1. 引言
随着社会经济的快速发展，轨道交通建设已经从高速度发展向高质量发展转型，铁路、地铁与市政工程一体化建造的重大项目日益增多 [1] [2] 。该类工程的建设必将面临周边环境复杂、边界条件多样、近接工程庞杂等诸多工程难题。当新建地铁隧道工程穿越铁路枢纽车场时，由于枢纽车场咽喉区铁路设备设施众多，同时铁路道岔等对沉降极其敏感，咽喉区也因此成为变形控制要求最为严格的区域。
关于隧道下穿铁路枢纽咽喉区安全性的研究，仇文革 [3] 等通过对地铁穿越既有铁路咽喉区的地表沉降规律进行分析，提出了双层大管棚结合地层跟踪注浆的变形控制方案；部分学者 [4] [5] 从施工控制技术角度出发，通过盾构掘进参数优化调整，结合信息化施工监测手段，也可确保相关工程的顺利实施；当采取常规地面加固措施条件受限时，王立川 [6] 等提出以减小盾构出露长度为目的，通过盾构姿态控制和优化同步注浆的方法，解决变形控制的难题。对于部分地铁车站施工可结合铁路枢纽改造的项目，有研究者 [7] 提出了先隧后站矿山法施工的方案，确保先期地铁隧道安全穿过铁路枢纽，后期地铁车站结合铁路改造同期实施。以上成果都是以隧道穿越既有铁路枢纽车场为研究对象，且既有铁路均未预留后期穿越条件，因此，在变形控制方面需采取被动防护的安全措施，实施难度较大且风险较高，而关于铁路枢纽采取预加固的案例则鲜有研究。
本文以新建地铁盾构隧道下穿铁路枢纽车场咽喉区、市政框构桥及排水涵洞综合工程为依托，以确保盾构隧道施工期间枢纽车场及市政设施安全为目的，通过对有、无预加固措施工况下盾构施工对建(构)筑物位移的影响进行模拟分析，论证了铁路及市政桥涵预加固措施的合理有效性。
2. 工程概况
2.1. 铁路工程概况
某铁路枢纽规模为7台15线，为客运专线铁路，东侧为高速铁路车场，布置5台10线，西侧为普速铁路车场，布置3台5线，第三站台由普速车场与高速车场共用。车场铺设有砟轨道，线路为无缝线路，路基为低矮路堑。在枢纽北侧有一条规划道路，规划路与枢纽车场相交处位于站内，交叉角度约75˚ (如图1所示)，在其下穿枢纽处设市政框构桥两座(由铁路枢纽同期代建)，框构桥地基采用桩板结构，由钢筋混凝土板和钻孔灌注桩组成(如图2所示)。此外，在规划道路北侧存在市政排水沟，铁路用地范围内均采用框架箱涵跨越排水沟，排水涵也由铁路枢纽同期代建，涵身基底采用CFG桩对地基进行加固处理。
Figure 1. Planar relationship of municipal frame structure, throat area of railway and shield tunnel
图1. 市政框构桥、排水涵、枢纽咽喉区与地铁盾构隧道平面关系图
Figure 2. Vertical view of municipal framed structure
图2. 市政框构桥立面图
2.2. 地铁工程概况
本工程中下穿铁路枢纽的地铁区间线间距为12 m，两端车站均采用明挖法施工，区间起点处车站与高铁枢纽一体化建造。区间穿越铁路枢纽车场、市政框构桥和排水涵范围线路与铁路平面交角约60˚~80˚，穿越段线路曲线半径为350 m (如图1所示)。区间隧道顶埋深(与铁路轨道净距)最深处约19.0 m。穿越段区间隧道距框构桥结构垂直间距约7.07~8.17 m，距框构桥桩基础最小水平间距约1 m；区间隧道距排水涵结构垂直间距约11.45~12.15 m，距排水涵CFG桩底垂直间距约5.45~6.15 m。
区间隧道采用盾构法施工，结构内净空直径为5800 mm，外直径为6400 mm，管片厚度为300 mm，环宽为1200 mm。管片设计采用六块方案，一个封顶块K (22.5˚)、两个邻接块B (67.5˚)、三个标准块A (67.5˚)，错缝拼装，管片横断面如图3所示。
Figure 3. Cross-section diagram of shield segment
图3. 盾构管片横断面图
