北京地區小凈距隧道下穿高速鐵路路基段的施工影響*

高利琴 易領兵 呂兆龍 鄭力銘 權 威 聶善軍 胡 楠 劉勝歡

(1.河南水利與環境職業學院水利工程系, 450008, 鄭州; 2.中國交通建設股份有限公司， 100088, 北京;3.鄭州一建集團有限公司， 450099, 鄭州;4.中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 100088, 北京;5.中國建筑第八工程局有限公司, 200122, 上海∥第一作者, 講師)

目前，小凈距暗挖隧道施工對鄰近既有盾構隧道、房屋、市政管線、普速鐵路等設施影響的研究較多[1-10]。由于小凈距暗挖區間隧道下穿高速鐵路的情況較少出現，故小凈距暗挖隧道施工對高速鐵路影響的研究極少。

本文以某下穿既有高速鐵路路基段的新建小凈距暗挖區間工程為背景，用Madis/GTS有限元軟件對施工過程進行了模擬分析，研究施工過程中既有高速鐵路的路基位移變化特征，收集相關的實際監測數據，用于總結位移變化規律，并驗證有限元模擬計算的可行性。

1 工程概況

本研究選取北京地鐵昌平線南延伸段(以下稱為“昌南線”)清河站北側區間(以下稱為“清河北區間”)作為研究對象。清河北區間長1 070.2 m，設計里程為K31+499.797—K32+569.997。清河北區間有多種結構形式，從小里程段起依次為：高架段，長203.4 m；路基段，長130.3 m；U型槽明挖段，長211.9 m；地下明挖框架段，長129.6 m；地下暗挖段，長250 m；合槽明挖框架段，長145 m。

清河北區間的地下暗挖段下穿京張高鐵(北京—張家口高速鐵路)，二者位置關系圖如圖1所示。清河北區間采取了初期支護加強措施，且左右線初期支護凈距為903～1 145 mm。下穿處的京張高鐵里程為K24+120附近。

清河北區間穿越段為平直段，總長72 m，對應里程為 K32+303.000—K32+375.000。下穿范圍的場地地下水位埋深為27.0 m。暗挖二次襯砌結構底板埋深約為17.0 m，未進入地下水范圍。

北京地鐵19號線支線清河站兩側區間為預留，與昌南線工程同期實施，建成后可與昌南線及北京既有地鐵M13號線在清河站換乘。工程位置關系如圖1所示。

a) 平面圖

b) 剖面圖圖1 下穿高鐵路基工程位置關系圖

清河北區間下穿處的京張高鐵為路基段。路基基床厚度為1.2 m。其中,基床表層為厚0.6 m的級配碎石，中粗砂層厚0.1 m，基床底層厚0.5 m。京張高鐵地處嚴寒地區，凍結影響范圍填料應符合防凍脹要求。基床填料及壓實的標準要求見表1。

路基基床以下部位填料最大粒徑不宜大于300 mm或攤鋪厚度的2/3。填料及壓實標準見表2。

2 有限元計算模型的模擬計算

2.1 有限元計算模型的建立

根據相關資料，采用Midas/GTS有限元分析軟件建立三維空間施工模型，并對不同施工工況進行模擬計算。計算初始條件為新建工程尚未施工，且既有高鐵路基處于變形穩定狀態。

表1 路基基床厚度、填料及壓實的標準要求

表2 路基基床以下部位填料及壓實標準表

基于施工過程中的空間效應，對新建清河北區間地下暗挖段地層和既有的京張高鐵路基結構進行實體建模，如圖2所示。

圖2 清河北區間下穿京張高鐵的三維地層-結構模型圖

為確保三維模型有足夠的計算精度并盡量減少收斂時間，本次計算對模型范圍作如下限定：沿長度方向取700 m，寬度方向取150 m,垂直方向上從地表以下取80 m。模型中：地面超載取20 kPa，高鐵列車荷載取50 kN/m；板、墻結構采用二維板單元模擬，圍護結構采用板單元模擬，本構關系為彈性；路基段、土層采用實體單元，本構關系為摩爾庫倫(M-C)；采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面；4個側面地層邊界限制水平位移；下部邊界限制豎向位移。昌南線的結構模型如圖3所示。

