深汕高速铁路坪山东隧道规划建设方案

孙汉贵

深圳铁路投资建设集团有限公司， 广东 深圳 518026

我国已建成的部分高速铁路通道已不满足客运增长的需求，在已有高速铁路通道内如何增建新的高速铁路、城际铁路等工程是摆在建设者面临的难题，如广深新通道、深汕通道、京沪通道等增建二线工程。特别是城市地区，通道宽度较为有限，最大程度地压缩新建工程与现有高速铁路工程间距，以获得对城市规划、土地切割等方面显著的效益，成为一项重要课题。在铁路规划建设方面，沈海燕等［1］改进了传统模糊评价方法，构建了高速铁路车站选址评价模型。彭学理［2］对宜万铁路复杂不良地质地段进行线路方案比选，确定了合理的路线方案。展志成［3］在伊宁—阿克苏铁路南天山越岭方案研究中，从隧道高程、隧道长度、工程地质条件及工程投资进行比较，选取了工程条件较好、投资少的方案。牟瀚林［4］对衢宁铁路鹫峰山越岭方案进行了研究，主要从工程难易程度、工程地质条件、工程投资等方面进行比选并得出最佳施工方案。在铁路修建对邻近既有高速铁路桥梁影响研究方面，李永盛等［5］基于弹性开尔文解和弹性地基梁理论研究了隧道开挖对桩基附加内力和变形的影响。宋卫东等［6］利用FLAC 3D 有限元软件对北京地铁10 号线盾构施工过程进行数值模拟，研究了盾构施工对地层的影响。刘丽［7］运用三维有限差分软件模拟了盾构开挖邻近单桩基础的施工过程，总结了桩基与隧道处在不同相对位置情况下的变形规律。邱明明等［8］依托南昌地铁某区间盾构工程，通过有限元软件模拟了富水砂层条件下的盾构掘进施工，结合对施工现场实测数据的分析，最终得出盾构施工引起地表沉降规律。Chen 等［9］通过两阶段分析方法深入研究了隧道开挖引起邻近桩基的变形特性。Loganathan 等［10］通过离心模型试验，分别对隧道开挖引起的单桩和群桩应力变化与变形特性进行了研究。韩进宝等［11］通过离心机试验结果验证了三维有限元模型，并借此来研究邻近桩基受隧道开挖影响的位移变化。章荣军等［12-13］为能够合理考虑桩土界面相互作用特点，通过两阶段分析方法对模型开展了非线性分析。

本文以既有厦深通道内新建深汕高速铁路为例，从通道条件、运行时间、工程经济等方面确立深汕高速铁路坪山东隧道最佳线路方案，并在此基础上选取多种典型工况，通过盾构隧道近接高速铁路桥梁施工数值模拟分析，研究大直径盾构隧道施工与高速铁路桥桩的响应关系以及既有高速铁路桥梁对城市高速铁路规划建设的影响。

1 隧道线路方案

1.1 工程背景

深汕高速铁路位于广东省南部，起于深圳枢纽西丽站，经深圳市南山、龙华、罗湖、龙岗、坪山等，惠州市至深汕合作区赤石镇，正线全长125.52 km，线路正线设计速度350 km/h。整条线路内城市建筑密集，需穿越坪山、大亚湾、惠阳等核心城区，人员流动大，施工环境复杂。深汕高速铁路坪山东隧道位于广东省深圳市坪山区和惠州市惠阳区，为丘间谷地地貌，地形较平坦，主要穿越燕山期花岗岩地层、第三系砂砾岩和泥盆系粉砂岩地层。

1.2 线路方案

为了避免坪山东隧道施工对城市建设的影响，高速铁路线路宜充分利用东西向既有通道走行。为此，结合地质环境，选取沿厦深铁路与沿沈海高速公路两种线路方案，如图1所示。

图1 坪山东隧道线路方案

1）沿厦深铁路方案

沿厦深铁路方案线路自坪山站引出，绕避松子坑水库一级水源保护区，于厦深铁路北侧并行。随后，线路走行于厦深铁路及周边的高层建筑物之间，并以地下方式敷设。于惠州南站前设地下站，出站后并行厦深铁路穿金桔自然保护区核心区，经惠东县，前往深汕合作区方向。

