新八达岭隧道下穿青龙桥车站变形控制技术

王建功，卓 越，刘建友

(1.京张城际铁路有限公司,北京 100070；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

引言

随着我国高速铁路路网的逐渐形成，今后必然会出现大量穿越既有铁路的交通工程，由于老京张铁路的特殊性，新建京张高速铁路与既有老京张铁路交叉跨越时，应优先选择新建高速铁路下穿既有老京张铁路方案，而控制路基沉降是下穿老京张铁路的关键技术问题之一。京张高铁新八达岭隧道下穿施工时，不可避免地引起地层应力状态的改变，从而对既有青龙桥车站产生影响。研究新八达岭隧道下穿老京张铁路路基沉降控制技术，对确保老京张铁路运营安全、满足工程建设需求具有重要的理论和实践意义。

国内外一些学者对新建隧道穿越既有车站进行了相应的研究。陈彬科[1]运用Midas GTS有限元分析软件，研究了新建地铁下穿既有轨道车站沉降控制，结果表明，CRD法比上下台阶法在控制沉降变形方面更有优势。李文峰等[2]以苏州拟建8号线地铁隧道下穿既有1号线华池街站和地下连续墙围护结构为例，提出采用水平人工冷冻加固洞门附近土体，采用极限平衡理论推导了洞门土体稳定性的计算公式，分析了土体稳定性的影响因素，结果表明，加固后的土体稳定性系数更高。杜江涛等[3]基于苏州地铁某新建线路下穿既有车站工程，采用数值分析软件对下穿施工方案风险进行研究并分析了下穿施工对既有结构变形的影响，结果表明，采用冻结法加固能有效降低隧道开挖风险并降低隧道施工对既有结构的影响。朱春杰[4]研究了新建隧道分别采用北京市地区比较常用的3种矿山法下穿施工对既有车站暗挖段结构竖向变形的影响，结果表明，CRD法在控制既有结构沉降方面效果最好。李磊[5]通过理论分析、数值模拟以及现场监测实验，对既有隧道车站影响下新建隧道开挖引起的地表沉降进行了分析，发现既有隧道刚度和施工支护情况对地表沉降有较大影响。谢彤彤[6]以北京地铁15号线大直径盾构下穿既有13号线望京西站站房工程为研究对象，通过使用有限元分析软件，对盾构穿越带来的既有车站结构和轨道结构的影响和变形规律进行研究，结果表明，正常施工情况下，采用严格的监测和轨道防护措施能够保证既有地铁的安全运营。王子甲[7]以南水北调北京段西四环暗涵下穿北京地铁1号线五棵松车站为研究对象，对双线浅埋暗挖法小净距暗涵穿越地下车站的影响进行了研究，结果表明，车站正下方土体开挖时引起既有车站结构沉降的主要原因，采取大范围注浆加固是控制车站结构沉降的主要措施。宋文杰等[8]依托北京新建地铁7号线下穿既有地铁10号线双井站的实际工程背景，根据实际工程参数对下穿隧道模型进行简化，并应用有限差分软件FLAC3D对既有车站结构在新建穿越隧道开挖下的力学性能进行研究与分析，结果表明，既有车站与新建穿越隧道间隔土层5 m时车站结构的监测点的沉降值最小且此时车站结构与周围土体的沉降差值也较小。高玄涛[9]以成都地铁某换乘站后建车站基坑开挖及区间近距离下穿既有地铁车站工程为背景，采用三维有限元方法分析研究后建车站基坑开挖及区间下穿对既有车站的叠加影响效应，研究发现后建车站支撑结构采用刚度较大的混凝土支撑，能有效控制既有车站的水平变形。房居旺[10]以杭州地铁7号线建设三路站—耕文路站区间盾构下穿2号线既有建设三路站为背景，采用数值模拟研究分析既有车站结构和盾构隧道的变形趋势及最大沉降区域的分布概况，提出盾构隧道下穿既有车站控制措施。龙喜安[11]以佛山市城市轨道交通三号线大墩站—东平站区间下穿广佛城际铁路东平新城站为背景，采用Midas GTS NX分析既有车站地下连续墙的变形，计算结果表明隧道下穿过程中，地下连续墙变形均小于30 mm，与监测数据接近。张社荣等[12]通过数值模拟手段对新建隧道下穿既有营运车站的施工方案进行比选，确定双线先后开挖方案为最优方案，并结合实际监测结果，验证了当前施工方案的适用性。王明均等[13]基于有限差分法计算程序FLAC3D模拟既有地铁车站下穿隧道三台阶法、CRD法、侧壁导洞法不同施工开挖过程对上部既有地铁车站影响研究，研究表明下穿段隧道采用侧壁导洞施工方法，对上部已有地铁车站隧道结构变形起到较好的控制效果。宋南涛[14]以深圳市轨道交通11号线下穿既有5号线宝华站工程为实例，通过理论分析、数值计算及现场监测，证明了在复合地层中采用“矿山法初支+盾构拼管片”工法的合理性。李本[15]以石家庄地铁6号线区间盾构隧道下穿3号线槐安桥换乘车站为实际工程背景，采用FLAC3D软件对地铁区间隧道下穿既有地铁车站变形机理进行了数值模拟计算，提出底板加厚、周边加固、板凳桩加固和桩+袖阀管注浆加固这四种控制变形技术措施方案。

