城际铁路隧道下穿客运专线铁路桥梁方案设计

张竹清

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

根据珠三角城际轨道交通总体规划及广州市城市规划布局，珠三角城际广佛环线陈村2号隧道需要下穿通过武广客运专线广州南站桥梁。下穿段隧道设计列车速度为160 km/h，采用两单线布置形式，隧道下穿武广客运专线桥梁后与城际广州南站相接[1-2]。

2 下穿段周边控制因素概述

2.1 客运专线广州南站现状

客运专线广州南站目前开行的线路有武广客运专线及广珠城际铁路。武广客运专线为设计时速350 km的高速铁路，从2009年底开始投入运营。2011年7月1日起，武广高速铁路调图后按最高300 km/h及250 km/h两种列车速度开行。广珠城际铁路广州南至珠海北段于2011年1月7日正式通车，设计速度为200 km/h。列车进出站运行速度为80 km/h。

客运专线广州南站为高架站，城际铁路广州南站为地下站，因此广佛城际陈村2号隧道需要下穿已建成通车的武广客运专线广州南站桥墩，穿越长度为320 m。根据现场调查及收集资料显示，下穿段桥梁单孔跨度为32 m，32号墩左侧结构形式为连续梁，采用无砟轨道，右侧为简支梁，采用有砟轨道。下穿段广州南站现状如图1所示。

图1 下穿桥梁现状

2.2 地表建(构)筑物现状(图2)

图2 下穿段控制因素简图(单位：m)

2.2.1 市政道路

下穿段上方道路为南站南路，双向8车道，两侧布置有绿化带和人行道。C匝道为广州南站西广场进入站台层的落客通道，单向双车道。上述2条道路均已投入使用。

2.2.2 铁路及市政管网

下穿段分布有大量的铁路、市政管线，包括给水管线、雨水管线、污水管线、电力管线、电信管线等，管线材质有塑料、铸铁、钢、混凝土等种类。

2.2.3 既有景观渠

32号桥墩右侧为2号景观渠，渠宽20 m，渠深3.5 m，水深约1.7 m。

3 工程及水文地质概况

隧道范围内地下水类型主要有两种：一种为赋存于第四系土层中的孔隙水，另一种为基岩风化裂隙水。勘察期间测得地下水位埋深0.4～6.1 m，平均水位埋深为2.1 m，水位高程-3.7～2.22 m[3]。

4 高速铁路桥梁沉降的控制要求

4.1 相关规范及规定

根据《高速铁路设计规范》(试行)(TB10020—2009)及《高速铁路设计规范条文说明》(试行)(TB10621—2009)，桥梁工后沉降量不应超过表1限值[4]。

表1 静定结构墩台基础工后沉降限值

注：超静定结构相邻墩台沉降量之差除应符合上述规定外，尚应根据沉降差对结构产生的附加应力的影响确定。

桥梁墩台基础工后沉降限值主要为满足高速列车运营安全和舒适性要求。对于墩台基础均匀沉降，有砟轨道桥梁沉降限值参考了路基的沉降控制标准。无砟轨道桥梁沉降限值主要依据桥上扣件容许的调整量。对于调高量为30 mm的扣件，扣除施工误差+6 mm/-4 mm，仅有20 mm可用于调整运营期间基础沉降、梁体徐变变形产生的轨道状态变化。考虑到基础发生均匀沉降时可通过圆顺线路满足运营要求，对于行车影响相对较小。因此规定，对于有、无砟轨道桥梁墩台基础工后均匀沉降限值分别按照30 mm和20 mm取用。

墩台基础不均匀沉降将在墩台位置产生变坡点，即出现明显的折角，直接影响行车的安全和舒适。相关研究分析表明：不同沉降限值对于梁体动力效应影响较小，而主要影响车辆动力效应；列车轮重减载率随不均匀沉降值的增大而增大；车体竖向加速度、列车车体平稳性指标除与车体自身动力性能有一定关系外，也随不均匀沉降量增加呈增大趋势。同时超静定结构相邻墩台不均匀沉降限值还应考虑对结构产生的附加应力影响[5]。

4.2 收集到的相关下穿高速铁路沉降控制标准

根据资料调研，本文收集到了类似下穿高速铁路工程的沉降要求，详见表2。

4.3 本工程桥梁沉降限值的确定

根据相关规范的规定及收集到的类似工程的要求，并考虑一定富裕量后，确定本工程下穿段桥梁墩台均匀沉降范围为-10 mm～0，极限不超过15 mm，相邻墩台沉降差不大于5 mm。

