城际铁路下穿南水北调干渠设计方案研究

晏 成

(中交铁道设计研究总院有限公司,北京 100097)

引言

南水北调中线干线工程自丹江口水库引水，途经河南、河北，至北京、天津，输水干渠全长1 432 km(其中天津输水干渠156 km)。中线工程于2014年12月全线正式通水运行。中线干渠规模大、渠线长，以明渠输水方式为主，局部采用管涵过水。

随着我国城市建设的快速发展和铁路的深入建设，新建工程与南水北调中线干渠交叉案例逐渐出现。目前下穿南水北调中线干渠的工程实例少，且结构断面尺寸较小，如石家庄市政热力管线4.8 m×3.0 m小断面隧道[1]、郑州轨道交通2号线φ6 m盾构隧道[2]先于干渠下穿施工，河北省磁县和谐大道φ720 mm污水管道采用定向钻穿越通水干渠等。

城际铁路下穿中线干渠，国内尚无先例。以新郑机场至郑州南站城际铁路工程为例，对铁路与干渠交叉建设方案、施工方法、下穿干渠沉降控制等进行研究，分析盾构下穿干渠风险，提出工程对策措施，以确保铁路施工及干渠运行安全。

1 工程建设方案比选

1.1 工程概况

新郑机场至郑州南站城际铁路从已建郑州至新郑机场城际铁路区间隧道CK39+800引出向东，与南水北调工程交叉后，向南引入郑州南站，工程总体呈东西走向。由于南水北调工程在机场区域总体呈南北走向，铁路不可避免地与南水北调工程交叉。

1.2 下穿方案的确定

1.2.1 中线工程建设管理方的相关规定

为避免新建工程在穿越干渠施工期或运行期对干渠的工程安全、水质安全和运行安全产生影响，南水北调中线工程建设管理部门对穿越工程布置和设计标准提出了一定的要求，并要求从结构和施工上分别采取相应的安全措施[3-4]。穿越工程与中线干线工程交叉宜采用正交方式；采用盾构等暗挖法施工时，渠道底板以下穿渠盾构等结构顶埋深不应小于2D(D为穿渠盾构等结构最大外径)，且不小于5 m。

1.2.2 铁路与中线干渠交叉方案比选

南水北调中线工程西侧为新郑机场用地范围，东侧为航空港区用地范围，结合南水北调工程、机场及航空港区规划、机场电磁环境[5]等因素，研究了上跨、下穿南水北调工程方案(图1)。

图1 城际铁路与南水北调交叉方案平纵断面示意

从施工难度、对机场和航空港区规划影响、对机场电磁环境影响、工程投资方面，对城际铁路上跨、下穿干渠方案进行了比选，虽上跨方案施工难度小、投资省4.3亿元，但下穿方案对机场规划、航空港区规划及机场电磁环境影响小，利于机场及航空港区远期发展，推荐采用下穿干渠方案。

2 工程地质及水文地质

城际铁路穿越干渠段地质纵剖面见图2，穿越的土层主要为第四系粉质黏土②22、细砂②54、粉质黏土③23层；其中③23层含有大量铁锰氧化物及钙质结核，胶结较好。地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存于粉砂、细砂和粉土层中，地下水水位高程为114.5～116.7 m。

3 工法选择

南水北调中线工程已于2014年12月正式通水，考虑到工程的重要性及其对水质保护的特殊要求，下穿干渠采用明挖法施工已不具备可实施性，需在浅埋暗挖法和盾构法之间进行比选。

铁路下穿干渠段地下水埋置深度较浅，土层松散不稳定，暗挖施工易导致地层的过大扰动，引起干渠结构发生较大的位移和变形，进而可能危及结构安全。

图2 城际铁路穿越干渠段地质纵剖面

3.1 浅埋暗挖法

国内70余座浅埋暗挖法修建的隧道的地表实测数据统计分析显示[6]，多数浅埋暗挖隧道的最大地表沉降为20～40 mm；地表沉降受地质条件、隧道跨度及埋深、开挖方法、支护时机及刚度、施工管理技术水平等多方因素影响。

