小净距暗挖区间下穿施工对高铁路基的影响研究

易领兵, 杜明芳, 朱东东

(1.中交铁道设计研究总院有限公司,中国 北京 100089; 2.河南工业大学 土木工程学院,河南 郑州 450001)

0 引 言

在城市核心密集区域修建地铁日益凸显,各种工法施工下穿及侧穿房屋、河流、普速铁路、高铁等工程越来越多。文献[1]对济南地铁某双线盾构区间与浅埋暗挖地铁区间小净距并行施工相互影响进行了研究;文献[2]运用FLAC3D有限差分法研究了超小净距地铁三洞隧道群施工相互影响;文献[3]运用有限元分析法研究了超小净距大断而叠层隧道群施工相互影响;文献[4]研究了砂卵石这一特殊地层中超浅埋小净距暗挖群洞施工相互影响;文献[5]对盾构与浅埋暗挖隧道小间距并行施工相互影响进行了研究;文献[6-7]研究了隧道小净距下穿公路隧道施工对公路隧道的影响;文献[8]研究了小净距暗挖隧道下穿市政管线及道路施工对市政管线及道路的影响;文献[9-11]研究了小净距暗挖对普速铁路的影响;文献[12]对小净距浅埋暗挖隧道下穿密集房屋影响进行了研究;文献[13]对下穿高层建筑群浅埋暗挖小净距隧道施工进行了研究。以上研究较多集中于在小净距暗挖隧道施工背景下对邻近既有盾构隧道、房屋、市政管线、普速铁路等方面,而对于小净距暗挖区间隧道下穿高速铁路工况出现较少,小净距暗挖隧道施工对高速铁路影响研究几乎未涉及。考虑以上情况,如何降低小净距暗挖隧道施工对高速铁路的影响程度,规避风险,使小净距暗挖隧道在施工过程中更加安全高效是值得研究的问题。

本文以下穿既有高铁路基段的新建小净距暗挖区间工程为背景,对小净距暗挖区间工程施工进行了设计,并用MIDAS/GTS有限元软件对下穿既有高铁路基段的新建小净距暗挖区间施工过程进行了有限元分析。研究了小净距暗挖区间施工过程中既有高铁路基位移变化特征;并收集相关监测数据总结位移变化规律,实际监测数据验证了数值计算的可行性。以期研究结论为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 昌南线清河站北侧区间概况

该段区间北起地铁昌平线西二旗站南端高架预留点,往南敷设上跨西二旗大街下拉槽后,从京新高速与地铁13号线之间狭长绿地由地上引入地下。区间设计里程为K31+499.797～K32+569.997,全长1 070.2 m。区间结构形式依次为：高架—路基—U型槽—地下。其中高架段203.4 m,路基段130.3 m,U型槽明挖段211.9 m,地下明挖框架段129.6 m,地下暗挖段250 m,合槽明挖框架段145 m。

地下暗挖下穿京张高铁路基段左右线初支净距903-1 145mm。

1.2 穿越京张高铁概况

既有京张高铁,线路自清河引出,清河站北侧昌南线区间暗挖下穿京张高铁里程K24+120附近范围进行初支加强。

场地地下水位埋深27.0 m,暗挖二衬结构底板深17 m左右,未进入地下水。

平剖面图如图1、图2所示。

图1 暗挖隧道与铁路路基平面位置关系图

图2 暗挖隧道与铁路路基剖面位置关系

1.3 小净距暗挖区间下穿高铁路基段概况

路基基床厚度为1.2 m,其中基床表层为0.6 m,中粗砂0.1 m,基床底层0.5 m。

2 数值分析

2.1 数值计算模型

针对小净距暗挖隧道下穿高铁路基施工,根据相关基础资料,采用Midas/GTS有限元分析软件,建立三维空间施工模型对不同施工工况进行模拟计算。三维计算的初始条件是新建工程尚未施工,并且认为既有高铁路基处于变形稳定状态。考虑到施工过程中的空间效应,三维计算分析对新建区间暗挖区域和既有高铁路基结构进行实体建模,三维地层-结构模型如图3所示。

