現。本工程遠期延長線實施時將同時下穿既有鐵路線路與屆時已建成的城市軌道交通隧道，情況較為少見。城市軌道交通區間隧道多以盾構法施工，盾構機在開挖掘進過程中會破壞原有的土體結構，進而引起地面及周邊建構筑物變形沉降。為保證遠期工程實施的可靠銜接，必須將遠期工程實施對已建成線路的影響進行分析預測，進而決定合理可行的預留實施方案，并為后續相關設計提供參考。

1 工程概況

1.1 出入場線及遠期西延線概況

西山停車場出入場線區間位于太原市萬柏林區西山礦務局片區，為太原城市軌道交通1號線一期工程；根據太原城市發展需求，太原城市軌道交通1號線預留西延條件，西山礦務局站為一期工程起點站。

出入場線采用盾構法施工。區間由西山礦務局站西端始發，沿西礦街下穿玉門溝線鐵路后以半徑為400 m的平面曲線折向南，下穿虎峪河后進入丘陵區域，再以半徑為300 m的平面曲線折向東接入西山停車場。

西延線擬采用盾構法施工，西山礦務局站預留盾構接收條件。西延線右線由西山礦務局站引出后，先下穿玉門溝線鐵路，再穿越出入場線進而轉向南，下穿虎峪河后向南延伸至遠期生態園站；西延線左線沿出入場線北側平行敷設，向西穿越玉門溝線鐵路后轉向南，下穿虎峪河后向南延伸至遠期生態園站。

盾構隧道管片內徑5 500 mm，外徑6 200 mm，厚度為350 mm，環寬為1 200 mm。圖1為區間隧道穿越玉門溝線鐵路平面圖。

圖1 區間隧道穿越玉門溝線鐵路平面圖

1.2 玉門溝線鐵路概況

玉門溝線鐵路為西山煤電集團白家莊礦和官地礦的運煤通道，始建于1936年，鐵路等級為Ⅲ級，為時速40 km/h單線有碴非電氣化貨運鐵路，最小曲線半徑為150 m，線路最大縱坡25‰，采用50 kg/m～25 m標準軌及鋼筋混凝土軌枕。地鐵區間穿越段為路基段，路基高度為4 m，道床頂寬為2.9 m，道砟厚度0.35 m。地鐵出入場線區間與鐵路線路的交叉角度約為63°,西延線區間與鐵路線路的交叉角度約為75°。

2 工程地質及水文地質概況

2.1 工程地質

工程場區地貌單元為西山山前傾斜波狀沖洪積平原。經勘察揭示，穿越鐵路段地表多為第四紀人工填土，其下為第四紀全新統沖洪積層、第四系上更新統沖洪積層、二疊系基巖。根據土層性質及沉積規律，穿越段地層自上到下主要為：1-2素填土、2-2-12黏質粉土、2-9-3碎石土、3-2-2粉質黏土、3-9-3碎石土。

2.2 水文地質

2.2.1 地表水

區間從虎峪河穿過，下穿段河流寬度約2.1～4.9 m，河水深度約1.0～2.0 m。

2.2.2 地下水

擬建場地位于太原斷陷盆地內，地下水主要為松散層孔隙潛水，主要賦存于淺部的砂土、碎石土層中，水位埋深大，透水性好，水量相對不大。穿越段水位埋深約為地下25 m。

3 鐵路線路及出入場線沉降控制要求

3.1 既有鐵路沉降控制要求

玉門溝線鐵路等級為Ⅲ級，為單線非電氣化有砟貨運鐵路。參照2019版《普速鐵路線路修理規則》(TG/GW102-2019)表6.2.1-1及《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB50911-2013)中第9.3.6條，結合國內諸多成功穿越同等級鐵路的相關工程經驗，對區間下穿既有玉門溝線鐵路軌道及路基沉降做如下要求：①鐵路路基沉降不大于20 mm；②軌面沉降不得超過12 mm；③相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過6 mm；④相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過6 mm。

3.2 既有出入場線盾構隧道沉降控制要求

參照《地鐵設計規范》(GB5017-2013)、《城市軌道交通結構安全保護技術規程》(CJJ/T202-2013)附錄B及《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB50911-2013)中第9.3.5條，出入場線按照運營線路考慮，保護等級為一級。盾構隧道及軌道變形控制具體要求如下：①結構豎向位移沉降值：10 mm，上浮5 mm；②結構水平位移控制值：10 mm，結構收斂值5 mm；③道床左右差異沉降控制值：4 mm；④道床縱向差異沉降控制值：4 mm。

4 數值模擬計算及分析

4.1 計算原則及方法

西延線右線近似同時穿越出入場線及玉門溝線鐵路，故本次計算重點分析西延線右線掘進對屆時已建成的出入場線與既有玉門溝線鐵路的影響。西延線盾構穿越出入場線區間過程中僅考慮其正常使用工況。結合場地條件及線路方案，分別按照西延線盾構從出入場線下方穿越和從出入場線上方穿越兩個方案進行計算，兩方案西延線盾構隧道距離屆時已建成的出入場線盾構隧道結構最小凈距均為6 m。

采用MIDAS/GTS-NX軟件建立三維空間實體模型進行數值模擬。計算模型中，土體采用修正摩爾-庫倫彈塑性本構模型；盾構管片、盾殼采用板單元，彈性模型；同步注漿采用等代層考慮，采用板單元，彈性模型；二次注漿通過提高土體參數，采用修正摩爾-庫倫彈塑性本構模型模擬。

