彭红霞,程云妍,王怀东

(1.南京地铁集团有限公司，江苏 南京 210008；2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133 )

宁和城际矿山法隧道下穿国铁隧道影响分析

彭红霞1,程云妍2,王怀东2

(1.南京地铁集团有限公司，江苏 南京 210008；2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133 )

为验证矿山法隧道设计的合理性和下穿货运铁路隧道的安全性，采用数值模拟方法，对宁和城际矿山法区间下穿宁芜货运铁路隧道的影响进行了研究分析。结果表明，区间隧道施工完成后，宁芜货运铁路隧道的最大沉降为6.7 mm，最大水平位移为1.2 mm，引起的最大附加弯矩为32 kN·m，变形值满足货运铁路的运营要求，内力值也在结构的设计范围内。说明定向管棚+超前小导管的地层加固措施是可行的，矿山法隧道下穿铁路的设计是合理的，可为类似工程提供参考。

铁路隧道；地铁区间；矿山法；数值分析

0 引言

随着经济的发展，城市地下空间开发日渐成为城市建设的热点。城市地铁线路经常与地下其他建构筑物和铁路产生冲突，这不仅给地铁建设带来了困难，同时也对既有结构和铁路运营安全带来了风险[1-2]。对于地铁盾构隧道下穿施工引起的地表沉降规律也有不少研究,如霍军帅等[3]对软土地区盾构隧道下穿高速铁路的加固方案进行了研究，通过采用桩+板组合加固，预留地铁穿越通道，控制盾构施工参数，保证了盾构下穿高铁的安全和后期运营要求；佘才高[4]对南京地铁2号线下穿芜湖铁路施工方案进行了研究，通过对下穿铁路段土体进行旋喷加固，轨道进行便梁防护，加强监测等手段，保证了盾构下穿铁路的安全；方晓慧等[5]研究了盾构不同顶推力对周边建筑物变形和内力的影响；徐干成等[6]对盾构隧道下穿京津城际铁路的影响进行了分析，得出盾构隧道下穿高铁的变形规律。以上研究说明通过地层主动加固、优化盾构施工参数和加强监测可以保证盾构下穿铁路的安全。

但对于地铁矿山法隧道下穿铁路的工程实例相对较少,如于军[7]对北京地铁浅埋暗挖隧道零距离下穿既有地铁车站施工方案进行了研究，提出在隧道开挖轮廓线两侧2 m内进行全断面注浆能够显著提高穿越段强度，采用千斤顶对既有车站结构底板进行顶撑，2种施工措施可有效降低既有车站的沉降和内力，确保既有车站结构最大沉降在3 mm以内；李新乐等[8]提出双层大管棚和CRD工法相结合的施工方案可满足浅埋暗挖穿越既有铁路的运营安全和沉降要求，对本文具有一定的参考价值。

本文以宁和城际下穿既有宁芜货运铁路隧道实际工程为例，采用短台阶暗挖施工，格栅钢架+双层钢架网片+C25喷射混凝土初期支护，未对铁路土体进行主动加固，也未对铁路轨道进行便梁防护，而是采用定向管棚+超前小导管注浆的施工辅助措施，加之及时监控量测和数值模拟矿山法隧道施工对宁芜货运铁路隧道的影响，分析施工过程中既有隧道的内力和位移，以满足暗挖隧道施工过程中既有货运铁路的安全和沉降要求，验证了矿山法隧道设计的可行性和施工措施的合理性。

1 工程概况

宁和城际南京南站—景明佳园站为单洞单线矿山法区间，隧道中心线间距13 m，2条隧道斜向下穿既有宁芜货运铁路，下穿段全长157.87 m，左线斜向交角为13.3°，右线交角为12.75°。区间隧道拱顶埋深为18.5～19.5 m，宁芜货运铁路隧道拱顶埋深为4.985 m，地铁区间隧道与宁芜货运隧道净距为3.235～4.215 m。区间隧道与宁芜货运平面位置关系如图1所示，剖面相互位置如图2所示。

图1 地铁隧道下穿宁芜货运铁路平面图Fig.1 Plan showing relationship between Metro tunnel and existing freight railway tunnel

图2 地铁隧道与宁芜货运铁路1-1剖面图(单位：mm)