暗挖下穿干渠时，基于工程的重要性，拟采用冻结法对隧道周围地层改良加固[7]，冻结壁厚度约3.5 m。暗挖隧道拟采用复合式衬砌(图3)，衬砌支护采用40 cm厚、C25网喷混凝土，二次衬砌采用C40钢筋混凝土，拱墙厚70 cm、仰拱厚75 cm。暗挖隧道工程投资约45万元/m。

图3 暗挖隧道横断面(单位：mm)

3.2 盾构法

盾构施工引起的地表沉降受地质条件、隧道埋深、盾构掘进参数、施工管理技术水平等多重因素影响[8-10]。大量研究文献表明，盾构法施工诱发的地层损失率相比浅埋暗挖法施工小，在黏性土及其互层地层中，盾构法隧道施工诱发的地表沉降小于浅埋暗挖法施工[11]。

目前大直径盾构已成功应用在广深港铁路狮子洋隧道、益田路隧道、天津地下直径线、京津城际延伸线等铁路工程及上海、南京、武汉等地区的越江隧道工程中[12]，对城际铁路下穿干渠工程的建设具有很好的借鉴意义。

为有效控制大直径盾构下穿干渠时的施工风险，盾构机拟采用泥水盾构[12-13]。盾构隧道内径11.3 m、外径12.4 m，管片厚55 cm(图4)。管片混凝土等级为C50，抗渗等级P12；环宽2 m，分块数9块。

图5 隧道下穿处干渠横断面(单位：mm)

图4 盾构隧道横断面(单位：mm)

除铁路下穿干渠段100 m外，城际铁路下穿机场场区及其他埋置较深的3 700 m段具备采用盾构法施工的条件。如城际铁路3 800 m采用盾构法施工，购置单台盾构机的费用约1.6亿元，盾构隧道工程投资约22万元/m。

3.3 工法的确定

下穿干渠施工工法比较见表1。

表1 浅埋暗挖法、盾构法比较

由于盾构法对地层适应性强、施工引起的干渠结构变形小于浅埋暗挖法，施工质量易控制和保证，对干渠影响周期短，安全风险可控性强，同时统筹考虑整条隧道建设可降低工程投资，推荐城际铁路下穿干渠采用盾构法施工。

4 盾构下穿干渠沉降影响分析

结合工程地质条件，基于隧道埋深2D(D为盾构直径)工况，进行盾构开挖数值模拟计算，分析盾构推进对干渠沉降的影响。

4.1 干渠结构

干渠过水断面采用梯形断面(图5)，渠道设计底宽21.0 m，渠深约8 m，设计水深7 m，边坡坡度1∶2.5，纵比1/26 000。干渠马道以下全断面采用混凝土板衬砌，渠坡厚10 cm、渠底厚8 cm。渠道板以下材料依次为复合土工膜、聚苯乙烯保温板、反滤料层。渠底换填为2 m厚黏性土，渠坡采用挤密砂桩处理至高程113 m。

4.2 干渠沉降变形控制标准

4.2.1 渠堤坡顶、坡脚最大变形差

根据《南水北调中线一期工程高填方渠道沉降变形特征及其对衬砌结构影响研究报告》[14]的成果，“衬砌分缝条件下允许的渠堤坡顶、坡脚最大变形差为，分缝间距为4 m时，[SΔV]=25 mm”。穿越段干渠衬砌结构分缝间距为4 m，坡顶到坡脚衬砌板实际斜长约23 m，折合每延米沉降差为1.087 mm/m，进而渠堤坡顶、坡脚最大变形差设为1 mm/m。

4.2.2 沉降控制指标

干渠安全影响评价报告提出，干渠变形隆起≤5 mm，累计沉降≤15 mm，变化速率≤2 mm/d。朱永全等探讨了石家庄热力隧道后于干渠施工时其施工沉降应控制在10 mm以内[1]。

鉴于尚无大断面隧道下穿干渠工程实践，基于干渠的重要性，沉降控制指标设为(+10～-5) mm、变形速率≤2 mm/d。

4.3 计算模型与参数选取

建立模型时，忽略隧道纵坡影响，同时将干渠与隧道交角约85°简化为正交。取开挖直径12.8 m，模型尺寸纵向(盾构掘进)100 m、横向100 m，竖向80 m。模型底部和侧面均施加法向位移约束，顶边界为自由端。

