大直徑地鐵盾構隧道下穿高鐵明挖隧道方案研究

鄧文武 宋彥杰

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

高鐵作為國家交通命脈，對沉降等變形要求極其嚴苛，當地鐵隧道與高鐵相交時，對地鐵隧道下穿施工提出了較高要求，高鐵結構變形一旦超標，將影響安全運營，甚至導致重大安全事故[1]。因此，對地鐵盾構區間下穿鐵路隧道的現狀進行調查，對不同施工方案進行研究比選，優選下穿方案，采取針對性的專項防護措施，對下穿施工引起的高鐵隧道的變形等進行預測，對地鐵建設意義重大。

國內科研人員針對地鐵盾構隧道下穿既有隧道開展了大量研究，李庭平等采用三維有限元法，對泥水盾構在既有隧道下方推進時泥水壓力與既有隧道變形的關系進行了研究[2]；徐干成等以北京地鐵14號線某盾構隧道為背景，對隧道下穿京津城際鐵路路基段進行了三維仿真數值模擬[3]；康佐等采用三維有限元數值計算方法，分析了新建盾構隧道正交下穿施工對地表及既有隧道結構的影響，得到了既有隧道管片位移、內力以及既有隧道上方地表沉降的變化規律[4]；夏金春等依托新建地鐵盾構下穿市政隧道工程，總結了既有隧道預留措施及施工加固措施[5]；康直利用有限元方法，分析地鐵與高鐵隧道垂直距離和地鐵施工順序對既有高鐵隧道受力和變形的影響[6]。

還有學者對地鐵盾構施工對既有高鐵明隧道或機場跑道結構影響進行研究，曾英俊等對盾構下穿繞避深基坑圍護結構地連墻引起地連墻沉降進行了有限元模擬[7-8]；石杰紅等從下穿盾構安全性方面進行相關分析[10]；劉文廣等研究了鉆孔爆破技術在盾構穿越地連墻工程中的應用[11]；羅剛等對雙線盾構隧道下穿機場高速沉降及變形規律進行研究[12];張文超等運用模擬軟件對盾構下穿既有隧道進行了模擬分析[13]；馬相峰等對盾構下穿運營高鐵或地鐵隧道的應急保障措施進行了探討[15]。

綜上，以往研究多從保證既有隧道安全角度出發，對新建隧道下穿既有隧道的一些問題進行了模擬計算，結合監測數據進行分析，優選施工加固方案，優化盾構掘進參數等設計。但對地鐵盾構隧道下穿運營中高鐵明挖隧道的研究少有相關報道。以天津濱海新區B1線一期工程塘沽站—外灘公園站盾構區間下穿京津城際線解放路明挖隧道為依托，對既有高鐵明挖隧道現狀進行檢測，對隧道現狀進行評估，為新建工程下穿提供基礎依據。

1 工程背景

1.1 項目概況

天津濱海新區B1線一期工程塘-外區間為盾構區間，盾構管片內徑5.9 m，外徑6.6 m。采用兩臺泥水平衡盾構機，從外灘公園站始發，沿上海道以350 m曲線半徑右轉下穿塘沽一中運動場、煙臺道小區居民樓后進入河北路，在塘沽站接收。線路在DK21+035處以57°直線下穿京津城際線解放路明挖隧道。盾構隧道與既有高鐵明挖隧道平面關系見圖1。

圖1 盾構隧道與高鐵明挖隧道平面位置關系

1.2 工程地質

依據工程巖土勘察報告，本工程處于軟土地層，場地內分布較厚淤泥質土，巖土性質較差，土層自上而下依次為：雜填土、淤泥質黏土、黏土、粉質黏土、粉砂，其中，粉砂層為承壓水含水層，水頭埋深約9 m。

1.3 高鐵明挖隧道概況及現狀調查

京津城際鐵路解放路隧道為明挖單洞雙線隧道，整體式道床，結構底板底埋深約14 m，底板下采用3 m水泥攪拌樁加固。圍護結構采用800 mm厚地下連續墻，長度約30 m。隧道于2014年5月貫通，2015年9月通車。

本工程盾構隧道與京津城際解放路隧道相交，需對既有高鐵隧道現狀進行調查。調查結論為：①隧道結構狀態良好，運營設施設備安裝良好；②局部結構滲水，對列車運行及隧道結構無明顯影響；③隧道結構發生了整體性沉降，差異沉降極小。