根据地质资料，下穿段地层主要为：①-2素填土、③-2b3软塑状粉质黏土、④-4e1+2可塑-硬塑粉质黏土夹卵、砾石、K1g-2强风化钙、泥质砂岩、K1g-3中风化钙、泥质砂岩。地铁矿山法隧道穿越地层主要为K1g-3中风化钙、泥质砂岩，地质条件较好；场地地下水主要为基岩裂隙水，富水性及透水性差。宁芜货运铁路和地铁矿山法隧道所处地层为粉质黏土、强-中风化粉质砂岩，如图2所示。

2 隧道设计

2.1 货运铁路设计

既有宁芜货运铁路隧道为现浇混凝土箱形结构，侧墙厚1 m，底板厚1.2 m，净宽9.1 m，净高8.05 m。采用明挖顺作法施工，围护桩采用直径1.2 m的钻孔灌注桩，桩间采用φ600 mm的旋喷桩止水，如图 2所示。

2.2 地铁隧道设计

下穿段区间隧道采用矿山法施工，左右线均为单洞单线隧道，采用定向管棚+超前小导管结合的方式对周边地层进行加固。隧道初期支护采用0.5 m间距φ22格栅钢架+C25喷射混凝土，二次衬砌采用C35、P10现浇抗渗混凝土，暗挖隧道断面设计施工参数如图3所示。

图3 矿山法隧道断面图(单位：mm)

地铁隧道采用短台阶法施工，左、右线掌子面距离为30 m，地铁隧道与货运铁路隧道围护结构冲突的位置采用人工凿除的方法破除。

3 数值计算及分析

3.1 计算模型及参数

利用Midas-GTS有限元软件建立三维实体模型，考虑到模型的简化和下穿时最不利情况，模型中不考虑宁芜货运铁路隧道的围护结构和隧道的锚杆作用，单独建立加固层来模拟暗挖隧道的管棚+超前小导管注浆。以初始自重应力场为基准，模拟矿山法隧道开挖如下：1)加固地层，并生成自重应力；2) 激活加固层，杀死隧道内土体单元，激活初期支护单元，进行应力释放，释放系数为18%；3)激活二次衬砌单元，并进行剩余应力释放，释放系数为82%。

为消除边界效应，模型尺寸为130 m×230 m×70 m，如图4所示。区间隧道和宁芜货运隧道结构如图5所示，模型中土体视为理想M-C弹塑性模型[9]，土体和加固层采用空间四节点实体单元，区间隧道和宁芜货运隧道结构采用板单元模拟，分别赋予对应的材料和几何参数，土体参数根据《宁和城际轨道交通一期工程D12-XK01标南京南站—景明佳园站区间岩土工程详细勘察报告》，并结合文献[2-3]进行适当修正，具体参数见表1和表2。

模型的侧面和底面施加位移边界条件，侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，上边界为自由地面。宁和城际隧道施工采用短台阶法施工，但在三维数值模拟过程中，考虑模型的收敛和计算机的计算能力，模拟隧洞开挖采用全断面开挖，开挖步长为7.5 m，左、右线隧道掌子面距离为30 m。

图4 三维计算模型

图5 区间隧道与宁芜货运隧道结构模型图

表1围岩参数表
Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rocks

地层重度/(kN/m3)弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/kPa①-2178136803710550③-1b1+2196304803116459③-2b3195211203615127K1g-12180025475100K1g-22216001847363400K1g-323726001747912800加固层23300024922956

表2 结构单元物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of structure

3.2 计算结果分析

为了更好地观察货运铁路隧道结构的内力和位移，对宁芜铁路隧道结构断面选取8个特征点，提取沿隧道方向各点的内力和变形值，各点布置如图6所示。

3.2.1 对宁芜货运隧道结构内力的影响

提取宁芜隧道横断面上8个特征点的横向弯矩值(Mx)，沿隧道长度方向的纵向弯矩值(My)，并绘制成曲线，如图7—10所示。

图6 货运隧道特征点分布图Fig.6 Layout of monitoring points of existing freight railway tunnel

图7 开挖前各点横向弯矩值Fig.7 X-direction bending moment of each monitoring point of existing freight railway tunnel before Metro tunnel excavation