2.3. 工程地质条件
本工程勘察的控制性勘探孔最大深度为68.00 m，按照地层沉积年代、成因类型、地层岩性及其物理力学性质对地层进行划分。自上而下主要为人工堆积层的杂填土，第四纪沉积层的黏质粉土–砂质粉土、粉质黏土、细砂–粉砂、细砂–中砂层及圆砾–卵石地层等。盾构隧道穿越地层主要为粉质黏土和细砂–粉砂地层。
3. 穿越工程加固方案
3.1. 盾构掘进变形机理
盾构推进引起的周围岩土体稳定性变化有明显的三维特征，与盾构自身的特性属性(刚度、自重、推力等)、施工进程以及具体操作密切相关(如图4所示)。盾构施工引起的沉降分为五个阶段：① 先行沉降：盾构开始向前掘进后，由于地下水位降低从而导致前方土体发生固结压缩沉降；此时的沉降与土体的软弱程度有关。② 开挖面前方土体的隆起和沉降：如果开挖面土体受到的支护力大于土体原始侧压力则土体会向远离开挖面的方向移动，从而导致地表隆起；如果土体受到的支护压力小于土体原始侧压力，土体会向盾构内移动导致地面沉降。但对于封闭型盾构开挖面的稳定性比较好，另外盾构机后退也会使开挖面土体坍落或松动造成地层损失。③ 通过沉降：由盾构对地层的扰动引起应力释放所致，如施工扰动和盾构与周围土体摩擦力引起的扰动。④ 盾尾空隙沉降：由于注浆不及时、浆液填充不足、注浆压力不合理等因素使盾尾周围土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中移动。⑤后期沉降：由土体固结和蠕变变形引起。历时沉降曲线如图5所示。
Figure 4. Pressure change of surrounding rock caused by shield
图4. 盾构掘进引起的岩土体压力变化情况
Figure 5. Settlement curve with excavation process
图5. 历时沉降曲线
3.2. 加固工程方案
由于新建高速铁路车场及其配套市政工程在地铁区间施工前即需投入运营，为确保地铁区间施工期间铁路路基、轨道、站台等铁路及市政设施的运营安全，控制建(构)筑物的沉降，保障盾构区间的顺利穿越。应最大限度的控制隧道掘进各阶段引起的位移传到地表，因此，在枢纽高速车场(站台3~站台7)咽喉区范围内，地铁右线盾构区间隧道与枢纽车场路基面之间设置“板凳结构” [8] ，即在地铁区间两侧设置隔离围护桩，隔离围护桩上设置板梁型盖板结构，将地铁右线盾构区间隧道与铁路路基隔离开(如图6所示)。同时为了减小盾构掘进过程中周边岩土体位移的向上传递，将“板凳结构”桩基础延伸至盾构隧道以下的持力层。
由于隧道左线上方有存在整体刚度较大的排水涵，且排水涵一侧为车场路基段、另一侧为预加固采取的“板凳结构”。为避免盾构掘进在地表结构物刚度突变处引起的差异沉降，减小掘进过程中隧道两侧的岩土体位移的向上传递。在左线盾构区间隧道左侧，排水涵边与枢纽路基面之间设置一排隔离桩，桩顶设置冠梁，将地铁盾构区间隧道与枢纽路基进行隔离，以此来达到控制沉降的作用。具体高速车场加固方案横断面如图7所示。
Figure 6. Diagram of reinforcement scheme for crossing project
图6. 穿越工程加固方案平面图
Figure 7. Cross-section of reinforcement scheme of high-speed railway junction yard
图7. 高速车场加固方案横断面
结合相关工程经验，对于枢纽西侧已先期运营的3股普速轨道，地铁施工之前，对轨道下部进行地面深孔注浆 + 扣轨加固措施，注浆区域东侧与“板凳结构”加固区域邻接。此外，区间在管片拼装后均增加洞内径向深孔注浆加固措施。
4. 安全影响分析
4.1. 模型概况