表2 类似工程沉降限值

5 下穿方案研究

根据前期与广州市规划部门结合及珠三角城际广佛环线运营规划，城际广州南站站场布置提出了2种方案，为此，隧道下穿客运专线桥梁的方案也分别采用矿山法方案及盾构法方案。

方案一：需要将城际广州南站折返线伸入到客运专线广州南站桥梁下方，折返线与正线线间距为5.3 m。因此，盾构隧道断面已不能满足折返线段落的要求，同时由于受到桥下净空的限制，盾构机无法从桥下吊出，施工时只能将盾构机在进入桥梁下方前吊出，桥梁下方不能采用盾构法施工。为此，下穿段采用矿山法方案。

方案二：由于该段位于客运专线咽喉区，对沉降要求严格，下穿客运专线桥墩的施工风险大。矿山法隧道开挖带来的风险必须充分考虑，一旦发生不可控制的事件，将会严重影响广珠城际铁路和武广客运专线的运营。同时由于矿山法造价较高，因此本方案采用两单洞盾构断面下穿客运专线桥梁，该方案施工风险较小，但为了满足城际广州南站的运输组织条件需要将站台层整体东移，增加城际及客运专线换乘距离约250 m。

5.1 矿山法下穿方案

5.1.1 主要边界条件

隧道开挖外轮廓距离广州南站桥桩净距3.61 m。隧道埋深9.84 m。隔离桩距离广州南站桥桩净距2.61 m。矿山法方案隧道与桥梁结构关系如图3所示。

图3 矿山法方案隧道与桥梁结构关系(单位：m)

5.1.2 相关措施及施工工法

(1)在DK34+600～+905段左右线隧道结构外缘设置隔离桩，以减小隧道施工对既有桥桩的侧压力作用和控制地层沉降变形。隔离桩采用φ1.0 m钻孔灌注桩，间距1.2 m，桩端至仰拱底部下2 m。

(2)洞内采用T76L迈式管棚+φ42 mm小导管超前注浆处理，T76L迈式管棚布置于拱墙范围，因侧边隔离桩限制，φ42 mm注浆小导管布置于拱部120°范围。

(3)双线隧道采用初期支护+双层衬砌结构。初期支护采用C25喷射混凝土，厚30 cm，内设2榀/m的I22a型钢钢架。第一层衬砌为25 cm厚的格栅混凝土，内设2榀/m的φ25 mm主筋格栅钢架；第二层衬砌为45 cm厚的钢筋混凝土。

(4)采用双侧壁导坑法施工，在临时支护拆除前完成第一层格栅混凝土衬砌施工，然后拆除临时支护敷设防水层，浇筑第二层钢筋混凝土衬砌。

(5)施工须采用机械开挖，局部硬质岩层在条件允许情况下采用控制爆破施工。

(6)施工期间按照相关规范加强监控量测，特别是对桥墩、梁、轨面及隧道初支等部位。量测信息须及时反馈，实现信息化施工。

(7)为保证客运专线的正常运行，在调查清楚隧道上方管线情况的基础上，对各类管线进行临时迁改。

5.2 盾构法下穿方案

5.2.1 既有盾构机的利用

为充分利用既有盾构设备，节约工程投资，陈村2号隧道盾构段采用珠三角城际铁路在建项目土压平衡盾构。

5.2.2 盾构管片设计

隧道内径7.7 m、外径8.5 m、管片衬砌厚度400 mm。采用C50混凝土，抗渗等级≥P12。管片宽度1.6 m，采用7块模式，全环由1块封顶块，2块邻接块和4块标准块组成。

5.2.3 主要边界条件

穿越武广客运专线既有桥墩，隧道结构埋深约13 m，左侧距离桥墩桩基7.12 m，右侧距离桥墩桩基6.78 m，穿越距离320 m。盾构机下穿桥墩后，在城际广州南站吊出。盾构法方案隧道与桥梁结构关系如图4所示。

图4 盾构法方案隧道与桥梁结构关系(单位：m)

5.2.4 施工注意事项

(1)盾构机到达桥墩前，应选择合适的地层停止掘进，对所有设备进行彻底的检查和维修(刀具、注浆系统)，调整好盾构姿态，确保盾构机以良好的状态顺利穿过客运专线桥墩范围，避免大幅调整盾构姿态。

