地铁区间下穿成绵乐高铁设计方案研究

叶至盛

（广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥工程师）

地铁区间下穿成绵乐高铁设计方案研究

叶至盛

（广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥工程师）

通过对地铁区间下穿高铁无砟轨道方案的研究，分析了地铁区间下穿未运营的高铁无砟轨道线路的可行性。以成都地铁4号线二期东延线万年场站—东三环站矿山法施工区间下穿即将运营的成绵乐城际高速铁路（无砟轨道）为例，通过与同类工程进行类比，并结合理论计算分析，综合评估了地铁下穿施工对高铁的影响。经与实际监测结果比较，证明设计方案是合理的，计算具有较高的可靠度。提出了对高铁的具体保护措施及沉降控制标准，为今后类似工程设计提供借鉴及参考。

地铁区间；矿山法下穿施工；沉降控制

Author＇s address Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou，China

中国是世界上同时在建高速铁路和地铁规模最大的国家。个别城市已出现地铁线路与高速铁路无砟轨道路基段线路交叉［1-7］。本文对成都地铁4号线二期东延线工程万年场站—东三环站区间下穿成绵乐高铁设计过程中遇到的问题进行深入研究，总结出类似条件下地铁区间下穿高铁无砟轨道路基的设计方法，特别是针对高铁即将运营而规划与之交叉的地铁区间才开始动工的情况，为类似工程提供借鉴。

1　项目背景

成绵乐高铁起于成都东站，向北经德阳、绵阳引入江油站，向南经成都南站、双流机场，最终抵达峨眉山站，正线全长约314 km，设计速度250 km/h，是西南地区首条开工建设的城际高速铁路。

地铁万年场站—东三环站区间在成洛路下穿地道框架段处底下下穿成绵乐高铁无砟轨道线路（见图1、图2）。该高铁段已于2014年3月开始静态验收，无砟轨道线路钢轨已精调并焊接锁定。成绵乐高铁于2014年8月15日进行全线联调联试，并于2014年年底开通运营。为避免地铁区间施工对高铁运营产生影响，地铁区间必须在高铁全线联调联试前完成下穿段施工。

图1　地铁与高铁线路区位关系图

图2　地铁区间上面的成洛路地道与高铁关系实景照

2　地铁区间下穿高铁段概况

2.1下穿高铁段概况

地铁万年场站—东三环站区间下穿处的成绵乐高铁里程为D1K153+704～D1K153+744，距成都东客站站台约2.2 km。此段高铁设计时速为160 km，采用CRTSⅠ型板式无砟轨道。无砟轨道结构如图3所示。

图3　成绵乐高铁轨道结构图

高铁下方的成洛路下穿地道A1框架段长18 m，宽39.9 m，为箱体结构。其底板下方地基加固采用CFG（水泥粉煤灰碎石）桩，设计桩径为0.5 m，按正三角形布置，间距为1.5 m，桩长约7.5 m。桩穿过全风化泥岩后桩底进入强风化泥岩层。加固后地基容许承载应力不小于0.18 Mpa。

2.2工程地质

下穿段位于成都平原区与龙泉山低山丘陵区过渡带的成都东部台地地区，属川西平原岷江水系Ⅲ级阶地。地层从上至下为：人工素填土，粉质黏土，全风化，强风化，中风化泥岩。下穿段位于中等风化泥岩地层，地铁隧道顶距地面约27.7 m，拱顶有7～9 m厚的中等风化泥岩层。中等风化泥岩为紫红色，泥、钙质胶结，倾角近水平的层状结构，节理裂隙较发育，岩质较软，局部夹砂质泥岩。根据室内试验，该土体强度为6.24～15.4 Mpa，局部可达23.6 Mpa，饱和吸水率为5.3%～59.3%，膨胀应力为10～220 kpa，自由膨胀率为6%～62%。岩石坚硬程度分类为软岩—较软岩，岩体等级分类为Ⅳ。