2）沿沈海高速公路方案

由于沈海高速公路的技术标准较低，本方案与高速公路并行段需长距离限速至200 ～ 250 km/h。线路自坪山站引出，沿厦深铁路北侧向东走行。在下穿绿梓互通与金沙互通后，以连续两个半径2 000 m 曲线段横穿坪山区坑梓街道，与沈海高速公路向东并行。随后，线路走行于沈海高速公路及周边的高层建筑物之间，以地下方式敷设。跨越惠大高速公路后，于沙田镇设惠阳北站。之后，穿越惠东县白花新材料产业园，与广汕高铁惠东南站并站，继续并行广汕高铁引入深汕合作区深汕站。比较范围内线路长88.5 km。

1.3 方案比选

1）通道条件

深汕高速公路改扩建后，与两侧建（构）筑物净距在30 ～ 50 m。受既有高速公路平面线形条件影响，为避免大面积房屋拆迁，可利用的与高速公路并行段落较少。且新建铁路曲线半径均在2 000 ～ 2 800 m，约13 km 线路需限速至200 ～ 250 km/h，沿沈海高速公路方案平面线形条件较差。

既有厦深铁路为时速250 km 客货共线，线路沿城市中间穿过，两侧建筑物较为密集，大多与铁路净距一般在30 ～ 50 m。本线自坪山站引出，沿厦深铁路并行，前往惠州方向。由于既有厦深铁路通道顺直，技术标准较高，本线可利用既有铁路并行段落较长。相比而言，沿厦深铁路方案通道顺直。

2）运行时间

森林抚育即在造林后到郁闭期开展的多项林木抚育管理工作，致力于为幼木创造良好的生长环境，最大限度为之提供适宜的光照条件、温度条件、水分、养分等，提升幼木成活率。森林抚育管理工作具体包括土壤管理、林木管理、幼木保护等多项工作。

对本线从西丽至深汕合作区全段进行运行时间模拟，沿沈海高速公路方案线路运营长度132.5 km，运行时间35.3 min；沿厦深铁路方案线路运营长度128.4 km，运行时间32.9 min。因此，在运行时间上，沿厦深铁路方案较优。

3）工程经济

与沿厦深铁路方案相比，沿沈海高速公路方案比较范围线路展线长4.1 km；由于盾构隧道长度较短，且减少了地下站工程，工程投资少2.76亿元。

综上，沿沈海高速公路方案虽然一定程度降低沿既有厦深铁路的施工安全风险，但线路平面条件较差，运行时间较长，与坪山区城市规划的协调较差；沿厦深铁路方案通道顺直，可利用既有铁路并行段落更长，新建线路技术标准高，与城市规划更契合，通过优化施工工艺，施工安全风险可控。因此，推荐沿厦深铁路方案。

2 大直径盾构施工对高速铁路桥梁的影响

沿厦深铁路方案隧道长距离并行高速铁路桥梁，施工期保障厦深高速铁路运行安全成为本方案的决定性因素。

2.1 沿厦深铁路方案隧道情况

沿厦深铁路方案中坪山东隧道断面见图2。坪山东隧道整体为丘间谷地地貌，地形较平坦，上覆土层为第四系残坡积物，下伏基岩为侏罗纪金鸡组粉砂岩、燕山期花岗岩。坪山东隧道盾构管片外径为13.8 m，厚度为0.6 m。

图2 坪山东隧道（单位：mm）

表1 岩土体及结构计算参数

为了验证沿厦深铁路方案合理性，探究该方案施工对既有高速铁路桥梁的影响，取三种典型工况进行分析，见图3。其中：工况1为隧道埋深最大处断面，洞顶为花岗岩，距厦深高速铁路最小水平距离14.90 m、埋深60.10 m 处，隧道洞身主要处于弱风化花岗岩层中。工况2 为距桩身最近处断面，隧道洞顶灰岩覆岩层厚0 ～ 10 m，距离厦深高速铁路最小水平距离8.50 m、埋深35.18 m 处，隧道洞身主要处于弱风化砂砾岩和灰岩地层中。工况3为隧道与高层建筑最小水平距离3.79 m、埋深29.33 m 处。该断面内隧道不仅临近厦深高速铁路，沿线还分布有高层建筑。