本次以模拟盾构隧道立交穿越铁路枢纽车场咽喉区及市政桥涵为研究对象，根据已有的地质钻孔资料确定地层分界线，地层自上而下依次为杂填土、粉土、粉质粘土、细砂粉砂、粉质粘土、细砂和卵石等。运用MIDAS/GTS建立三维模型，为减小边界约束对计算结果的影响，模型各方向取值范围应不小于3~5倍结构影响范围，地铁区间下穿枢纽车场模型尺寸为235 m × 180 m × 50 m (X × Y × Z)，整体计算模型如图8(a)所示。其中，盾构隧道与市政框构桥、排水涵及铁路线路的相对位置关系如图8(b)所示。
(a) 整体模型图 (b) 穿越工程相对位置关系模型图
Figure 8. Three-dimensional model of numerical simulation
图8. 三维计算模型
4.2. 本构关系及边界设定
地层采用修正摩尔–库伦本构模型，框构桥、排水涵及盖板结构采用线弹性本构模型。岩土体及框构桥采用实体单元，排水涵和盾构隧道管片采用板单元，桩采用植入式桁架单元模拟，铁路线路采用梁单元简化模拟。“板凳结构”中盖板采用实体单元，隔离围护桩采用植入式桁架单元，注浆加固区采用实体单元模拟。
在整体计算模型中，模型的顶面为自由边界，底面为竖向约束，四周为法向约束，计算过程中考虑列车荷载的影响。
4.3. 参数选取
考虑到管片接缝处强度的影响，对管片的整体刚度进行折减，折减系数定为0.75，岩土及结构物理力学参数分别如表1和表2。
Table 1. Mechanical parameters of surrounding rock
表1. 岩土体物理力学参数表
Table 2. Mechanical parameters of structure
表2. 结构参数表
注：0.75为盾构管片考虑环缝及纵缝影响下的刚度折减系数。
4.4. 计算假定
为便于分析，简化计算，略去次要因素影响，在计算模型中做如下假定：
1) 各种材料均为各向同性材料。
2) 土体进行弹塑性计算，混凝土结构进行弹性计算。
3) 初始地应力的计算只考虑初始自重应力，未考虑构造应力。
4) 隧道开挖后土体应力瞬间释放。
5) 只考虑施工过程中空间位移与力的变化，不考虑时间效应。
4.5. 模拟工况设置
结合地铁实际工程筹划及高铁枢纽运营条件，分别对有、无加固措施的施工工况进行模拟，加固措施包含“板凳结构”、地面隔离注浆等预加固措施。对于无加固工况，在初始地应力平衡后，按照盾构隧道左线自东向西方向逐环开挖进行模拟，随后逐环施作管片；左线盾构施工模拟完成后，按类似方式重复模拟右线开挖，直至右线隧道贯通。对于加固工况，需在初始地应力平衡后增设加固措施，待含加固措施的初始模型计算收敛后，参照无加固工况模拟各施工步骤。
4.6. 结果分析
根据对有、无加固措施施工工况的模拟计算结果，采用理论分析与数值模拟相结合的手段，对模拟结果进行对比分析，考虑到影响铁路枢纽及市政设施运营安全的控制性因素主要为轨道位移、框构桥沉降和排水涵沉降，因此，本文重点对这三项指标进行分析。
4.6.1. 轨道影响分析
根据模拟计算结果，在未加固工况下，隧道左、右线施工完成后，区间上方轨道最大竖向位移为6.69 mm (高低) (竖向位移曲线如图9(a)所示)，轨道水平最大位移为1.51 mm (轨向)。根据轨道几何不平顺管理值要求 [9] ，轨道高低和轨向限值为4 mm，说明不采取加固措施时轨道高低不满足规则要求，其他指标满足要求。其中，竖向位移最大发生在铁路线路东侧高速轨道的左、右线隧道之间，说明在未采取加固措施时，两隧道引起的竖向位移在此叠加，导致该位置轨道的竖向位移明显增大。
而在加固工况下，左、右线都穿越后，区间上方轨道最大竖向位移为3.18 mm (高低)，轨道水平最大位移为0.45 mm (轨向)。根据轨道高低和轨向4 mm的管理限值要求，采取加固措施后轨道不平顺指标满足管理值要求。说明通过采取“板凳结构”、地面隔离注浆等预加固措施可明显控制轨道的变形，证实该加固措施是有效的。而且加固后位移最大位置发生在西侧普速轨道的左线隧道上方，考虑到该位置采取的是地面隔离注浆的加固措施，说明地面隔离加固措施的加固效果弱于“板凳结构”，因此，在铁路建设前期预留设置“板凳结构”是非常必要的，该方案可为规划条件具备的工程项目提供参考。