3　沉降控制标准确定

由于成绵乐高铁采用无砟轨道敷设，故完工后不允许有危害铁路运营安全性或损坏线路可使用性的轨道变位，且工后总沉降也不能超过系钢轨件竖向高度调整量的允许值。根据文献［8］规定：对于调高量为30 mm的扣件，扣除施工误差（+6 mm～-4 mm）影响，仅有20 mm调整空间；若再考虑列车运行时需要预留5 mm的余量，则实际留给运营期间路基、轨道沉降的允许调整量仅为15 mm。即只有路基沉降量不大于15 mm时，才能保证设计的轨道高程和平整度。因此，无砟轨道路基工后沉降应符合扣件调整能力和线路竖曲线圆顺的要求，且工后沉降不宜超过15 mm。此处所述的工后沉降是指无砟轨道铺设完成后路基可能继续发生的沉降。

考虑高铁正常运营安全的需要，结合国内隧道下穿高铁的经验，高铁区域内无砟轨道路基沉降控制标准确定为-15 mm，沉降差不超过5 mm。

综合理论计算结果、地质条件、覆土埋深、同类工程经验，并结合现场矿山法横通道的施工经验后提出本设计的沉降标准控制值为2.5 mm。专家组对该设计的评审意见为：原则同意设计单位提出的下穿成绵乐高铁段地铁施工引起的无砟轨道的沉降量控制在2.5 mm以内（含施工沉降）。

4　同类工程的经验案例

随着国内地铁建设的发展，地铁区间下穿高铁有砟轨道路基段的实例较多，但下穿高铁无砟轨道路基段的实例屈指可数。

广州地铁9号线区间隧道在出广州北站后下穿武广客运专线4条股道及两侧站台。武广客运专线为设计时速350 km的高速铁路，轨道采用CRTSI型双块式无砟轨道，从2009年底开始已投入运营。该工程是国内外首次地铁盾构隧道下穿时速350 km高速铁路无砟轨道路基段，已得到原铁路部的正式批复。根据专家审查会，要求“在盾构下穿阶段高铁运营应采取限速措施，无砟轨道沉降按5 mm控制，同时不得隆起，避免对轨道结构的破坏”。原铁道部批复意见要求路基面不发生隆起，沉降应满足设计要求，同时要求该段铁路限速80 km/h。

此案例说明，地铁区间隧道在地质条件较差、覆土浅、高铁已运营等复杂条件下，通过相关技术措施的保证，穿越高铁无砟轨道路基段是具有可行性的。

5　设计方案

5.1施工工法选择

国内地铁区间通常采用盾构法施工，有着施工快速、安全可靠、对周边环境影响小等优点。万年场站—东三环站区间工程也计划采用盾构法施工。为避免区间施工对高铁运营产生影响，必须在2014年8月15日高铁联调联试前完成本段区间施工。因当时4号线二期工程未全面开工，不具备盾构始发接收等条件，采用盾构法施工不能满足工期要求，遂采用矿山法提前施作下穿高铁段的区间（见图4），待后期再将盾构机从东三环站下井始发，空推通过本段高铁下的矿山法施工区间，在万年场站再解体吊出，以贯通整个区间。

图4　成都地铁4号线万年场站—东三环站区间施工方法分段平面图

5.2矿山法区间设计方案

成都地铁4号线万年场站—东三环站区间沿成洛路下方敷设，借助成洛路北侧地铁区间风井作为施工竖井，利用横通道与正线相连。下穿地段的地铁正线隧道长51.2 m，其起点与横通道相连，终点设于成洛路下穿地道A1框架段与相临U槽段的分界处下方。

为保证后期盾构机能空推通过，区间正线矿山法隧道设计断面近似为圆形结构（见图6），内净宽为8.0 m，内净高为8.1 m。拱顶埋深约为27.7 m。地铁隧道顶距成洛路下穿地道底板18 m，距CFG桩底部约10.5 m（见图5）。

图5　地铁正线隧道衬砌断面图

下穿段的地铁隧道矿山法采用工字上下台阶法施工。初期支护采用间距0.5 m的22#工字钢拱架和厚0.3 m C25早强喷射混凝土，二次衬砌采用厚0.5 m C40钢筋混凝土。

地铁盾构区间断面为圆形结构，外径为6 m，管片衬砌厚度为0.3 m（见图6）。

图6　地铁区间下穿高铁段隧道与高铁的剖面关系图

5.3设计保护措施

（1）调整线路纵断面，增大隧道埋深。为尽量减少地铁区间施工对成绵乐高铁影响，将临近穿越地点的万年场车站设计为地下三层站，同时从万年场站下行至穿越地点采用较大线路纵向坡度，最大程度加大隧道埋深，使下穿段地铁区间完全位于中等风化泥岩地层内。本下穿段地铁隧道拱顶埋深达27.7 m。

