地铁隧道下穿高速铁路联络线路基安全影响分析

地铁隧道下穿高速铁路联络线路基安全影响分析

刘新军

(中铁第一勘察设计集团有限公司,西安 710043)

摘 要：为研究地铁盾构法隧道穿越高速铁路联络线路基的沉降问题,铁路行车对地铁隧道结构产生的安全问题以及地铁隧道施工过程中的安全控制措施,采用理论计算和数值模拟相结合的方法,对南京地铁4号线下穿京沪高铁联络线路基段进行探讨和分析。结果表明：在地层损失率不大于8‰并考虑铁路行车限速的情况下,地铁隧道下穿高铁路基引起的线路变形满足高铁静态管理标准要求,并给出盾构机的掘进参数建议值。为达到地铁盾构隧道施工对铁路的影响最小,保证施工期间铁路的安全运营,提出施工期间高铁运营速度应控制在120 Km/h以内,盾构机应匀速不间断掘进,推进速度应控制在1.0～1.5 cm/min,每日推进5～6环。

关键词：地铁；高铁路基段；盾构；沉降分析

1 概述

地铁作为一种快速大运量的城市轨道交通模式,在当今时代发挥着越来越重要的作用。随着我国大量城市开始新建地铁,各类难题也不断出现,其中,如何安全稳定地穿越存在地上建(构)筑物的地段,同时不对建(构)筑物造成不良影响的难题逐渐成为工程建设中最需解决的重中之重,但穿越高速铁路则是同类问题中的高风险问题。

近几年,穿越高铁的案例也不断增多[1],广州地铁9号线下穿武广客运专线,北京地铁14号线下穿京津城际铁路,广州地铁3号线双洞穿越武广高铁,南京地铁3号线穿越沪宁城际铁路,北京地铁10号线下穿京沪高铁等,这些工程的实施为我们提供了宝贵的施工经验和技术支撑,但因工程的个体性,每个工程都有自己独特的边界条件,涉及的岩层、采用的处理措施也不尽相同。

王科甫[2]分析了广州地铁9号线下穿武广高铁的情况,武广高铁设计速度350 km/h,轨道采用无砟道床,广州地铁9号线在广州北—花城路区间以74°夹角穿越武广高铁4股道及部分站台,通过计算分析了对穿越地层不进行加固的线路沉降情况,不能满足高铁对沉降的控制要求,采用了MJS工法对隧道通过地层进行加固后,沉降满足高铁站台控制要求。

王俊生[3]、李建林[4]分别从不同角度分析了北京地铁14号线下穿京津城际铁路和北京地铁10号线下穿京沪高铁的情况。北京地铁14号线在里程K20+420～K20+445段以56°夹角穿越京津城际铁路,列车最高速度350 km/h,隧道穿越地段为粉质黏土,通过三维数值模拟计算,隧道通过时的沉降量过大,不能满足高铁线路对沉降控制的要求,采用注浆的方法对隧道穿越上、下方土体进行改良,明显降低了施工风险,使工程得以实施。

柴雨芳[5]关于隧道下穿施工及列车振动对高铁路基沉降的影响进行了研究,以不同的施工工法、不同的埋深、列车经过时的不同速度进行了分析,得出隧道埋深越浅,列车通过时速度越高,相互影响作用越大,线路变形越大的结论。

关于类似的研究近几年越来越多[6-12],取得了一定的成果,指导了相关工程的顺利实施。研究者采用了不同的高铁控制标准,近年国家颁发了高铁运营后的静态和动态控制标准,为以后类似工程的实施提出了更高的要求。

结合南京地铁4号线一期工程徐庄软件园站—金马路站区间下穿京沪高铁联络线路基段为分析主体,以高铁联络线运营静态和动态控制数据为标准,利用不同的地层损失率从动态上模拟隧道通过高铁范围地层沉降的逐步变化,采用合理的监测方法,从而确保隧道通过段高铁线路的运营安全。通过分析,对施工期间的列车进行限速并对盾构机的掘进参数给出建议值,总结地铁盾构隧道下穿铁路路基段基础沉降变形影响规律,为后续类似工程提供参考和借鉴。