(2)盾构掘进采用土压平衡模式，选择适宜的掘进参数[8]，严格控制出土量，保持开挖面稳定。

(3)及时足量进行同步注浆。在掘进中及时进行盾尾回填注浆，并可适当调整砂浆配合比，以加快其凝固速度，为确保注浆效果，可进行二次补充注浆。

(4)往开挖面和切削仓注入泡沫，改善渣土的密水性与和易性[9]。

(5)盾构掘进中加强盾尾密封油脂的注入，确保盾尾密封效果。防止地下水从盾尾涌入，有效控制地面沉降、隧道的变形。

(6)施工过程加强地表及桥梁的沉降观测。

5.3 方案比较

矿山法方案及盾构法方案优缺点比较详见表3。

表3 下穿广州南矿山法方案及盾构法方案对比

根据以上论述，采用大断面矿山法方案，其最大优点是可将城际广州南站渡线布置在桥下范围，缩短城际与客运专线车站换乘距离，但正是由于渡线布置的原因，导致隧道开挖跨度达15.18 m，开挖边界距离桥桩仅有3.61 m，开挖面积达140 m2，而埋深仅10 m，虽然超前支护及隔离措施已经加强，但施工风险仍然较大。而盾构方案的最大优点是隧道与桥桩距离为6.78 m，埋深达13 m，施工过程中对桥桩影响较小。考虑到客运专线运营要求的特殊性，一旦出现问题引起的社会影响十分广泛，因此最终推荐采用盾构法下穿方案。

6 盾构法下穿方案数值模拟计算

6.1 模型参数的选取

根据桥梁专业提供的承台底部荷载反算到桥墩位置然后等加到各节点上，先进行左侧隧道施工，施工完成后再进行右侧隧道施工，每次掘进1.6 m，即1片管片长度。施加土仓压力以维护掌子面的稳定，土仓压力为初始应力平衡下该点的初始应力，开挖完成后进行管片拼装及背后注浆，注浆层弹性模量起始按注浆压力0.25 MPa考虑，3个循环后砂浆凝固，弹性模量按150 MPa考虑。所用材料物理力学参数见表4。

表4 材料物理力学参数

6.2 计算模型及结果(图5～图7)

图5 计算模型

图6 开挖贯通后竖向位移云图

图7 地表沉降曲线

本次数值计算土体采用D-P本构模型，用Solid45单元模拟，桥墩、承台采用弹性模型用Solid45单元模拟，桩采用Beam188单元模拟，盾构管片采用Shell63单元模拟。

由图7可知，隧道开挖引起地表沉降最大值仅为14 mm，对地表的影响较小，同时计算表明，在掘进过程中隧道两侧桩体的水平及竖向位移只有0.2 mm，基本可以忽略，因此盾构法下穿方案是安全可靠的。

7 结语

目前，我国高速铁路仍处于高速发展期，已有多条高速铁路投入运营。今后大量高速铁路的建成及通车，设计人员在很长时间内，都会面临新建工程下穿高速铁路的情况需要处理。新建工程与既有高速铁路的交叉处是影响高速铁路运营安全的重要敏感点， 交叉方案的设计非常关键，交叉点方案选择是否合理，对高速铁路的运营安全、城市的长远规划和环境保护都具有重要影响，因此必须做好充分的论证与研究[10]。本文旨在通过广佛环线陈村2号隧道下穿客运专线广州南站的方案设计，给类似工程提供参考及借鉴。

[1] 中华人民共和国铁道部，广东省人民政府.关于广佛环线佛山西站至广州南站段项目建议书的批复[Z].北京:中华人民共和国铁道部，2011.

[2] 中铁第一勘察设计院集团有限公司. 广佛环线佛山西站至广州南站段施工图设计总说明[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2012.

[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司. 广佛环线佛山西站至广州南站段定测阶段地质报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011.

[4] 中华人民共和国铁道部.TB10020—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京:中国铁道出版社，2009．

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)条文说明 [S]. 北京:中国铁道出版社，2009．

[6] 徐干成，等.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析[J].岩土力学，2009，30(2)：269-270．

[7] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.广州市轨道交通九号线工程广州北～花城路区间下穿武广高铁、京广铁路专项设计[Z].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011.

[8] 竺维彬，等.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究[M].广州：暨南大学出版社，2007:81．

[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50446—2008 盾构法隧道施工与验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2008．

[10] 李耐振，闫伟.德大线下穿京沪高速铁路设计方案研究[J].铁道标准设计，2011(5)：25-27.