图3 计算工况（单位：m）

通过MIDAS 软件建立盾构隧道近接高速铁路桥梁施工数值模型，土层采用摩尔-库伦本构模型，桩结构采用弹性模型。计算参数参见表1。根据圣维南原理，所建模型边界范围为隧道直径的3 ～ 5倍。

三种工况模拟过程中，先进行桥桩的模拟，待地层稳定后，再进行隧道开挖。除此以外，工况3中还研究有无隔离桩对桩基变形的影响。

2.2 计算结果

工况1地层竖向位移与桥桩位移见图4。可知：随着盾构的掘进，地层开始产生变形，在拱顶处隧道沉降最大，其值为1.61 mm；拱底处隧道隆起最大，其值为1.66 mm。隧道开挖后，桥桩开始产生变形，位移最大值出现在桩身中部，其值为0.43 mm；位移最小值出现在桩身底部，其值为0.39 mm。

图4 工况1计算结果

工况2地层竖向位移与桥桩位移见图5。可知：在隧道离桩基最近处，地层沉降规律与工况1 计算结果类似，都是在拱顶处沉降最大，其值为1.01 mm；拱底处隧道隆起最大，其值为1.22 mm。工况2 位移变化最大量略小于工况1，这是因为工况1 埋深更大，所受土体挤压作用更明显。工况2 桥桩最大位移与工况1不同，出现在桩身顶部，其值为0.36 mm；位移最小值出现在桩身底部，其值为0.30 mm。由此可见，在隧道离桩身最近处，坪山东隧道开挖对桩身影响较小。

图5 工况2计算结果

工况3下盾构隧道近接高速铁路桥梁施工数值计算结果见表2。可知：隧道离建筑水平距离最近处，当隧道未施作隔离桩时，建筑桩基及桥梁桩基，最大总位移分别为2.086、1.342 mm。但是施作隔离桩后，建筑桩基及桥桩变形显著减小，二者最大位移分别减小至0.463、0.283 mm，减小到原来的22%与21%。当隧道近接高速铁路桥梁施工时，施作隔离桩可以有效控制地层变形及高速铁路桥梁桩基变形。

3 隧道近接高速铁路桥梁施工变形控制措施

坪山东隧道不仅临近厦深高速铁路，沿线还分布有高层建筑，对隧道的安全施工提出了巨大挑战。为此，本文基于数值模拟计算结果，针对坪山东隧道施工，提出以下变形控制措施：

1）当隧道位于土层且隧道与桥梁净距小于1D（D为隧道直径）时，对隧道采用门式隔离桩保护，隔离桩桩底与隧底平齐。

2）当隧道位于岩层且岩层覆盖层厚度大于5 m时，注意控制盾构掘进参数，调整姿态，加强管片背后注浆。

3）当隧道洞身位于软硬不均段、隧顶覆岩厚度小于5 m 且与桥梁净距小于1D时，在隧道与桥梁之间设单排隔离桩，隔离桩入弱风化岩3 m。

4）明挖段通过加强支护结构刚度，加强桩间止水措施控制地层位移及施工过程中渗漏水。

4 结论

本文从通道条件、运行时间、工程经济等三个方面，对比选取了较优线路方案，并在此基础上选取了三种典型工况，建立了盾构隧道近接高速铁路桥梁施工数值模型，研究了既有高速铁路桥梁对城市高速铁路规划的影响，并给出了变形控制措施。结论如下：

1）临近既有运营厦深铁路新建二线，运行时间短，线路平面条件较好，与城市规划更契合，该方案在工程上可行。

2）经数值模拟计算，采用沿厦深铁路方案时埋深最大断面处地层最大变形1.66 mm，桩身最大变形0.43 mm；距桥桩最近断面处地层最大变形1.22 mm，桩身最大变形0.36 mm。均满足TB 10314—2021《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》桥梁控制变形3 mm要求，能够保证盾构下穿既有高速铁路施工安全和铁路运营安全。

3）为控制地表变形，需要施作隔离桩。与未施作隔离桩相比，建筑桩基、桥桩最大位移分别减小78%、79%，故当隧道近接高速铁路桥梁施工时，施作隔离桩可以有效控制地层变形及高速铁路桥梁桩基变形。