夏井泉，王兆维

(1.重庆市勘测院，重庆 401121；2.重庆市岩土工程技术研究中心，重庆 401121)

1 概述

随着城市轨道交通的发展，明挖轨道车站结构不可避免地与既有铁路隧道交叉。由于铁路隧道安全等级高，社会影响大，探究轨道明挖车站施工及运营对既有铁路隧道影响意义重大。以重庆某轨道交通明挖车站为例，采用理论力学及数值模拟的方法对施工及运营工况下的基坑进行分析，着重分析明挖基坑开挖后隧道围岩的卸荷回弹变形及轨道车站修筑完成后结构荷载及列车动荷载对铁路隧道的压缩变形[1-3]。根据稳定性分析及变形分析结果指导后续设计及施工。根据后期施工反馈及监测数据，分析结果很好地指导了设计及施工，并对后续类似工程起到了借鉴作用。

2 工程概况

拟建轨道车站设计为地下明挖站，轴线长约353m，宽约22m，高约30m。车站结构为地下四层钢筋混凝土箱形结构，车站结构施工采用明挖法，自上而下分步实施。施工时分区、分阶段开挖及浇筑主体结构，同时根据周边环境条件在人工填土及粘土层车站主体基坑采用桩加内支撑结构形式。

拟建轨道车站位于与既有铁路隧道小角度斜交，铁路隧道顶板距地表约46m，距拟建车站约底板15m。既有铁路隧道与轨道明挖车站平面位置关系图如图1 所示，典型剖面相对位置关系图如图2 所示。

图1 拟建明挖车站与铁路隧道平面位置关系图

图2 典型剖面相对位置关系图

既有铁路隧道内轨顶面高程222.83m，隧道顶高程约231.73m，与地表高差约46m。明挖车站与既有铁路隧道小角度斜交，铁路隧道围岩主要为砂质泥岩与砂岩，围岩级别为III 级，隧道结构整体稳定，有少量渗水。该段隧道采用III 级围岩加强复合式衬砌，初期支护拱部径向设置ф22 组合中空锚杆，长3m/根，间距1.2 m×1.5 m（环×纵），梅花形布置；边墙设置ф22 普通砂浆锚杆，长度3m/根，间距1.2 m×1.5 m（环×纵），全环设置I18 钢架，间距1m一榀，初期支护喷C25 砼厚度为23cm，二次衬砌厚度40cm，采用C30 混凝土。

场地位于川东南弧形地带，华蓥山帚状褶皱束东南部的次一级构造，构造骨架形成于燕山期晚期褶皱运动，构造部位属龙王洞背斜东翼，岩层产状：倾向120°～140°，倾角20°～27°，作图及分析采用优势产状130°＜27°。主要发育两组构造裂隙：J1：270°～300°＜54°～77°，优势产状为290°＜60°，延伸5～10m，微张1～3mm，平直，间距1.0～2.0m，偶见钙质充填，结合很差，属软弱结构面。J2：190°～220°＜60°～84°，优势产状为200°＜65°，延伸1～5m，一般闭合～微张，舒缓波状，局部有翻转现象，间距5～8m，偶见泥质充填，结合很差，属软弱结构面。根据实地地质调绘以及钻探揭露、声波测试成果资料，岩体呈块状结构，基岩内裂隙较发育，岩体较完整，层间结合一般。区内无断层，地质构造简单。场地分布的地层为第四系全新统及侏罗系中统溪沙庙组地层(砂岩、砂质泥岩互层分布)。区内场地平整，周围无地表水体，场地基岩上部为相对透水砂岩，下部主要为不透水的泥质岩层，水文地质条件简单。

3 明挖车站与铁路隧道间相互影响

先期隧道施工打破了岩体自身应力平衡，将在隧道外侧一定范围内形成围岩松散圈[4]，由于隧道衬砌结构作用，隧道结构总体保持稳定。明挖车站开挖后将在隧道上部产生卸荷回弹，在基坑内车站结构修筑及后期车站顶部回填和列车动荷载作用下，将进一步产生变形[5，6]。