（2）增大矿山法隧道线间距。地铁区间左右线间距一般以1倍洞径为宜，故本工程按外径宽8 m，则左右外轮廓净距为8 m即可满足设计和施工要求。本地铁区间穿越高铁段线间距增大至21 m，两线开挖外轮廓净距为13 m，以保证左右线在矿山法施工时不会引起重叠沉降。同时，优化位置后的矿山法隧道顶部未正对成洛路下穿地道框架结构传递竖向压力的隔墙下方。

（3）加强支护措施。在中风化地层，地铁隧道拱顶埋深达20 m以上。根据经验，类似洞径的地铁矿山法施工区间通常采用间距较大的格栅钢架，无需采用超前支护措施。由于本段区间下穿高铁，为保证沉降可控，不仅加强了初期支护设计，在穿越高铁范围内采用间距0.5 m的22#工字钢拱架，同时还局部采用了自进式锚杆的超前支护措施以及拱顶增加了系统锚杆，以进一步加强对开挖期间的沉降控制。

5.4施工阶段应急补偿措施

若施工过程中，当监测高铁轨道沉降结果达到报警值（建议为1.5 mm）时，应采取灌浆抬升法作为应急补偿措施。

灌浆抬升法即在发生沉降的建构筑物地基中布置注浆管，有控制性地注入水泥浆液或化学浆液，不仅能加固基础下部的土体，还可使建构筑物基础抬高，从而达到消除沉降的目的。化学浆液能在地基中产生膨胀反应，而高压注入水泥浆液能对地基土产生压力、加固、拱抬作用。这都是使地基土产生竖向膨胀抬升的原因。

本工程在高铁下方的成洛路下穿地铁道框架底板上布置了可重复注浆孔。如地铁区间施工引起成绵乐高铁的沉降超过报警值，则采取跟踪补偿注浆来抬升下穿地道的框架，以消除高铁路基沉降，确保运营安全。

5.5高铁工后沉降的调节补偿措施

地铁隧道洞室开挖会造成拱顶到中风化岩面岩层的卸载，从而带来后续的滞后沉降。可利用隧道底的水浮力，来补偿拱顶以上的岩层变形。故隧道施工完成后一般不会再引起高铁路基沉降变形。

但若后期高铁由于地铁区间隧道施工的影响出现滞后沉降，且沉降超出控制标准，则应采取应急补偿措施：

（1）在成洛路下穿地道底板下方跟踪注浆。可利用框架段底板布置的可重复注浆孔进行跟踪补偿注浆，以补偿地层损失，控制高铁路基的变形，确保高铁安全。

（2）利用钢铁扣件剩余调节量调节轨道变形量。地铁区间下穿高铁段采用CRTSⅠ型板式轨道和WJ-7B型扣件。根据文献［9］，钢轨高低调整量为+26 mm、-4 mm。

6　数值模拟分析

6.1模型建立

有限元模型上边界距隧道顶部取实际埋深值，左边界距左隧道左侧50 m，右边界距右隧道右侧50 m，下边界距右隧道底部21 m。模型总尺寸（长×高）为130 m×56 m。

有限元计算中各种材料的物理力学参数原则上根据地勘报告建议值和相关规范取值。并根据横通道施工过程中反馈的地表沉降，经反复试算对地层参数进行修正。模拟超前支护及上覆成绵乐高铁CFG桩加固路基时均提高地层弹性模量，支护范围取隧道拱顶约120°范围。计算考虑不同开挖阶段的应力释放，且先开挖左线隧道。根据不同的地层、开挖分部和开挖边界进行网络组划分，从而得到有限元模型如图7所示。

图7　下穿隧道的有限元模型图

模型的边界条件为；底面固定Z方向，左右面固定X方向，前后面固定Y方向，顶面为自由表面。

6.2模拟的基本过程

模型建立完毕后，首先，施加下穿隧道及上部高铁路基荷载；然后，进行初始地应力场模拟；最后，进行隧道的上台阶开挖、初期支护施做、下台阶施工和初期支护施工的模拟。隧道的开挖顺序为先开挖左侧隧道，待左侧隧道初期支护完成后再进行右侧隧道的开挖、支护。