以上研究多是针对小断面的新建地铁隧道对既有结构或线路的影响，而新建高铁大断面隧道下穿施工对既有车站的影响分析鲜有论述。以京张高铁新八达岭隧道下穿老京张铁路青龙桥车站为背景，通过三维数值模拟方法研究新建隧道近距离下穿青龙桥车站施工对既有车站地表变形的影响，并提出相应的控制技术，为类似的工程提供借鉴。

1 工程概况

新八达岭隧道DK66+380～DK66+460段下穿既有京张铁路青龙桥车站站场，其中DK66+400～DK66+440段洞顶覆土5.3 m。隧道下穿站场段3条既有站线，其中站线Ⅰ正在运营，平均每天接发4趟列车，站线Ⅱ和站线Ⅲ未运营。

洞身段主要穿越强-弱风化斑状二长花岗岩、岩脉以及岩性接触带。斑状二长花岗岩岩质坚硬，块状结构，主要发育3～4组节理，岩体总体上较完整-较破碎，但岩脉接触带、局部节理密集带、差异风化带、蚀变带和DK66+380～DK66+460断层破碎带以及影响带的岩体破碎，施工时应注意塌方冒顶。新八达岭隧道洞身段纵断面见图1。

图1 新八达岭隧道洞身段纵断面

2 变形预测

2.1 计算参数

根据勘察资料，下穿既有京张铁路段，洞身围岩为全～强风化斑状二长花岗岩，为Ⅴ级围岩。隧道洞顶距离路基的覆盖层厚度为5.3 m，表层为人工填土，其下至隧道洞身均为全～强风化斑状二长花岗岩，既有京张铁路轨底以下为碎石道床，表1给出了各种地层材料的计算参数。

表1 各材料计算参数

2.2 计算荷载的施加

模型计算荷载主要包括岩土体自重和既有京张铁路的列车荷载。列车荷载采用静载等效法计算，根据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》，一级重型铁路列车和轨道荷载换算土柱高度及分布宽度[16]分别为3.0 m和3.7 m(土柱容重按20 kN/m3计)。

2.3 本构模型

(1)单元类型

计算过程采用岩土与隧道有限元分析软件MIDAS GTS NX进行，计算时假定围岩为连续介质，围岩采用实体单元模拟，既有京张铁路路基、新八达岭隧道结构等采用板单元模拟。

(2)边界条件

本计算在模型底部施加竖向固定位移约束，模型四周约束为各面的法向位移约束，地表为自由面。

(3)破坏准则

围岩在开挖过程中考虑其塑性变形，采用Mohr-Coulomb准则，而既有京张铁路路基、新八达岭隧道结构采用线弹性本构关系。

2.4 计算工况

新八达岭隧道采用三台阶法施工[17]，如图2所示。根据隧道实际施工情况，分4种工况分别模拟隧道的施工过程。

(1)工况1：新八达岭隧道开挖前的初始工况。指新八达岭隧道开挖施工前既有京张铁路轨道、路基及周围岩土层在自重作用下的初始状态。

(2)工况2：隧道开挖①部，并施做拱顶初期支护和临时仰拱。

(3)工况3：隧道开挖②部，并施做两侧边墙初期支护和临时仰拱。

(4)工况4：隧道开挖③部，并施做仰拱。

图2 隧道施工工法示意(单位：mm)

2.5 计算结果与分析

隧道全部开挖完成后的围岩变形云图、剖面和铁路路基沉降变形如图3～图5所示。可以看出：隧道开挖完成后，最大沉降变形发生在拱顶，为79.699 mm，既有铁路路基沉降变形最大为16.017 mm。

图3 隧道全部开挖完成后围岩变形云图

图4 隧道全部开挖完成后围岩变形剖面

图5 隧道全部开挖完成后铁路路基沉降变形

通过建立地层-结构模型，利用MIDAS GTS NX软件模拟新八达岭隧道下穿既有京张铁路段开挖过程，分析隧道开挖对既有京张铁路的影响，计算了新八达岭隧道施工过程共计4种工况下围岩及既有京张铁路路基的变形，各工况变形计算结果如表2所示。