圖3 昌南線清河北區間的結構模型圖

由于本工程下穿段施工步序較復雜，故本文簡化為6個主要施工步序：步序1，初始地應力平衡；步序2，昌南線暗挖段全斷面注漿；步序3，昌南暗挖段開挖；步序4，昌南線暗挖段支護；步序5，施加列車荷載；步序6，昌南線暗挖段的二次襯砌施工。為節約篇幅，僅選取有代表性的工況進行研究。工況一為昌南線暗挖區間施作完初期支護后，工況二為昌南線暗挖區間施作二次襯砌后。

土體及車站的材料參數見表3。

表3 材料參數表

2.2 計算結果分析

在工況一和工況二下，京張高鐵路基結構的水平位移和沉降計算結果如圖4—7所示。

圖4 工況一水平位移云圖

圖5 工況二水平位移云圖Fig.5 Nephogram of horizontal displacement undercondition II

圖6 工況一沉降云圖Fig.6 Nephogram of vertical settlement under workingcondition I

圖7 工況二沉降云圖Fig.7 Nephogram of vertical settlement under workingcondition II

由圖4—7可知：

1) 工況一下，高鐵路基結構水平位移最大值為0.01 mm，沉降最大值為0.28 mm；

2) 工況二下，高鐵路基結構水平位移最大值為0.01 mm，沉降最大值為1.15 mm。

3 實際監測數據

現場監測可及時提供實時數據，以便現場施工及時調整參數，保證京張高鐵線的運行安全。本文選取主測斷面位置進行分析。主測斷面的監測點布置圖如圖8所示。

圖8 主測斷面監測點布置圖Fig.8 Layout of monitoring points of main survey section

工況二下的主測斷面監測點數據見圖9。

圖9 主測斷面的監測點數據Fig.9 Monitoring point data of main survey section

由圖9可知，主測斷面的最大沉降監測值為1.05 mm。而有限元模型模擬計算結果中的最大沉降值為1.15 mm。二者基本一致，說明模型準確性較好。

4 變形控制

4.1 其他類似項目

為更加全面地反映北京地區新建小凈距暗挖隧道對既有結構沉降的影響程度，現整理5個已完工類似項目的既有結構沉降如表4。由表4可知：當采取合理的施工方法和防護措施時，可將新施工暗挖隧道對既有結構的沉降控制在合理范圍；其他類似項目的既有結構沉降最大值為4.83 mm，最小值為2.35 mm。

對比類似項目數據可知，清河北區間隧道下穿對京張高鐵路基的沉降影響是可控的。

表4 北京地區新建小凈距暗挖隧道下穿時既有結構的沉降

4.2 控制指標

根據TB 10182—2017《公路與市政管線下穿高速鐵路技術規程》，對于列車設計運行速度為200～250 km/h的線路，軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值如表5所示。

表5 200～250 km/h線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值表

從有限元模型計算結果及實際監測數據來看，新建小凈距暗挖隧道施工引起的高鐵路基結構的沉降及水平位移均較小。

基于工程實際特點、現有常規測量儀器的監測精度、運營安全要求及變形預測結果，在京張高鐵的路基及軌道預測變形值、結構驗算應力的基礎上，考慮一定的安全裕度，可確定京張高鐵的路基結構及軌道變形控制指標。為能及時采取措施控制京張高鐵的變形，本文提出將控制值的70%作為預警值，將控制值的80%作為報警值。變形控制值如表6及表7所示。

表7 結構變形速率控制值表

5 結論

1) 既有高鐵的路基水平位移及沉降均滿足控制標準。

2) 監測數值與模擬數值結果基本一致，驗證了數值計算結果的可靠性。

3) 數值計算結果顯示：清河北區間施作完初期支護后，京張高鐵路基結構水平位移最大值為0.01 mm，豎向位移最大值為0.28 mm；清河北區間施作二次襯砌后，高鐵路基結構水平位移最大值為0.01 mm，沉降最大值為1.15 mm。