6.3模拟计算结果及分析

经计算，左线隧道施工初期支护后，地面最大沉降量为1.36 mm，位于左线隧道正上方。右线隧道施作初期支护后，地面最大沉降量为1.98 mm，位于下穿隧道正上方。洞内拱顶最大累计理论沉降量为4.2 mm。

地层竖向应力特征随着主要施工步骤的变化特征如图8～图9所示。

从图9可以看出，左侧隧道施工完成后，在隧道左右产生了应力集中，最大应力为-1.22 Mpa。隧道上下应力较小，仅为-0.39 Mpa左右。这是因为隧道施工引起的应力释放造成的。右侧隧道施工完成后，呈现出和左侧隧道基本一致的应力状态。以成洛路下穿地道中心线为横轴中线，绘高铁路基计算沉降曲线见图11。下穿地道宽40 m，最大沉降量为1.98 mm；中心线两侧60 m以外范围沉降值在1.5 mm以内。理论计算高铁路基沉降量为1.98 mm，小于设定的控制值2.50 mm。

图8　地层竖向初始应力图

图9　隧道完成后地层竖向应力图

图10　高铁路基沉降曲线图

7　施工结果

地铁矿山法施工的初期支护由横通道向高铁方向施工，二次衬砌由高铁向横通道方向施工。本工程地铁隧道于2014年5月18日动工，8月10日完成下穿段施工，2014年10月7日完成剩余矿山法施工，历时113 d顺利完成。根据中国水利水电第七工程局有限公司科研设计院成都地铁测量试验中心的监测和深圳市工勘岩土工程有限公司第三方监测单位的测量结果，施工期间高铁无砟轨道路基的沉降最大值为1.2 mm。

成绵乐高铁于2014年8月15日完成全线联调联试，并于2014年12月20日正式通车运营。根据监测结果，地铁区间隧道施工未引起高铁无砟轨道路基的滞后沉降。

地铁区间施工期间引起的沉降及高铁通车后的滞后沉降均未达到2.5 mm，沉降可控。施工期间未发生沉降报警，也未采用地道底板下方注浆或者利用扣件剩余调节量调节轨道变形量等措施。

8　结语

本项目为地铁区间采用矿山法下穿即将运营的高铁无砟轨道线路，现已顺利实施完成。工程实例说明，在地质条件较好、地铁隧道埋深较深、施工时高铁未开通等类似情况下，地下区间隧道通过相关技术措施的保证，穿越高速铁路无砟轨道线路是可行的。

根据已完成的工程沉降监测结果，成洛路下穿地道框架段下方地铁矿山法施工引起的成绵乐高铁无砟轨道线路的沉降（含工后沉降）控制在1.5 mm以内，实现了控制目标。

当区域内规划地铁线路与高速铁路线路（无砟轨道）交叉时。由于无砟轨道对沉降的控制要求较高，应及早做好规划和施工时间安排，建议应在高铁运营前提前完成地铁线路施工，以有效避免地铁施工对高铁运营产生影响。

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Design of Subway Section Crossing under Chengdu-Mianyang-Leshan Intercity High Speed Railway

Ye Zhisheng

The plan of subway section crossing under the ballastless track of high-speed railway isintroduced，the feasibility of this plan for not yet operated high-speed railway is analyzed.Based on the phase II of Chengdu Subway Line 4，the mining method adopted at the interval from Wannian Station to Dongsanhuan Station on the east extension line is studied，which crosses under the ballastless track of Chengdu-Mianyang-Leshan Intercity High-speed Railway.Through comparison with similar projects and combined with theoretical calculation，the impact of subway over the high-speed railway during its construction is comprehensively assessed. Compared with the actual monitoring data，it shows that the design plan is reasonable，the calculation has high reliability. Finally，specific protective measures and setlement control standards are proposed for the high-speed railway，to provide a reference for the design of similar projects.

subway section；undercrossing mining construction；settlement control

U 455.41+1

10.16037/j.1007-869x.2016.03.012

（2015-02-06）