岩石地层小净距曲线隧道斜下穿高铁风险分析

张 建 国

( 中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

随着中国经济的高速发展，高铁建设越来密集，高铁连接了各个城市，但城市地铁建设不可避免的需要下穿高速铁路，由于高速铁路运行速度高，高速铁路对基础、墩台、轨道的高低不平顺等变形要求极其严格，以往地铁盾构下穿高速铁路高架桥案例较多[1], 但张明聚[2]研究的高铁桥梁基础多为桩基形式，岩石地层条件下盾构下穿明挖扩大基础高速铁路桥梁并无先例，贾大鹏等[3]，李吉林[4]和李波[5]以地铁下穿有桩基的高铁高架桥为例，研究了主动设置隔离桩对降低桥桩变形的作用。李谷阳等[6]结合北京地铁8号线下穿京津城际工程，认为对隧道上方土体进行注浆加固是控制地表沉降的有效方法。陈海丰等[7]以苏州地铁下穿沪宁城际为例，研究了在设置隔离桩基础上补充地表袖阀管分区注浆加固措施，达到了控制高铁轨道沉降1.2 mm的良好效果。杨喜等[8]结合郑州地铁下穿郑西高铁桥梁项目，研究得出隧道左右线分开各穿一桥跨能较好的拉开空间距离，净距约在2倍洞径情况下，对承台变形影响较小，仅加强洞内注浆措施能满足隧道下穿引起的桥梁沉降控制要求。而本工程桥下净空不足5 m，加之区间隧道距离铁路基础最小净距仅有2.5 m，无法施作隔离桩围护防护，中风化岩石地层饱和单轴抗压强度达40 MPa，地表袖阀管预注浆加固地层对低孔隙率条件下的中风化岩层效果甚微，且明挖扩大基础为素混凝土结构无法进行桩基拖换，这就要求超前预测盾构下穿过程铁路设施的沉降变形情况，目前国内外对盾构下穿铁路的研究方法主要有：模型实验法、实际监测法、数值分析法[9-10],运用三维有限元计算软件模拟施工过程中高铁桥梁各部位变形情况，进而做到未雨绸缪指导施工，结合施工试验段数据反馈，对下穿铁路总结出有针对性的盾构掘进控制参数。

以往采用盾构直线隧道下穿或侧穿既有建筑物的研究较多，下穿高速铁路更是要求直线段正交穿越，而隧道曲线下穿建构筑物情况较少，王国富等[11]和张建国[12]结合某市地铁小曲线隧道区间，对小曲线隧道盾构引起的地表沉降进行了分析。由于曲线下穿过程中，受力条件及结构变形规律较复杂，盾构姿态需要结合曲线半径时时动态调整，曲线条件下管片拼装精度要求更高难度更大，管片接缝易产生渗漏水，因此有必要对岩石地层小净距曲线段盾构隧道下穿高速铁路无桩基明挖扩大基础进行研究分析，为类似后续工程提供借鉴。本文结合大连地铁5号线后盐站～后关村站区间下穿丹大高铁工程，运用MIDAS GTS NX有限元软件模拟开挖全过程，重点对隧道施工过程中高铁桥梁基础、墩台、轨道沉降、倾斜规律进行预测分析，同时通过设置掘进试验段，确定盾构下穿施工参数，结合现场监测数据分析穿越高铁桥梁墩台、地表变形规律，以确保在无预注浆加固地层、无隔离桩防护条件下的安全顺利下穿。

1 工程概况

本工程为大连5号线后盐站—后关村站区间，区间全长3 347.14 m，穿越丹大铁路段盾构区间左线为直线段，右线位于半径为500 m缓和曲线和曲线段，缓和曲线长70 m，纵断面为25‰上坡。区间盾构管片内径5.5 m、外径6.2 m，厚0.35 m。