图3 三维地层结构模型

为了确保三维模型有足够的计算精度并尽量减少收敛时间,本次计算对模型范围作出了一定的限定,沿长度方向取700 m,宽度方向取150 m;垂直方向上从地表以下取80 m;地面超载取20 kPa,高铁列车荷载取50 KN/m。板、墙结构采用二维板单元模拟,围护结构采用板单元模拟,本构关系为弹性。路基段、土层采用实体单元,本构关系为摩尔库伦(M-C)。采用固定位移边界,上边界取至地面,为自由面;4个侧面地层边界限制水平位移;下部边界限制竖向位移。轨道交通结构模型如图4所示。在考虑到本工程施工步序较复杂且在节约篇幅的基础上，选取如下施工步序中有代表性的工况。

工况1:初始地应力平衡;

工况2:昌南暗挖段全断面注浆;

工况3:昌南暗挖段开挖;

工况4:昌南暗挖段支护;

工况5:施加列车荷载;

工况6:昌南暗挖二衬施工。

土体、衬砌材料参数见表1所列。

图4 轨道交通结构模型图

表1 材料参数

2.2 计算结果

为研究小净距暗挖隧道下穿施工对高铁路基的影响,在不施加列车荷载工况下提取高铁路基位移计算结果。

2.2.1 高铁路基结构水平位移分析

为节约篇幅仅给出工况4、工况6计算结果,如图5所示。

2.2.2 高铁路基结构竖向位移分析

为节约篇幅仅给出工况4、工况6计算结果,如图6所示。

(a) 工况4

(a) 工况4

综上可知:

(1) 昌南线暗挖区间施作完初支后,高铁路基结构水平位移最大值为0.01 mm,竖向位移最大值为0.28 mm。

(2) 昌南线暗挖区间施作二衬后,高铁路基结构水平位移最大值为0.01 mm,竖向位移最大值为1.15 mm。

3 监测数据分析

现场监测可以及时提供实时数据,以便现场施工及时调整参数,保证京张高铁线的运行安全。为节约篇幅,选取最不利断面位置进行分析。最不利断面监测点布置图如图7所示。

昌南段二衬施工完成后,对该断面监测点数据进行提取,各监测点沉降数值如图8所示。

图7 最不利断面监测点布置

图8 监测点数值曲线

从图8可以看出,监测断面最大沉降值为1.05 mm,数值计算结果中,该区域最大沉降值为1.15 mm。监测数值与模拟数值结果基本一致,模型准确性较好。

为更加准确地反应北京地区新建隧道对既有结构沉降的影响程度,现收集5处已完工工程实例,具体见表2所列。从表2可以看出，新施工暗挖隧道对既有结构造成沉降影响较小,最大值为4.83 mm,最小值为2.35 mm。对比数值计算及实际监测数据可知,小净距暗挖隧道下穿施工过程对京张高铁线路基沉降影响是可控的。

表2 5处已完工工程下穿统计结果

4 控制指标

现时速200～250 km/h线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值见表3所列。根据以上计算及监测数据分析可知,新建小净距暗挖隧道施工引起的高铁路基结构的竖向及水平位移均较小。在综合高铁路基和轨道预测变形值、结构验算应力的基础上,考虑一定的安全裕度,确定高铁路基结构及轨道变形控制指标。根据前文结论和工程实际特点,同时依据现有常规测量仪器的监测精度,综合运营安全要求及变形预测结果,确定变形控制值。并将控制值的70%作为预警值,80%作为报警值。变形控制值见表4、表5所列。

表3 200～250 km/h线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

表4 高铁路基及轨道结构最终累计变形控制值 mm

注:水平位移包括X方向和Y方向。

表5 结构变形速率控制值 mm/d

5 结 论

对下穿既有高铁路基段的新建小净距暗挖区间施工过程进行了有限元分析,并收集相关监测数据总结位移变化规律,研究了小净距暗挖区间施工过程中既有高铁路基位移变化特征,实际监测数据验证了数值计算的可行性,结论如下:

(1) 路基水平位移及竖向位移最大值均满足控制标准。

(2) 数值计算结果显示:昌南线暗挖区间施作完初支后,高铁路基结构水平位移最大值为0.01 mm,竖向位移最大值为0.28 mm;昌南线暗挖区间施作二衬后,高铁路基结构水平位移最大值为0.01 mm,竖向位移最大值为1.15 mm。