图8 开挖后宁芜货运隧道各点横向弯矩值Fig.8 X-direction bending moment of each monitoring point of existing freight railway tunnel after Metro tunnel excavation

图9 开挖前各点纵向弯矩值Fig.9 Y-direction bending moment of each monitoring point of existing freight railway tunnel before Metro tunnel excavation

图10 开挖后各点部位纵向弯矩值Fig.10 Y-direction bending moment of each monitoring point of existing freight railway tunnel after Metro tunnel excavation

由图7—10可知，弯矩较大值主要位于底板和顶板中部。由图7和图8可知，矿山法区间隧道施工完成后，宁芜货运铁路隧道横向弯矩(Mx)最大值由850 kN·m增加至882 kN·m，最大弯矩值发生在底板，这主要是由于2个暗挖隧道开挖时，左下、右下开挖卸载造成的。由图9和图10可知，铁路隧道底板纵向弯矩(My)最大值由191 kN·m增大至215 kN·m，纵向弯矩增加较小，这是因为隧道结构为长条形结构，矿山法区间隧道开挖对纵向弯矩影响较小。而且发现横向弯矩大于纵向弯矩，越靠近2个隧道的交叉位置，横向和纵向弯矩增量越大。

从图11和图12可知，开挖前隧道轴向压力最大值为286.9 kN，位于下穿交点的侧墙处；下穿宁芜货运隧道段考虑列车荷载后，最大轴向压力为419.3 kN，轴力值增大了46%，轴力远小于设计值。

综上，宁芜货运隧道内力变化很小，未超出既有隧道结构的承载范围。

3.2.2 对宁芜货运结构变形的影响

由图13和图14可知，暗挖隧道距离货运铁路隧道越近，卸载量越大，引起的水平位移也越大。如图13所示，在东侧段，2个暗挖区间隧道均位于宁芜货运隧道的南侧，左墙水平位移指向南侧，为-1.2 mm；在西侧段，2个暗挖区间隧道均位于宁芜货运隧道的北侧，右墙中心的水平位移指向南侧，最大水平位移为1.0 mm。在暗挖隧道与宁芜货运隧道交叉位置，左、右侧墙的水平位移最小为0.5 mm，是由于隧道底部左下和右下同时进行卸载，使得侧墙左右侧卸载量等同，因而交叉点处水平位移较小。

同时发现既有隧道水平方向位移远远小于竖向位移。铁路最大水平偏差为0.2 mm，位移满足(υmax≤120 km/h)货运铁路经常保养的静态水平偏差管理值6 mm，满足货运铁路的正常运营要求。

由图15和图16可知，2个暗挖隧道施工完成后，230 m范围内宁芜货运隧道结构的最大沉降为6.7 mm，位于顶板中部；最小沉降为3.3 mm，位于底板中部。线路最大静态高低偏差为0.5 mm(10 m弦)，远小于货运线(υmax≤120 km/h)经常保养的静态高低偏差值(10 m弦长沉降6 mm)的要求。

图11 开挖前隧道结构轴力图Fig.11 Axial force of existing freight railway tunnel before Metro excavation

图12 开挖后隧道结构轴力图Fig.12 Axial force of existing freight railway tunnel after Metro tunnel excavation

图13 货运铁路隧道X方向位移云图Fig.13 Contour of X-direction displacement of existing freight railway tunnel

图14 货运隧道各点X方向位移曲线图Fig.14 Curves of X-direction displacement of existing freight railway tunnel

图15 货运铁路隧道Z方向位移云图Fig.15 Contour of Z-direction displacement of existing freight railway tunnel

图16 货运隧道断面监测点Z向位移曲线图Fig.16 Curves of Z-direction displacement of existing freight railway tunnel

最大沉降位于区间隧道与宁芜铁路隧道相交地点。这是因为宁芜货运隧道左下、右下2个区间隧道的开挖导致周边土体的松动，引起宁芜货运隧道顶部左右侧松动区的联通。加之结构顶板上部为素填土回填，底板位于风化岩层中，下部隧道开挖引起周围岩层的变形也必定引起上部沉降较大，下部较小。

3.2.3 实测数据分析

铁路货运隧道底板每隔10 m埋设一测点，主要监测竖向沉降，在左、右侧墙中心位置每隔10 m埋设测点，主要监测隧道结构的水平位移。货运隧道底板中心沉降曲线如图17所示。