3.1 数值模拟分析明挖车站对铁路隧道影响

根据地勘报告，拟建工程地层主要由土层和基岩组成。隧道围岩主要为砂质泥岩与砂岩。本次计算将地层概化为碎石土和砂质泥岩两层。

由于勘察报告中未提供计算所需要的所有材料参数，本次计算所需要的材料参数以“钻探说明报告”为基础、并结合隧道设计资料、类似工程材料以及相关规范进行综合确定。

在综合以上资料的基础上确定岩土材料参数见表1。隧道支护结构混凝土材料参数根据《铁路隧道设计规范》表5.2.1 和表5.2.3 确定，具体参数见表2。

表1 岩土材料物理力学参数

表2 混凝土材料物理力学参数

根据铁路隧道设计资料建立三维实体模型，如图3 所示。在三维模型计算中暂未考虑初期支护对隧道围岩稳定的贡献，而仅考虑了二衬的作用，计算模拟范围为水平方向隧道外边缘到模型边界3～5倍洞径，隧道底部距模型下边界距离大于3 倍洞径。数值模拟时将围岩岩体按弹塑性材料考虑，并服从摩尔-库伦屈服准则，隧道衬砌结构按弹性材料考虑，围岩采用三维四面体四节点划分实体单元，隧道衬砌结构采用二维三角形板单元模型，边界条件通过约束模型四个侧面和底面法向的位移来实现。

图3 车站与铁路隧道三维空间位置关系图

由图4～图7 可以看出，轨道车站施工后,典型剖面围岩位移较大值均发生在车站的基础附近，最大沉降为4.99mm。隧道周围岩体位移值相对较大，其中X方向位移值为0.37mm，Y 方向位移值为1.78mm。

图4 三维模型网格划分

图5 车站修建前围岩竖向应力分布图

图6 车站修建后围岩竖向应力分布图

图7 车站顶板覆土回填后围岩竖向应力分布图

车站施工使铁路隧道衬砌结构产生位移，其中沿隧道纵向（x 方向）位移较大值发生在铁路隧道拱顶上，但位移值较小（基本小于10～4m）；受偏压作用影响，y 方向位移最大值，发生铁路隧道拱顶上；可以看出，车站施工均造成隧道衬砌在水平和竖向发生位移，位移量均较大。

3.2 理论力学模型分析明挖车站对铁路隧道影响

为进一步验证隧道围岩分级及车站开挖后火风山隧道的深、浅埋情况影响。勘察单位专门在车站主体跨铁路隧道段布置勘探孔，钻孔布置于隧道结构边墙外侧8m，钻入隧道底板以下5m，并对隧道围岩取样以及作声波波速测试，理论力学模型计算典型剖面如图8 所示。根据岩石室内试验成果统计及声波测试成果，依据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》GB50307-2012 判定：已建铁路隧道洞顶围岩级别为Ⅲ级。隧道顶板距车站结构底板中风化岩石厚度约15m，隧道宽10.6m（毛洞），参考《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)深浅埋划分原则，车站主体结构开挖后，隧道2 倍围岩压力计算高度（5.16m）小于15m，故车站开挖后铁路隧道为深埋隧道。

图8 理论力学模型计算典型剖面

按照重庆市地方标准 《建筑地基基础设计规范》(DBJ50-047-2006) 附录D 之公式验算明挖车站开挖后对隧道稳定性，本次验算未考虑轨道动荷载，详细验算见附件岩土计算书。验算结果表明车站地基反力在铁路隧道顶部基本无附加荷载影响，但验算是建立在车站施工不破坏隧道围岩岩体现状完整性的条件下，未考虑爆破等非地质因素[7，8]。

4 理论分析结果

轨道明挖车站上跨某铁路隧道会引起隧道洞周围岩和衬砌结构产生一定的位移，变形量相对较大，明挖车站对铁路既有隧道衬砌和周边围岩应力分布有较大的影响，附加拉应力量值变化幅度大，对铁路隧道运营产生较大风险难以控制。此外，根据类型项目工程经验，施工爆破震动对其有一定影响，建议施工本段时人工开挖，台阶法施工，边坡开挖若采用爆破法施工，则应严格控制爆破药量、采用微差、预裂等爆破措施，严控地面质点运动速度，同时加强对铁路隧道的变形观测，以确保其安全。

5 结论

（1）隧道开挖将对周边围岩产生一定扰动，造成周边岩土体的应力应变变化，采用支挡结构保证了隧道结构安全性与稳定性。

（2）明挖车站开挖引起的卸荷回弹变形会对下部隧道结构产生一定影响，通过有限元方式论证变形影响的范围及大小对设计及施工起到了指导作用。

（3）基坑回填、加荷引起的附加应力荷载将对隧道结构产生不利影响，采用数值模拟及“冲切锥”理论力学验算稳定性及应力、应变规律。

6 建议

（1）施工中加强支护、减小施工扰动。

（2）对既有铁路隧道进行专项论证及监测，派人加强洞内巡查，保证铁路隧道安全。

（3）施工采用机械开挖，杜绝爆破开挖，避免对铁路隧道影响。