2 工程概况

2.1 地铁区间及下穿段概况

南京地铁4号线一期工程徐庄软件园站—金马路站区间设计里程为右CK9+703.25～右CK10+819.526,左CK9+703.25～左CK10+819.526全长约1 116.3 m,采用盾构法施工,区间内设1个风井,2个联络通道。

本区间隧道计划采用2台盾构机施工,2台盾构机从金马路站端头井始发,推进至区间风井处进行检修,最终到达徐庄软件园站。盾构隧道在本区间下穿既有京沪高铁联络线和宁芜铁路,整个下穿工点长度约60 m。盾构隧道与京沪高铁和宁芜铁路斜交,两线路角度约50°。京沪高铁轨道中心线与宁芜铁路轨道中心线距离约17 m,铁路轨面高程约22 m,下穿位置盾构隧道线间距约24 m。下穿位置周边环境如图1所示。

图1 区间隧道下穿高铁平面位置

2.2 工程地质及评价

本工程位于徐庄软件园站—金马路站之间,根据南京地铁4号线地质灾害评估该段地质和水文地质资料以及《南京南至仙宁联络线横断面设计图》,该处地貌单元属于侵蚀堆积岗地,地形有一定起伏变化,北段略高,勘探孔孔口高程在6.96～11.86 m,最大高差4.90 m。勘察揭示场地覆盖层厚度41.0 m左右,上覆土层厚度变化较小,土层性质变化不大,局部有坳沟分布。区间隧道纵剖面见图2。

图2 下穿位置地质剖面(单位：m)

由图2可知,区间盾构段涉及土层主要为：④-1b1、④-2b2、④-3b1、④-3b2及④-4b1层粉质黏土,以可塑～硬塑为主,局部为坚硬,其工程性质较好～好。土层物理力学性质见表1。

表1 土层物理力学参数

层号天然重度(γ)/(kN/m3)含水量(w)/%孔隙比(e)静止侧压系数(K0)渗透系数(KV)/(cm/s)承载力特征值(KH)/(cm/s)④-1b119.822.90.6710.455.00×1075.00×107④-2b219.525.30.7330.551.00×1061.00×106④-3b119.822.60.670.455.00×1075.00×107④-3b219.524.40.7140.51.00×1061.00×106④-4b119.921.50.6460.45.00×1075.00×107

2.3 工程特点

区间地质条件较好。下穿节点处盾构隧道主要位于④-3b1粉质黏土层,压缩模量10.5 MPa,承载力特征值260 kPa,盾构隧道上部土层为④-1b1粉质黏土层和④-2b2粉质黏土层,承载力特征值分别为240、180 kPa,土层性质较好。

隧道埋深较大。盾构隧道顶板埋深约24 m,隧道顶板距离高铁路基距离较大，减小了地铁与铁路之间的相互影响,对工程有利。

盾构隧道侧穿仙林大道框架桥。距下穿工点约16 m处存在仙林大道框架桥,盾构下穿会对公路涵洞产生一定的变形影响，需要对盾构推进过程中公路涵洞的变形进行计算,确保公路涵洞结构安全,变形不超过限值。

穿越工点易产生不均匀沉降。盾构隧道下穿京沪高铁联络线工点位于仙林大道框架桥路桥过渡段。过渡段地基在盾构下穿工点处加固不均匀使地基刚度存在差异,在盾构推进的过程易产生不均匀沉降,影响行车安全。

京沪高铁联络线是连接南京南站至京沪高铁线的客运专线,设计速度180 km/h,宁芜铁路是一条客货共用普通铁路,设计速度,客车120 km/h、货车80 km/h。施工期间不影响正常通行情况下,其静态控制沉降标准见表2。

表2 轨道静态质量容许偏差管理值 mm

项目υmax>160km/h正线160km/h≥υmax>120km/h正线Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级轨距+4-3+8-4+12-6+6-4+10-7+15-8水平581261014高低581261015轨向57105812

3 盾构施工对铁路线路的影响分析

盾构施工过程不仅会使上方地表发生变形,还会破坏上方铁路线路的平顺性,给铁路行车安全带来不利影响。根据京沪高铁联络线的实际情况,分析盾构施工过程对铁路线路的影响,结合有限元模型计算铁路运营的安全性。