土体本构关系采用摩尔-库伦弹塑性模型，渠道结构、盾构壳及管片本构关系为弹性。盾构壳利用壳单元模拟；盾构管片结构按均质圆环、衬砌单元模拟，采用修正惯用法对刚度进行修正[15]，折减系数为0.7。注浆体用弹性等代层模拟[16]，假定注浆体填充率100%，弹性模量保持不变。干渠内水体等效为荷载施加于渠道结构表面。

根据地质勘察资料，隧道穿越的土层主要为粉砂、粉质黏土、细砂层，各土层计算参数见表2。渠道结构、盾构壳、管片及等代层力学参数见表3。

表2 土层计算参数

表3 渠道结构及其他材料力学参数

根据土层计算参数、结构材料力学参数和隧道的断面形式(图6)，建立计算模型(图7)。

图6 隧道断面形式

图7 隧道下穿干渠计算模型

4.4 掘进过程模拟

盾构每次进尺2 m，模型采用单元激活与钝化的方法实现单元刚度的变化，模拟掘进过程。

(1)重力分析步：对模型整体施加重力、地应力场和均布渠道水压力，使模型达到未开挖时的应力平衡状态。

(2)准备步：自边界处逐步开挖10 m的中心土体并钝化，于开挖面施加一个面荷载模拟盾构推力，同时在外圈原土体位置激活盾构壳单元。

(3)开挖步：将下一环需开挖的土体单元移除，激活盾构壳单元；将距离开挖面10 m后的盾构壳单元移除，原有位置激活管片单元和注浆单元，模拟盾构通过、管片支护及盾尾注浆过程。

(4)重复上述开挖步，直至掘进100 m即50环的位置。

4.5 计算结果

盾构隧道穿越干渠后，渠道位移见图8。隧道轴向渠道沉降、横向渠底沉降分别见图9、图10。

隧道轴向渠道沉降总体上与干渠断面形状相似，隧道横向渠底存在明显的沉降槽，沉降曲线基本对称。隧道轴线与渠道轴线交汇处渠道底部沉降最大值为4.6 mm。

图8 推进100 m时的干渠位移云图

图9 隧道轴向渠道沉降曲线

图10 隧道横向渠底沉降曲线

4.6 干渠沉降影响分析

盾构隧道以2D(D为盾构直径)渠底埋深下穿干渠，渠堤坡顶、坡脚沉降差小于1 mm/m，渠底最大沉降4.6 mm处于沉降控制指标范围内，干渠结构沉降可控、不影响安全。

5 隧道下穿干渠风险分析与对策措施

5.1 隧道下穿干渠风险分析

5.1.1 盾构施工风险

施工风险来自多个方面，包括不利的地质条件(富水砂层、钙质胶结黏土层)、盾构操作控制不当、实时监控量测不精准、机组人员素质不高等[17-18]，须采取针对性措施，降低盾构穿越干渠风险。

5.1.2 干渠结构变形风险

盾构掘进施工会引起地层应力的重分布，导致地层松弛、沉降或隆起[19]，进而致使干渠衬砌结构、马道、防护堤、排水沟等产生变形、沉降或位移(包括整体沉降和基础的差异沉降)。

沉降变形处于控制标准范围内时，考虑到干渠衬砌板下10 cm厚的粗砂垫层具有一定的变形协调能力，干渠及渠基不会受到施工的较大影响；沉降变形较大时，可引起衬砌板变形开裂，影响结构及运行安全。

5.1.3 干渠水质及环境安全风险

干渠属城市供水工程，左右岸一级水源保护区范围为干渠永久占地线外200 m，二级水源保护区范围为左岸距永久占地线外3 000 m、右岸为2 500 m。隧道施工场地布置、弃渣的存放、施工注浆材料选择等可能会对干渠水质及环境安全产生影响。