表2 各工况围岩及铁路路基沉降变形

图6给出了隧道全部开挖完成后既有铁路路基沉降变形的理论值与实测值的对比。图中横轴为铁路路基走向，其中隧道开挖范围为159.1～173.9 m，开挖跨度为14.8 m，中心位置为166.5 m。

图6 隧道全部开挖完成后铁路路基沉降曲线

根据计算结果得到主要结论如下。

(1)理论值与实测值相比偏小，数值模拟计算得到的路基累计最大沉降量为16.017 mm，实测值最大为47.24 mm。隧道施工过程中，数值模拟得到的开挖1部、2部和3部引起的路基最大沉降分别为15.047，15.690 mm和16.017 mm。造成这一结果的原因是实际开挖进尺过大，注浆参数与设计不符。

(2)根据铁路路基沉降曲线，隧道开挖引起的路基沉降范围为隧道轴线两侧各约17 m，路基最大沉降位于隧道拱顶上方。

(3)根据《铁路线路修理规则》中对线路几何形变控制要求，取轨道的沉降控制值为5 mm，路基单日沉降控制值为5 mm/d，路基累计沉降变形控制值为30 mm。将控制值的80%作为报警值，70%作为预警值[18]，具体监控量测控制指标建议如表3所示。

表3 本工程路基控制指标建议值

(4)实测隧道开挖引起的路基累计最大沉降为47.24 mm，超过路基累计沉降控制值30 mm。因此，在隧道施工过程中，应通过控制循环进尺和施工速度来控制路基的沉降，并根据路基的沉降监测结果，及时补充道砟，恢复轨道沉降变形，从而控制轨道的沉降，确保轨道沉降变形满足其平顺性要求。

综上所述，新八达岭隧道施工过程会引起围岩和既有京张铁路路基发生变形，但通过控制开挖循环进尺长度和施工速度，并及时补充道砟，隧道开挖引起的路基累计沉降和轨道沉降变形能够满足相关规范的控制标准。

3 加固措施

3.1 洞内措施

(1)超前长管棚施工

正洞DK66+380～DK66+460段Ⅴ级围岩采用φ159 mm超前长管棚支护，设置范围拱部140°，管棚每环长度15 m，搭接3 m，外插角不大于12°，环向间距40 cm，全环45根，如图7所示。管棚为φ159 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管，连接套管采用φ180 mm、壁厚6 mm热轧无缝钢管。

图7 正洞长管棚横断面设计(单位：mm)

平导2XPDDK0+475～2XPDDK0+520段V级围岩采用φ108 mm长管棚超前支护，设置范围拱部120°，管棚每环长度10 m，搭接3 m，外插角不大于12°，环向间距40 cm，全环20根，如图8所示。管棚为φ108 mm、壁厚6 mm的热扎无缝钢管，连接套管采用φ114 mm、壁厚6 mm热轧无缝钢管。

图8 平导长管棚横断面设计示意(单位：mm)

管棚下穿站线时只设置1处搭接，且搭接位置位于未运营的站线Ⅱ下方，站线Ⅰ和站线Ⅲ下方不设置搭接，如图9所示。

图9 站线范围内管棚搭接示意(单位：mm)

当采用超前长管棚施工时，由于管棚的超前预支护作用，可有效减少路基沉降与拱顶沉降；同时，由于管棚与围岩之间的黏结力，能够提高围岩的力学参数，增大地层自稳能力。

(2)管棚详细参数

①钢管规格：长管棚采用φ108 mm和φ159 mm、壁厚6 mm的热扎无缝钢管，单节长4～6 m，两端车丝20 cm，连接成单根长10 m和15 m的管棚。φ159 mm管棚套管采用φ180 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管，套管丝扣长度40 cm；φ108 mm管棚套管采用φ114 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管，套管丝扣长度40 cm。长管棚连接在同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%。

②长管棚从左至右进行编号，奇数号采用钢花管，偶数号采用钢管，施工时先打设钢花管并注浆，打设钢管的同时检查钢花管的注浆质量。

③钢花管上钻注浆孔，孔径10～16 mm，孔间距15 cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段150 cm。

④管棚环向间距中至中40 cm，钢管轴线与衬砌外缘夹角不大于12°，如图10所示，设在拱部100°范围内。管棚施工误差径向不大于20 cm，环向不大于10 cm。

图10 洞身超前长管棚纵断面设计(单位：m)

⑤长管棚注浆采用水泥浆液，水泥浆水灰比1∶1，注浆压力控制为0.5～2.0 MPa，注浆前进行现场注浆实验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆经验，注浆结束后，所有钢管用M10水泥浆液填充，提高管棚刚度。