圖2 既有高鐵明挖隧道現狀檢測

1.4 高鐵明挖隧道變形控制標準

京津城際線設計速度250 km/h，整體式道床，根據相關要求，既有高鐵隧道結構豎向變形控制值為3 mm，軌道豎向變形控制值為2 mm。

2 盾構隧道下穿高鐵明挖隧道方案比選

借鑒已有研究成果，結合工程實際及既有高鐵明挖隧道現狀，提出4種設計方案。

2.1 方案一：盾構下穿繞避高鐵明挖隧道地連墻

(1)方案介紹

盾構下穿繞避高鐵明挖隧道圍護結構地連墻，考慮施工誤差等因素，控制盾構區間外皮與地連墻底豎向凈距為2 m，盾構下穿繞避高鐵明挖隧道地連墻剖面見圖3。

圖3 盾構下穿繞避明挖隧道地連墻剖面

(2)優缺點分析

盾構下穿繞避高鐵隧道地連墻，無需施工臨時工程，前期對高鐵隧道無影響及破壞。盾構掘進施工擾動土體，間接引起高鐵隧道發生沉降，可通過洞內深孔注漿等加固措施，嚴格控制土體變形，確保高鐵隧道運營安全。缺點是：盾構區間埋深較深，屬超深埋隧道，管片配筋需加強，兩端車站需設置為地下三層站，地鐵工程成本增加，線路縱坡較大，后期運營成本相對增加。

2.2 方案二：豎井內水平加固后盾構下穿繞避高鐵明挖隧道地連墻

(1)方案介紹

盾構施工前，先在盾構下穿點附近施工臨時豎井，對盾構穿越土層進行水平注漿加固，盾構區間下穿繞避地連墻，控制盾構區間外皮與地連墻豎向凈距同為2 m，豎井內水平加固后盾構下穿繞避高鐵明挖隧道地連墻剖面見圖4。

圖4 豎井內水平加固后盾構下穿繞避明挖隧道地連墻剖面

(2)優缺點分析

該方案需在盾構下穿點位附近先施工臨時豎井，對下穿部分土體進行水平注漿加固，提高下穿范圍土體強度，對控制高鐵隧道沉降起到了一定的作用，缺點同方案一，且施工豎井深度較深，開挖豎井過程對高鐵隧道影響較大，不滿足高鐵保護區相關要求。開挖豎井、水平加固及盾構下穿，對高鐵隧道造成三次影響及破壞，既有隧道變形不可控。

2.3 方案三：盾構切割穿越高鐵明挖隧道地連墻

(1)方案介紹

盾構下穿前應換刀并控制姿態，盾構直接切割高鐵隧道圍護結構地連墻(左右線依次穿越)，盾構切割穿越高鐵明挖隧道地連墻剖面見圖5。

圖5 盾構切割穿越明挖隧道地連墻剖面

(2)優缺點分析

地鐵盾構區間埋深相對較淺，區間兩端車站設置地下兩層即可滿足要求，線路縱坡較小，后期運營等成本增加較少。無需臨時工程，前期對高鐵隧道無影響及破壞，對高鐵隧道地連墻只有一次影響。缺點是：在軟土地層盾構換刀風險較大，切割地連墻將對高鐵隧道造成直接破壞，可能引起結構變形甚至開裂。

2.4 方案四： 預先破除高鐵明挖隧道地連墻后盾構穿越

(1)方案介紹

盾構施工前，先在盾構下穿點附近施工開挖臨時豎井，采用爆破或人工方式預先對盾構下穿處高鐵隧道圍護結構地連墻進行破除(盾構左右線依次施工)，預先破除高鐵明挖隧道地連墻后盾構穿越剖面見圖6。

圖6 預先破除明挖隧道地連墻后盾構穿越剖面

(2)優缺點分析

方案四優點同方案三，且規避了軟土地層換刀風險。缺點是：需施工臨時豎井，開挖豎井過程對高鐵隧道影響較大，不滿足高鐵保護區相關要求，破除地連墻將對高鐵隧道造成直接破壞，可能引起結構變形甚至開裂，開挖豎井、破除地連墻及盾構穿越，對高鐵隧道地連墻造成三次影響及破壞，既有隧道變形不可控。

2.5 對比分析

從地鐵工程成本、對高鐵隧道影響次數及規范符合性等各方面，對上述方案優缺點進行比選分析，各方案優缺點對比見表1。

表1 各方案優缺點對比分析

由表1可知，本工程下穿高鐵隧道位置位于現狀市政道路下，周圍施工場地緊張，盾構下穿土層為軟土。為盡量避免不必要的影響，宜采用洞內注漿加固等措施對變形進行控制，故推薦方案一。