3.1 沉降计算理论[13-17]

在Peck提出隧道引起的地表横向沉降槽可以用高斯分布拟合的基础上,Attewell等人和Rankin总结了当时广泛应用的经验方法,并提出以下计算公式

式中 s——地面任一点的沉降值,m；

x——从沉降曲线中心到所计算点的距离,m；

i——从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离m,一般称为“沉降槽宽度”,经验公式见式(4)；

smax——地面沉降的最大值,m,位于沉降曲线的对称中心上(对应于隧洞轴线位置),按照公式计算

式中 Vs——盾构隧道单位长度地层损失,m3/m,按公式(3)计算

式中 Vl——地层体积损失率,即单位长度的地表沉降槽的体积占隧道开挖的名义面积的百分比；

R——盾构机半径,m。

沉降槽宽度系数i决定了盾构施工对周围土体的影响范围,一般而言,沉降槽宽度为5i。研究表明i取决于接近地表的地层的强度、隧道埋深和隧道半径,其计算公式如下

式中 Z——地面至隧道中心的距离,m；

φ——土的内摩擦角,(°)；

K——沉降槽宽度系数。

结合本工程地质特点,计算不同盾构阶段地层损失率穿越点数据分别见表3、图3。

表3 不同地层损失率下对应的地表最大沉降 mm

地层损失率/%左线贯通双线贯通0.302.832.970.403.763.950.504.704.940.605.635.920.706.576.900.807.507.88

图3 地表沉降曲线

3.2 数值计算模型的建立

由于盾构隧道长距离下穿铁路,且穿越范围内陆层分布变化不大,根据弹性力学的概念,该问题可以近似看作是平面应变问题。因此在有限元分析中,为了简化计算又不失计算精度,将问题简化为二维平面应变问题进行计算分析。考虑施工期存在列车荷载作用时的铁路线路变形,选取下穿节点处断面,建立二维有限元模型。模型横向尺寸230 m,纵向70 m,取至④-4b1层；公路过道箱涵采用4个涵洞进行模拟,用复合地基的方法来模拟粉喷桩加固区域。土体采用硬化弹塑性模型(HS),在几何模型底部施加完全固定约束,在两侧施加竖直滑动约束,模型表面为自由边界。列车竖向荷载按照CRH3高速列车荷载换算并考虑冲击系数均布作用在路基面上,模型如图4所示。数值模拟按照实际施工中先开挖左线隧道、后开挖右线隧道的顺序进行,考虑地层损失率为3‰～8‰。

图4 有限元数值计算模型

3.3 铁路线路沉降分析

数值模拟变形云图如图5所示。

图5 数值模拟变形云图

左线隧道和双线隧道开挖完成后的线路沉降曲线如图6、图7所示。

图6 隧道完成后线路沉降曲线(损失率3‰)

图7 隧道完成后线路沉降曲线(损失率8‰)

由图6、图7可知,单线隧道贯通和双线隧道贯通前后地面均发生一定程度的沉降,单线贯通时在隧道中心线处地面沉降最大,由于所选断面盾构隧道间距较大(32 m),双线贯通后在上方未加固的左线隧道中心位置沉降最大。单线隧道和双线隧道贯通后正线线路最大沉降及高低偏差见表4。

由表4可知,当地层损失率≤8‰时,京沪高铁联络线线路高低偏差能够满足《铁路线路维修规则》静态管理标准中υmax>100 km/h正线及到发线的静态保养标准高低偏差不超过6 mm的要求,可进行轨道作业以保证轨道的平顺度。由于地铁施工引发的涵洞最大沉降为1.58 mm,最大差异沉降为1.33 mm,变形不会对涵洞结构安全产生较大影响。

由上述分析可知,快速掘进会使地表沉降有增加的趋势,应严格控制盾构的推进速度。根据已有盾构穿越铁路的经验,考虑到下穿高铁比普通铁路对推进速度的要求更为严格,推进速度应控制在1.0～1.5 cm/min,并在推进过程中保持匀速,每日推进5～6环；排土量为理论值的98%,即37.1 m3/环,施工中保持推进速度与出土速度相匹配。