区间上覆地层自上而下依次为素填土2.5 m、中风化白云岩，盾构区间位于中风化白云岩层中，覆岩17.5 m。中风化白云岩(9-13)：岩芯呈块状、柱状，饱和单轴抗压强度标准值39.8 MPa，属较软岩-坚硬岩，岩体基本质量等级Ⅳ级，场地地下水类型为第四系松散层的孔隙水、基岩裂隙水。

本工程下穿点为丹大高铁前关特大桥(T型梁)，行车速度为200 km/h，碎石道床。区间左线距离10#桥墩扩大基础5.2 m，距离11#桥墩扩大基础6.2 m，与铁路夹角为62°；区间右线距离11#桥墩扩大基础2.9 m，距离12#桥墩扩大基础2.5 m，与铁路夹角为70°。区间隧道与丹大高铁位置关系如图1—图3所示。

图1 区间隧道与丹大高铁平面示意图

图2 地铁隧道地质纵剖面图

图3 区间隧道与丹大高铁关系剖面图

2 高速铁路变形控制要求

隧道施工引起的地表沉降和变形对高速铁路的影响程度，与地层特征、高速铁路的基础与结构型式和高速铁路与隧道的相对位置有较大关系[13-14]。地表均匀沉降对高速铁路的安全和正常使用并不会产生太大影响，而地表过量不均匀沉降将导致高速铁路基础开裂，引起高速铁路倾斜等严重危害，进而可能导致列车脱轨，因此不均匀沉降是施工控制的重点。

为加强铁路建设和管理，促进铁路事业发展，保障铁路工程运营安全与可持续发展，国家和相关行业部门颁布了一系列法律、法规和规范标准[15-16]，2018年4月1日实施的《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[17](TB 10182—2017)，对隧道下穿高速铁路做了相关要求：下穿铁路宜正交穿越；隧道位于良好地层时，隧道结构与高速铁路桥梁基桩的最小净距不宜小于1.0倍隧道宽度，不满足要求时，应采取隔离桩防护措施；有砟轨道墩台顶横向水平位移0.3 mm，纵向水平位移0.3 mm，竖向位移0.3 mm；《高速铁路砟轨道线路维修规则》[18](TG/GW 116—2013)中关于高速铁路有砟轨道线路静态几何尺寸容许偏差管理值应符合表1的规定。

表1 200 km/h～250 km/h线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

Rankin认为建筑物的风险状态与建筑当前的最大斜率和最大沉降相关，推荐采用表2对建筑物当前的状态进行评价。

表2 基于最大斜率和沉降典型值的建筑损坏风险评估

参考以上规范及相关工程的实际控制标准，本着从严控制的原则，墩台顶竖向位移、横向及纵向水平位移为0.3 mm，倾斜不应超过0.2%控制，线路轨道10 m弦测量的高低偏差应小于4 mm。

3 数值计算分析

采用MIDAS/GTS NX，通过建立土体-铁路-隧道三维数值模型，计算区间盾构隧道施工过程对既有丹大高铁桥墩、明挖扩大基础、轨道等构件的变形影响，对数值计算成果与现场监测数据进行综合对比分析，研究提出岩石地层下穿明挖扩大基础施工控制措施及铁路保护要求。

本次计算模型为避免边界效应影响，各方向尽量模型尽量加大，纵向长100 m，横向长200 m，满足两侧距离大于6倍洞径要求，高度取40 m，上部取至地表。模型顶面为自由边界，底面为竖向约束，四周为法向约束。模型中包含素填土、中风化石灰岩地层，还包括铁路桥梁、桥墩及基础、道床、铁路轨道、接触网杆、地铁区间隧道结构。地铁盾构管片采用板单元，其他均为实体单元，土体部分选用四节点三维实体单元，共计划分单元数182 814个，节点38 038个，计算模型如图4所示。

图4 数值计算模型

3.1 计算参数

土体采用摩尔-库仑模型进行弹塑性计算，实体单元模拟，土层参数根据勘察地质资料参数表选择对应数值，混凝土桥梁结构进行弹性计算，采用实体单元模拟，钢筋混凝土管片结构采用线弹性模型，材料参数见表3、表4、表5。