3 數值模擬計算

3.1 計算模型

針對推薦方案，采用Midas GTS/NX有限元分析軟件建立三維模型，對盾構隧道下穿高鐵明挖隧道進行計算分析。模型長130 m，寬100 m，深70 m。左右線盾構隧道依次下穿既有高鐵明挖隧道，模型四周邊界采用垂直側邊的水平約束，底邊界采用豎向約束，有限元計算模型見圖7。

圖7 有限元計算模型

3.2 計算參數

既有線結構和二次深孔注漿體采用實體單元模擬，隧道襯砌采用板單元模擬。混凝土結構重度為25 kN/m3，土體采用修正摩爾-庫倫模型，按土層性質整合為6層，土層計算參數及結構計算參數見表2及表3。

表2 土層計算參數

表3 結構計算參數

3.3 計算假定

(1)除自重外，考慮列車荷載及地面行車荷載，列車活載采用標準"中-活載"進行檢算。地面行車荷載取20 kPa，列車荷載取ZK標準活荷載，見圖8。

圖8 列車豎向活荷載示意(單位：m)

(2)參考相關工程經驗，結合盾構機特性及工程地質，盾構頂推力取掘進掌子面水土壓力之和，側壓力系數取0.6，計算僅考慮正常掘進狀態，未考慮地震等偶然工況。

(3)根據工程地質勘察資料，假定各土層呈水平層狀分布，厚度均勻，通過提高土體彈性模量的方法，完成對隧道周圍土體注漿加固的模擬。

(4)荷載釋放系數各階段取值：開挖階段為0.2，管片支護階段為0.4，盾構加固土體階段為0.4。

(5)盾構掘進、管片拼裝、土體注漿加固是不斷循環的過程，采用逐步移動的過程模擬動態施工。

3.4 計算工況及施工過程

本工程地鐵區間盾構隧道下穿既有高鐵明挖隧道，盾構隧道與高鐵明挖隧道圍護結構地連墻豎向凈距為2 m，盾構隧道埋深約34 m，分為以下工況。

(1)工況一

先進行左線盾構施工，再進行右線盾構施工，不進行深孔注漿。

(2)工況二

先進行左線盾構施工，再進行右線盾構施工，同時進行全斷面深孔注漿加固，加固深度2 m。

具體施工步驟：初始地應力分析-盾構區間掘進土體開挖-盾構管片支護-(土體加固)-盾構掘進下一環-循環至盾構左線掘進通過-盾構右線掘進通過。

4 計算結果分析

4.1 既有高鐵明挖隧道結構變形

盾構區間下穿繞避既有高鐵明挖隧道圍護結構地連墻，盾構掘進施工對土體造成一定程度的擾動，使高鐵隧道結構及道床結構產生變形，對列車運營安全造成影響，通過數值模擬分析，兩種工況下高鐵明挖隧道結構及道床結構豎向位移分析結果見圖9～圖12，變形統計見表4。

圖9 明挖隧道結構豎向位移計算云圖

圖10 明挖隧道道床結構豎向位移計算云圖

圖11 明挖隧道結構豎向位移計算云圖

圖12 高鐵明挖隧道道床結構豎向位移計算云圖

表4 明挖隧道結構及道床結構豎向位移統計 mm

由以上分析可知：①兩種工況下，高鐵隧道豎向位移在左右線盾構施工完成后達到最大；②既有線隧道最大豎向位移發生在和新建B1線相交位置的底部；③工況一隧道結構最大豎向位移約為1.62 mm，道床結構最大豎向位移約為1.61 mm；工況二隧道最大豎向位移約為1.02 mm，道床結構最大豎向位移約為1.01 mm。

5 結論

(1)盾構掘進施工前， 通過對既有結構進行現狀調查可掌握既有結構安全狀態，從而確定設計方案，有針對性的采取保護措施，為盾構隧道下穿提供前提條件。

(2)從工程地質、現場施工條件及對既有高鐵的擾動程度和次數分析，結合相關方意見，最終確定本工程采用盾構下穿繞避地連墻方案。

(3)數值計算結果顯示，兩種計算工況均能滿足相關規范對高鐵隧道結構變形小于2 mm的控制要求，從安全角度考慮，本工程盾構穿越段采用全斷面深孔注漿加固措施，進一步控制盾構掘進引起的既有高鐵明挖隧道沉降變形，增加安全冗余量，以確保高鐵的運營安全。