表4 线路最大沉降及静态高低偏差 mm

地层损失率/‰工况线路最大沉降线路最大高低偏差涵洞最大沉降涵洞差异沉降345678单线贯通3.461.670.100.09双线贯通3.741.760.370.36单线贯通4.722.140.200.18双线贯通4.962.460.600.56单线贯通5.822.690.310.24双线贯通6.033.090.930.79单线贯通6.883.180.420.32双线贯通7.153.861.070.88单线贯通7.913.660.440.34双线贯通8.354.601.301.10单线贯通8.544.160.670.44双线贯通9.575.371.581.33

4 铁路行车对地铁隧道安全的影响分析

左线隧道靠近仙林大道框架中桥,相对右线隧道更易受车辆动荷载影响,综合隧道在断面处位置及土层情况,选左线隧道上部土动应力分布作为研究对象。

通过模型模拟,隧道下穿京沪高铁断面处,隧道顶点上部土层在模拟时间内产生的最大动应力随土层深度的变化曲线如图8所示。由图8可看出，在埋深2.5 m范围以内,列车荷载产生的动应力迅速消散减小,但在埋深区间2.5～8 m位置处,动应力的消散变得缓慢,甚至出现了增大的现象,而仙宁大道框架中桥与粉喷桩加固区正位于该埋深范围内,这说明车辆荷载产生的动荷载与高铁列车产生的动荷载在此区间内产生了叠加效应,同时地下结构物(框架桥及粉喷桩加固区)的存在影响了阻尼系数,使得动应力的消散放缓,埋深8 m以下,土层中的动应力又开始衰减,但是与浅土层相比衰减速度显著降低,这与该埋深范围内的土质相符合,至隧道顶部上方时减至20 kPa左右。

根据工程具体的支护及施工情况,隧道埋深位置所受动应力的影响,在安全范围之内,盾构穿越期间铁路列车车速控制在120 km/h,货车限速50 km/h,客车限速80 km/h及以下。

图8 高铁路基下方土层动应力响应曲线

5 结论

(1)利用有限元模型计算盾构施工对京沪高铁联络线、宁芜铁路的影响,考虑列车荷载,当地层损失率≤8‰时,两铁路线路高低偏差能够满足规范中静态管理标准的要求。

(2)根据铁路行车对地铁隧道的安全影响分析,在正常运营情况下隧道顶部存在20 kPa左右振动荷载,为确保施工期间安全,盾构穿越期间高铁联络线和宁芜铁路都提出了限速要求。

(3)盾构隧道下穿具有一定风险的建(构)筑物时应匀速掘进,且避免在下穿过程中停留、检修等,本文结合工程实例,建议在下穿过程中盾构机每日推进5～6环,排土量为理论值的98%。

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Analysis of Influence of Subway Tunneling Under-passing High-speed Railway Connecting Line Subgrade

LIU Xin-jun

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：In order to study the subgrade settlement of high-speed railway line under-passed by a metro shield tunnel, the risks to the metro tunnel caused by railway traffic, as well as the safety control measures during the period of subway tunnel construction, this paper discusses and analyses the Beijing-Shanghai High Speed Railway’s connecting line subgrade under-passed by Nanjing metro line 4 by theoretical calculation and numerical simulation. The results show that in the case of less than 8‰ stratum loss rate and under speed limit, the line deformation resulted from the metro shield tunneling under-passing high speed railway subgrade meets the requirements of static management standards. The suggested tunneling parameters of shield machine are offered. To achieve the least influence on high-speed railway caused by subway shield tunneling and ensure safe operation of high-speed railway during construction, it is suggested that the high speed railway operating speed should be controlled below 120 km/h during the construction, and the daily progress of shield machine should be managed by 5～6 rings at the speed of 1.0～1.5 cm/min.

Key words：Metro; Subgrade section of high-speed railway; Shield; Settlement analysis

文章编号：1004-2954(2017)06-0131-05

收稿日期：2016-10-17；

修回日期：2016-11-10

作者简介：刘新军(1976—),男,高级工程师,2000年毕业于中国矿业大学,工学学士，2006年毕业于西安科技大学,工学硕士,E-mail：[e-mail]。

中图分类号：U455.43

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.06.027