3.2 洞外措施

(1)地表注浆加固

隧道下穿青龙桥车站站场地表采用垂直袖阀管注浆加固[19-20]，地表垂直袖阀管注浆采用刚性袖阀管及塑性袖阀管，后退式注浆工艺。

正洞地表垂直刚性袖阀管(孔深15 m)施做范围为隧道两侧开挖轮廓线外4 m注浆加固，塑性袖阀管(孔深10 m)施做范围为正洞内及拱顶注浆加固；注浆加固范围为正洞外两侧拱顶下9 m、开挖轮廓线外4 m、正洞内加固至拱顶以下4 m，轨面以下2 m不注浆、加固长度22.56 m，加固宽度为轨道范围11.1 m，两侧站台不注浆。

平导地表垂直刚性袖阀管(孔深15.8 m)施做范围为平导两侧开挖轮廓线外4 m注浆加固，塑性袖阀管(孔深15.8 m)施做范围为平导内及拱顶注浆加固；注浆加固范围为平导拱顶下4 m、开挖轮廓线外4 m，轨面以下6.8 m不注浆、加固长度14.94 m，加固宽度为轨道范围11.1 m，两侧站台不注浆。

根据现场踏勘，Ⅰ线与Ⅱ线之间埋设有电缆线路，注浆施工前挖开表层明确线路走向再用沙袋回填保护，并做好标记，防止注浆过程中破坏电缆。

地表孔位布置按照1.5 m×1.5 m梅花形布置，沿既有线路方向钻设7排孔，正洞每排15个，共计105个，如图11所示；平导每排10个，共计70个，如图12所示。轨道中线设置1排注浆孔。钻孔孔径为φ125 mm，刚性袖阀管采用φ50 mm无缝钢管加工，塑性袖阀管为φ50 mm PVC材质，正洞和平导地表垂直袖阀管注浆示意如图13、图14所示。

图11 正洞地表垂直袖阀管注浆孔位布置(单位：mm)

图12 平导地表垂直袖阀管注浆孔位布置(单位：mm)

图13 正洞地表垂直袖阀管注浆(单位：mm)

图14 平导地表垂直袖阀管注浆(单位：mm)

地表注浆分段长度1.0 m，施工中可根据地质条件进行调整；注浆顺序按发散-约束型注浆原理进行，由外向内、先周边、再中间跳孔作业方式。采用袖阀管注浆能够提高土体的承载力，改善地层结构，是控制路基沉降的有效途径[21]。

(2)扣轨加固

新八达岭隧道下穿青龙桥车站段采用3-5-3扣轨加固既有轨道线路，需确保下穿施工时既有线运营安全。隧道下穿3条站线(图15)，根据隧道下穿倒边施工方案以及现场踏勘及调查，需对站线Ⅰ和站线Ⅱ进行加固。

图15 青龙桥站线现场

扣轨施工必须在铁路管理相关部门的同意及配合下进行，线路加固作业均应在慢行时间内进行。加固段轨枕全部应换成长木枕，并在轨底增设垫板，以加固轨面。设计限速为45 km/h，加固范围为75 m，如图16所示。

图16 线路加固平面示意(单位：m)

扣轨、枕木联结设计见图17。组装形式按3-5-3扣设吊轨，钢轨接头需错开1 m以上，两端伸出隧道拱墙以外不小于1.5倍隧道高，且伸出路基稳定边坡以外不小于5 m。吊轨与其下的枕木用φ22 mm、U形螺栓联结在一起，钢轨为50 kg/m轨。

图17 扣轨、枕木联结设计(单位：mm)

采用对既有线进行扣轨加固，能够提高轨道整体稳定性和抗差异沉降能力[22]，从而保证青龙桥车站既有线路的运营安全。

4 结论和建议

依托京张高铁新八达岭隧道下穿既有京张铁路青龙桥车站工程，通过数值模拟软件，模拟了新建隧道施工的全过程，根据研究结果得出以下结论。

(1)隧道全部开挖完成后，循环开挖引起的铁路路基累计沉降变形为16.017 mm。

(2)根据铁路路基沉降曲线图，隧道开挖引起的路基沉降范围为隧道轴线两侧各约17 m，路基最大沉降位于隧道拱顶上方。

(3)在隧道施工过程中，可通过控制循环进尺和施工速度来控制路基的累计沉降，并根据路基的沉降监测结果，及时补充道砟，恢复轨道沉降变形，从而控制轨道的沉降，确保轨道沉降变形满足其平顺性要求。

(4)新八达岭隧道下穿施工时，为保证既有青龙桥车站站场线路的运营安全、减少路基的累计沉降，提出了洞内φ159 mm超前大管棚注浆加固、洞外地表垂直袖阀管注浆加固和3-5-3扣轨加固的变形控制技术，能为其他类似的下穿工程控制沉降变形提供经验与借鉴。