表3 结构单元和实体单元参数

表4 岩土计算参数

表5 结构参数

模型中除考虑结构自重外，还考虑地面列车活载。针对丹大高铁，列车荷载参照《铁路列车荷载图式》[19](TB 3466—2016)，中客货共线铁路ZKH标准活载的计算图示，如图5所示，考虑安全因素，计算时地面活荷载取20 kPa。

图5 客货共线铁路ZKH标准活载

3.2 施工过程模拟

依据隧道施工过程及特点计算分为102个施工步，土体开挖和结构施作通过激活和钝化单元实现土体开挖，开挖进尺为2 m，具体施工步定义见表6。

表6 施工步定义

4 数值计算结果分析

地铁区间左线隧道的开挖造成土体损失，引起隧道周边土体向隧道内移动，影响相邻土体应力调整，进而对高铁桥梁基础及地表产生扰动出现沉降。右线隧道开挖后，进一步引起地层移动，地表沉降范围加大，沉降值加大。

以下分别按照丹大高铁桥墩基础竖向及水平位移、墩台顶竖向横向位移、轨道竖向位移及水平位移顺序来显示计算分析结果。

4.1 桥梁明挖扩大基础、墩台、轨道竖向位移

计算分析得到各阶段高铁明挖扩大基础竖向位移云图，如图6—图8所示。

左线隧道开挖2 m，此时桥墩基础下沉最大位移值为-0.3 mm；左线隧道开挖约50 m，隧道掌子面距离丹大高铁桥梁段约10 m，此时桥墩基础下沉最大位移值为-0.32 mm；左线盾构施工完成，右线隧道开挖2 m，此时桥墩基础下沉最大位移值为-0.38 mm。

右线隧道开挖完成，桥墩基础竖向位移云图6如下，此时桥墩基础下沉最大位移值为-0.42 mm。

左右线盾构施工完成后墩台顶的最大竖向位移值为-0.50 mm(见图7)。

图6桥墩基础竖向位移云图

图7墩台顶竖向位移云图

左右线盾构施工完成后轨道下沉最大位移值为-1.20 mm(见图8)。

图8轨道竖向位移云图

(1) 桥墩基础竖向位移分析曲线。选择10#—12#桥墩基础上节点作为监测点，从图9中曲线变化趋势可以看出，左线隧道施工引起左线两侧墩基础(10#与11#墩)竖向位移明显大于12#墩基础；随着右线隧道开挖至左线和右线贯通，12#桥墩基础的竖向位移开始逐渐加大，双线贯通后其最大竖向位移-0.33 mm；位于左线和右线隧道中间的11#桥墩基础出现最大竖向位移为-0.42 mm。

图9 桥梁基础竖向位移云图

(2) 墩台顶竖向位移分析曲线。选择10#—12#桥墩墩台顶上节点作为监测点。从图10中曲线变化趋势可以看出，左线隧道施工引起左线两侧墩台顶(10#与11#墩)竖向位移明显大于12#墩台顶；随着右线隧道开挖直至左线和右线贯通，11#桥墩台顶的竖向位移开始逐渐加大，双线贯通后其最大竖向位移-0.44 mm；位于左线和右线隧道中间的11#桥墩墩台顶出现最大竖向位移为-0.50 mm。

图10 墩台顶竖向位移曲线

(3) 轨道竖向位移分析曲线。选择轨道上代表性节点，监测1节点—5节点间距10 m。从图11中曲线变化趋势可以看出，在考虑列车荷载作用情况下的隧道盾构施工引起上方轨道最大竖向位移-1.20 mm(下沉)；1#监测节点与2#监测节点(发生最大下沉竖向位移的节点)10 m范围最大竖向位移差值0.51 mm。