(a) 未加固工况
(b) 加固工况
Figure 9. Vertical displacement curve after tunnel construction
图9. 盾构穿越后轨道竖向位移曲线图
4.6.2. 框构桥影响分析
在不采取预加固措施的条件下，隧道左、右线开挖后，在附加应力作用(偏向卸载)下，结构变形整体呈现单侧沉降的趋势，框构桥的最大竖向位移约为−0.50 mm，竖向位移云图如图10(a)所示。最大竖向位移发生在框构桥西北角，处于两区间上方。由于框构结构整体刚度较大，框构桥出现倾斜，在框构桥的另一侧上抬约0.28 mm，说明在未采取加固措施时，盾构引起的地表沉降对框构桥有明显影响。而在采取预加固措施的条件下，隧道开挖后，框构桥的最大竖向位移约为−0.29 mm，位于右线区间正上方，两线穿越后框构桥的竖向位移云图如图10(b)所示，结构沉降小于规范规定的工后沉降10 mm的限值要求 [10] [11] 。但在采取加固措施后，框构桥的竖向位移减小了约42.0%，且整体倾斜程度明显降低，说明采取预加固措施后对沉降控制的效果较为明显。
4.6.3. 排水涵影响分析
在不采取预加固措施的条件下，隧道左、右线开挖后，排水涵结构位移整体呈现下降趋势，左线上方邻近右线的外缘处沉降整体较大，排水涵的最大竖向位移约为−6.81 mm，区间穿越后排水涵的竖向位移云图如图11(a)所示。由于排水涵处于左线隧道正上方，这也同样说明双线开挖相较单线开挖引起的竖向位移会有明显叠加效应，导致沿两线中间位置竖向位移整体较大。而在采取预加固措施的条件下，左、右线隧道都穿越后，地面隔离注浆加固区域区间上方沉降值最大，排水涵的最大竖向位移约为−2.88 mm，两线穿越后排水涵的竖向位移云图如图11(b)所示，结构沉降小于规范规定的工后沉降10 mm的限值要求 [10] [11] ，且采取预加固措施后，排水涵的沉降量减小了约57.7%，说明通过采取预加固措施可明显降低排水涵的变形，预加固措施效果显著。
(a) 未加固工况
(b) 加固工况
Figure 10. Vertical displacement cloud image of municipal frame structure after tunnel construction
图10. 盾构穿越后框构桥竖向位移云图
(a) 未加固工况
(b) 加固工况
Figure 11. Vertical displacement cloud image of municipal drainage frame after tunnel construction
图11. 盾构穿越后排水涵竖向位移云图
5. 结论
根据对地铁区间下穿铁路枢纽车场方案及安全性进行评估，考虑铁路线路及相关结构物的安全控制标准，结合铁路路外工程管理的要求，通过分析，主要得出以下结论：
1) 左、右线都穿越后，未加固工况区间上方轨道最大竖向位移为6.69 mm (高低)，轨道水平最大位移为1.51 mm (轨向)，轨道高低不满足4 mm的规则要求；采取预加固措施后，区间上方轨道最大竖向位移减小为3.18 mm (高低)，轨道水平最大位移减小为0.45 mm (轨向)，轨道高低、轨向等轨道不平顺指标均满足管理值要求。
2) 盾构区间下穿市政框构桥、排水涵的施工过程会对铁路既有桥涵结构产生一定的附加影响，通过模拟分析可知，施工阶段引起的框架桥(涵)沉降值均满足规范规定的沉降量限值要求，但在采取加固措施后，桥涵的变形数值明显减小，最大沉降量减小约57.7%。
3) 通过采取板凳结构和地面隔离注浆等预加固措施，盾构施工过程引起的轨道位移、框构桥(涵)沉降均满足安全控制标准要求，且影响较无加固工况明显减小。因此，可认为本穿越工程的加固措施是必要且有效的。目前本工程已顺利实施完成，该方案可为后续类似工程提供参考。