4.2 模型概述

為消除計算邊界效應的影響，考慮到施工過程中的空間效應，計算模型取其有效影響范圍，盾構結構外邊緣至模型邊界均大于5倍的盾構外徑，兩方案模型尺寸均取為240 m(長)×140 m(寬)×50 m(高)。模型頂面設為自由邊界，底面采用豎向約束，其他面均采用法向約束。模型見圖2～3，為簡化計算，西延線掘進按照4 m(約三環)為一個施工步考慮。

圖2 西延線盾構從出入場線下方穿越 圖3 西延線盾構從出入場線上方穿越

4.3 計算假定

為便于分析計算，在計算模型中做如下假定：①所有土層為各向同性均質，且簡化各土層使其呈均勻的水平層狀分布；②不考慮結構與周圍土體的相對滑移及脫離；③初始應力僅考慮自重應力場，不考慮構造應力場，土層在自重作用下達到平衡后進行隧道的施工；④不考慮隧道開挖的時間效應。

4.4 主要的計算參數(見表1)

表1 主要計算參數表

4.5 計算結果及分析

4.5.1 西延線盾構從出入場線下方穿越方案計算結果

經計算，地表、玉門溝線鐵路路基、出入場線盾構隧道主要變形特征均為豎向沉降，且最大沉降位置均位于西延線盾構隧道正上方。其中，地表最大沉降值為3.99 mm，既有玉門溝線鐵路路基最大沉降值為3.98 mm，西延線盾構沿線兩側約85 m范圍內玉門溝線鐵路路基沉降值均大于2 mm；出場線盾構隧道最大沉降值為4.27 mm，入場線盾構隧道最大沉降值為4.21 mm，西延線盾構沿線兩側約150 m范圍內既有隧道結構沉降值均大于2 mm。

本方案既有鐵路及軌道交通隧道結構變形值均在允許范圍內，等值云圖見圖4。

圖4 下方穿越方案豎向變形等值云圖

4.5.2 西延線盾構從出入場線上方穿越方案計算結果

經計算，地表、玉門溝線鐵路路基主要變形特征均為豎向沉降，出入場線盾構隧道主要變形特征為豎向隆起，最大變形位置均位于西延線盾構隧道正上方或正下方。其中，地表最大沉降值為1.49 mm，既有玉門溝線鐵路路基最大沉降值為1.53 mm，西延線盾構沿線兩側約16 m范圍內玉門溝線鐵路路基沉降值均大于1 mm；出場線盾構隧道最大隆起量為1.26 mm，入場線盾構隧道最大隆起量為1.23 mm，西延線盾構沿線兩側約20 m范圍內既有隧道結構隆起量均大于1 mm。

本方案既有鐵路及軌道交通隧道結構變形值均在允許范圍內，等值云圖見圖5。圖6為玉門溝線鐵路路基豎向位移曲線圖，圖7為出場盾構隧道豎向位移曲線圖，圖8為入場線盾構隧道豎向位移曲線圖。

圖5 上方穿越方案豎向變形等值云圖

圖6 玉門溝線鐵路路基豎向位移曲線圖

圖7 出場線盾構隧道豎向位移曲線圖

圖8 入場線盾構隧道豎向位移曲線圖

4.5.3 兩方案對比分析

兩方案西延線掘進依次穿越已建入場線、出場線及既有玉門溝線鐵路。通過繪制兩方案不同施工步結果對比圖示，遠期西延線不論在出入場線上方或者下方穿越，對玉門溝線鐵路主要影響均為豎向沉降，且在出入場線下方穿越方案對路基造成影響相對較大。西延線在出入場線下方掘進穿越，出入場線盾構隧道結構會產生沉降；遠期西延線在出入場線上方掘進穿越，出入場線盾構隧道結構會因卸載而隆起；兩方案均對既有隧道結構有一定的影響，但論及影響范圍及位移相對值，西延線在出入場線下方穿越時造成影響相對較大。

綜合考慮，遠期西延線在出入場線下方穿越影響相對較大，但兩方案變形絕對值均在相關規定的允許范圍內。預留方案應結合場地條件、區間縱向坡度確定、聯絡通道設置、工程籌劃、工程投資等因素進一步確定。若不考慮其他因素，僅以減小對既有線的影響為目的，應優先采用西延線從出入場線上方穿越的方案。

5 結論與建議

1)根據計算結果，遠期西延線應優先考慮從出入場線隧道上方穿越，以減小對既有線路的影響，但考慮兩方案對既有線的影響均可控，方案均具有可行性，故需進一步分析論證方案對線路方案、區間布置、施工風險、工程投資等的影響。本次設計西延線若從出入場線上方穿越，西延線及出入場線沿線路縱向均需增設置反向坡，出入場線需增設聯絡通道及泵房，且減小了西延線盾構穿越虎峪河段覆土，施工風險及投資增大，綜合考慮本工程設計預留了西延線從出入場線下方穿越條件。

2)盾構穿越土層主要為碎石土，地質條件較好，且場地受限，根據計算結果建議不采取地面加固措施。下階段設計應進一步優化線路縱向坡度，增加近遠期盾構間凈距以減小遠期西延線盾構掘進施工對既有線的影響。

3)遠期西延線穿越時對既有鐵路線及已建成出入場線結構影響可控，但此需要建立在盾構正常掘進的情況下，故施工期間必須控制好盾構姿態，加強信息化、自動化監測，并通過監測數據及時優化掘進參數。

4)建議遠期西延線施工前進行數值模擬，進一步分析推進速度、推進力、注漿等對盾構施工的影響，論證得到最優的掘進參數，進一步減小對既有線的影響。

5)隨著國民經濟的增長，工程項目建設進程加快，類似交叉穿越的工程日益增多，此類工程應結合數值模擬分析，確定合理的設計方案和施工方法、工序，以降低施工風險。

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