由图17可知，宁和城际左线隧道掌子面施工位于交叉节点处，节点的最大沉降为-2.4 mm；待左、右线隧道全部穿越货运隧道，沉降稳定后，货运隧道底板的最大沉降为-4.3 mm，位于宁和城际和货运隧道交叉点，原因同前，实测值略小于计算值，基本满足货运铁路经常保养的静态高低偏差值。

该段城际隧道施工完成后，底板、左、右侧墙中心水平位移实测值如图18所示，规律与数值模拟一致，隧道施工完成后，左侧墙最大水平位移为-1 mm，右侧墙中心最大水平位移为0.8 mm，底板中心最大水平位移为-0.9 mm，均满足货运铁路经常保养的静态水平偏差值。

图17 货运隧道底板中心实测沉降值Fig.17 Measured settlement of bottom center of existing freight railway tunnel

图18 货运隧道水平位移曲线值Fig.18 Curves of horizontal displacement of existing freight railway tunnel

综上，隧道内力未超出结构设计最大内力值，能确保既有隧道的安全，铁路变形均满足货运铁路经常保养的静态管理值。说明地铁隧道采用的短台阶施工方法，以及管棚+小导管注浆支护措施能很好地控制结构的内力和变形，同时也能满足货运铁路运营的要求。

4 结论与讨论

通过三维模拟分析，研究了矿山法地铁隧道下穿货运铁路的影响，并得出以下结论：

1)2个区间隧道下穿货运铁路隧道后，横向弯矩最大值由850 kN·m增加至882 kN·m，最大弯矩值发生在交叉点的底板处，内力均在结构的承载范围内。

2)施工完成后，货运铁路隧道横向最大水平位移为1.2 mm，位于隧道西侧，交叉点处水平位移因左右线区间卸载基本一致，侧墙水平位移为0.5 mm，水平位移变化满足货运铁路静态管理限值的要求。

3)施工完成后，最大竖向位移仅6.7 mm，位于顶板中部；最小竖向位移仅3.3mm，位于底板中部，均位于下穿交叉点处。最大静态高低偏差0.5 mm，满足货运铁路(υmax≤120 km/h)经常保养的静态高低偏差值(10 m弦长沉降6 mm)的要求。

通过模拟分析和实测结果说明：短台阶施工方法，管棚+超前小导管注浆加固方式，格栅钢架+双层钢架网片+C25喷射混凝土的支护方法，可有效控制铁路隧道的内力和变形。但如何考虑地层、注浆、隧道结构、围护桩、轨道结构等多种因素，并提出一套更为完整的应对下穿货运线的设计、施工、监测、管理方法和控制措施，还有待进一步深入研究。

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AnalysisonInfluenceofConstructionofMiningTunnelonNanjing-HexianInter-cityRailwayCrossingUnderneathExistingFreightRailwayTunnel

PENG Hongxia1,CHENG Yunyan2,WANG Huaidong2

(1.NanjingMetroGroupCo.,Ltd.,Nanjing210008,Jiangsu,China;2.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

The influence of the construction of a mining tunnel on Nanjing-Hexian inter-city railway crossing underneath an existing Nanjing-Wuhu freight railway tunnel is analyzed by means of numerical simulation,so as to verify the rationality of the design of the mining tunnel and the safety of the existing freight railway tunnel.The results show that,after the construction of the mining tunnel,the maximum settlement of the existing railway tunnel is 6.7 mm,the maximum horizontal displacement of the existing railway tunnel is 1.2 mm and the maximum additional bending moment induced is 32 kN·m.The deformation values can meet the operation requirements of the existing freight railway and the internal forces are within the design scope of the structures.It is verified that the ground reinforcement measures including “directional pipe-roof + forepoling” taken are reliable,and the design of the mining tunnel crossing underneath the existing railway tunnel is rational.The paper can provide reference for similar projects in the future.

existing railway tunnel; Metro tunnel; mining method; numerical analysis

2014-08-11;

2014-11-13

彭红霞(1982—)，女，四川南部人，2004年毕业于西南交通大学，土木工程专业，本科，工程师，现从事地铁设计、研究和管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.004

U 45

A

1672-741X(2014)12-1137-06