5.1.4 铁路运营对干渠长期影响风险

城际铁路运营期间，列车在隧道内高速通过，长期往复振动会对地层产生再次扰动，进而影响渠道结构及地基，可能会对干渠运行安全产生影响。

5.2 工程对策措施

5.2.1 提高穿越段隧道设计安全等级

通过提高穿越段隧道的设计安全等级，以避免正常运行中隧道先破坏，进而影响干渠的安全运行[3-4，20]。

(1)结构加强措施

非穿越段隧道最大埋深约36 m，采用C型管片(最强配筋形式)。穿越段盾构隧道覆土厚度为26.2 m+7 m(干渠设计水深)，折合覆土厚度约30 m，可采用B型管片。考虑提高穿越段隧道结构安全系数，采用C型管片。

(2)防水加强措施

按TB10623—2014《城际铁路设计规范》的规定，区间隧道防水等级为二级。穿越段隧道防水等级提高为一级，即不允许渗水、结构表面无湿滞。加强同步注浆及二衬注浆，采取注浆压力与注浆量的双控指标，以保证注浆效果。

(3)工后检测

穿越段盾构同步注浆及二次注浆完成后，由第三方检测单位对盾构管片进行无损检测，对盾构施工同步注浆及二次注浆效果进行检测。检测范围为穿越段及两侧各100 m。检测结果提报各相关方分析，协商确定进一步加强处理措施。

5.2.2 设置试验段，确定合理的盾构掘进参数

结合地质条件，在盾构推进至南水北调保护范围前400 m设置100 m试验段，通过试验段和其他段落总结和优化施工参数，明确盾构机推力、推进速度、土仓压力设定、注浆压力、同步注浆量、二次注浆压力与范围等重要参数，完成设备状态、掘进姿态的综合评价工作，以确保下穿干渠施工顺利进行。

5.2.3 干渠变形监测与控制标准

(1)第三方监测

在盾构试验段布置监测试验段，根据监测成果调整优化穿越段的操作工艺，完善干渠变形监测方案。穿越干渠段实施第三方监测，并制定针对性的监测方案，细化监测项目、内容、监测点布设、监测控制标准、监测频率等内容，重点监测干渠沉降变形、渗压等内容。根据实时监测结果，动态控制施工过程。

(2)渠道变形控制标准

结合渠道结构对变形及沉降的承受能力，取差异沉降量、最大沉降量作为控制标准[21]。盾构穿越干渠时，渠堤坡顶、坡脚最大变形差≤1 mm/m，渠底变形沉降量控制在10 mm以内，隆起量控制在5 mm以内，变形速率≤2 mm/d。

5.2.4 加强环境保护

根据一级水源、二级水源保护区的相关要求，合理布置施工场地，采用环保型的注浆材料，加强生产生活、泥浆、弃土等的处理管控，尽量减少施工期对干渠水质及环境安全的影响。

5.2.5 采取轨道减震措施

为减少铁路运行期的振动对干渠基础的影响，在穿渠段及两侧各外延100 m隧道内，采用CRTSⅠ型双块式减震型无砟轨道。

6 结论

本文对新郑机场至郑州南站城际铁路与干渠交叉建设方案、工法选择、盾构掘进对干渠沉降影响进行了研究，分析了盾构下穿干渠的风险，提出了切实可行的工程对策措施，可降低风险，确保隧道施工及干渠运行安全。

(1)铁路与南水北调工程交叉方案比选时，需综合考虑交叉处渠道结构形式、地质条件、实施难度与风险、对沿线现况与规划的影响、施工工期、工程投资、后期运营等因素，合理确定建设方案。

(2)铁路下穿干渠时，应结合南水北调工程管理方的要求，统筹考虑地质条件、施工安全性、施工进度质量、施工工期、工程投资、风险可控性等多方面因素，选择适宜的工法。

(3)基于干渠的重要性，结合工程实践和数值模拟分析计算，提出了盾构以渠底埋深2D(D为盾构直径)下穿干渠的沉降变形控制标准，即渠道坡顶坡脚最大变形差≤1 mm/m，渠道位移(+10～-5) mm、变形速率≤2 mm/d，以确保隧道施工及干渠结构安全。

(4)为降低隧道下穿干渠风险，须采取切实可行的工程对策措施，如提高穿越段隧道设计安全等级、设置盾构试验段、实施第三方监测、制定干渠变形控制标准、加强环境保护、采取轨道减震措施等，以确保铁路隧道施工期及运营期干渠的安全运行。