图11 轨道上节点竖向位移曲线

4.2 桥梁明挖扩大基础、墩台、轨道水平位移

(1) 桥墩基础水平位移分析曲线。选择10#—12#桥墩基础上节点作为监测点。从图12中曲线变化趋势可以看出，左线隧道施工时引起10#桥墩基础发生最大水平位移量为0.05 mm；右线隧道施工时引起12#桥墩基础发生最大水平位移量为0.05 mm；左、右线隧道施工时过程对11#桥墩基础水平位移的影响是先增加后减小最后趋于平衡，左线隧道施工过程10#/11#桥墩水平位移方向相反，右线隧道施工过程11#/12#桥墩水平位移方向相反，符合实际情况，整个过程位移变化量约为0.03 mm；整个施工阶段中引起桥墩基础发生最大水平位移0.05 mm，最大水平位移为10#、12#桥墩基础。

图12 桥梁基础上节点水平位移曲线

(2) 墩台顶横向位移分析曲线 。选择10#—12#桥墩墩台顶上节点作为监测点。从图13中曲线变化趋势可以看出，左线隧道施工时引起10#桥墩墩台顶发生最大横向位移量为0.03 mm；右线隧道施工时引起12#桥墩墩台顶发生最大横向位移量为0.03 mm；左、右线隧道施工时过程对11#桥墩墩台顶横向位移的影响是先增加后减小又增加最后趋于平衡，整个过程横向位移变化量约为0.03 mm；整个施工阶段中引起桥墩墩台顶发生最大横向位移0.03 mm。

图13 墩台顶横向位移曲线

(3) 轨道水平位移分析曲线。选择轨道上代表性节点，1节点—5节点间距10 m。从图14中曲线变化趋势可以看出，左、右线隧道施工期间最大水平位移0.09 mm，10 m范围最大水平位移差值0.08 mm。

经数值计算得到在未采取袖阀管预注浆加固土体及隔离桩防护条件下盾构施工引起丹大高铁桥墩基础最大沉降值为-0.42 mm，相邻墩基础最终沉降差最大发生在11#墩与12#墩之间，沉降差值0.10 mm；墩台最大竖向位移0.5 mm，最大水平位移0.03 mm；轨道竖向最大位移值为-1.20 mm，水平最大位移值为0.09 mm，10 m弦测量的高低偏差为0.08 mm；满足安全控制标准。

图14 轨道上节点水平位移曲线

4.3 施工掘进参数

盾构区间下穿铁路前进行了100 m实验段，采集推进数据，优化盾构推进参数，并在距离铁路前方20m位置检查刀具，保证刀具最佳条件，根据试验段掘进参数和地表沉降数据反馈修正，确定下穿丹大高铁施工参数如下：

土仓压力：0.65 bar～0.75 bar，刀盘转速：1.5 r/min，推力：12 000 kN～14 000 kN，掘进速度8 mm/min～15 mm/min，同步注浆量每环6.4 m3，出土量控制每环57 m3，同步注浆初凝时间控制在4 h。在盾尾离开铁路20 m后对下穿段进行二次注浆，二次补浆浆液采用水泥水玻璃双液浆，合理控制浆液配比、注浆量、注浆压力控制在0.5 MPa以内。通过合理控制盾构施工掘进参数条件下，盾构顺利下穿丹大高铁，现场监测墩台竖向位移仅产生1mm竖向位移。

5 结 论

通过三维计算分析结合现场监测情况可以得出如下结论：中风化岩石地层饱和单轴抗压强度达40 MPa，该地层中保证地铁盾构隧道竖向埋深达2倍洞径条件下，无地面袖阀管注浆加固地层及隔离桩防护，通过合理控制盾构施工掘进参数、设置掘进试验段、提前检修更换刀具措施，能够保障水平最小净距2.5 m曲线下穿高速铁路桥梁明挖扩大基础、墩台、轨道等铁路设施的沉降控制要求，能够为类似中风化地层工程提供了可借鉴的宝贵经验。实际施工效果也印证了采用三维数值分析计算方法能够提前对风险情况进行量化分析，有助于判断所选择的风险源处理措施的合理性。