京雄城际铁路已铺轨段隧道回填影响分析及沉降控制措施

孙一鸣

中国铁路设计集团有限公司，天津300308

在明挖高速铁路隧道施工过程中，土方回填应在铺轨之前完成，并应有一定的沉降观测期，待沉降稳定后方可铺设无砟轨道。一般情况下无砟轨道铺设后禁止在隧道上方进行大规模的填、挖工程，否则上方土体的回填会导致隧道沉降，从而使无砟轨道产生较大变形，危及行车安全。

针对明挖工程回填对结构及地基产生的影响已有较多研究。周广平［1］通过理论计算分析了高速铁路明挖隧道的基底沉降变形，并通过与现场实测数据比较，得出高速铁路明挖隧道一般建成6个月后沉降趋于稳定。在实际工程中采用预加固措施可较好地解决明洞基底承载力不足及沉降问题［2-4］。林秀桂等［5］对大范围高回填土下明挖隧道的不均匀设计原则进行分析，得出隔离桩的施工处理方法。李盛等［6-7］通过理论分析与室内模型试验，证明了明洞顶土体回填时添加聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS）板与土工格栅会在结构顶产生土拱效应，对明洞填土有减载作用。付贤伦、周济龙等［8-9］通过有限元计算及现场实践证明了随着填土高度增加，沉降显著增加。郝适砻［10］通过有限元分析，证明采用轻质EPS板进行拱顶回填后，结构位移及受力均明显减小，且轻质材料使用越多效果越明显。EPS作为轻质路堤填料［11-12］在工程中有较广泛的应用市场和使用优势。

目前采取的措施都是根据对可能产生沉降的基底进行预加固或是通过铺轨前的沉降观测期来解决沉降问题，部分高填方路基采用EPS轻质材料进行回填。但是对高速铁路明挖隧道无砟轨道铺设之后再进行覆土回填的研究案例国内尚未见报道。本文以京雄城际铁路大兴机场隧道铺板马道段主体结构回填为工程背景，通过建立三维有限元模型对不同回填状态下的隧道沉降进行计算与分析，并与现场实际测量结果对比，验证回填措施的合理性，为今后类似的工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 隧道

京雄城际铁路大兴机场隧道穿越北京市大兴区、河北省廊坊市广阳区、固安县，全长10 588.651 m，设计速度为350 km/h，为国内最长的高速铁路明挖隧道。隧道横断面如图1所示。

图1 隧道结构横断面（单位：mm）

1.2 马道

为保障京雄城际铁路机场隧道无砟轨道板铺设工程按期完成，根据施工组织要求，在隧道设置轨道板施工马道。马道最深处开挖约21.8 m，自隧道衬砌开口处，与隧道结构垂直设置长9 m的直线段，之后经过90°曲线连接到与隧道走向平行的直线段，整个马道以3%+11%的坡度逐渐爬升至整平地面。待隧道段铺轨完成后对隧道主体结构进行封堵，施工完成后对隧道结构进行覆土回填。这就导致马道段落范围内的隧道回填工程须在铺轨完成后进行。

在回填施工过程中，由于隧道顶部的加载改变了地基的受力状态，会引起隧道变形，影响已铺设的无砟轨道，严重时可能会导致本段轨道重新铺设，影响全线的联调联试时间，造成京雄城际铁路不能按期开通。因此，必须采取有效的工程措施来避免此类问题的发生。马道与正线平面位置关系如图2所示。

图2 马道与正线平面位置关系示意

1.3 地质条件

马道工程主要处于第四系上更新统地层中，由上至下主要有粉土、粉质黏土①、粉砂、粉质黏土②、黏土等。在钻孔控制的深度范围内见有地下水，类型为层间无压水，水位埋深约在地面以下7 m，土层参数见表1。

表1 土层物理性质参数

2 模型建立

为评估马道土方回填对隧道沉降、水平位移的影响，对机场隧道马道回填的实际工况进行数值模拟。利用MIDAS-GTS建立整体三维模型，包括隧道基坑、隧道主体结构、马道基坑，如图3所示。模型中放坡高度、坡率、平台宽度及相关结构位置关系根据实际施工图纸建立。土体本构关系采用修正摩尔库仑模型，结构采用线弹性本构模型。模型中围护结构、隧道衬砌、土体均采用3D单元模拟。混凝土结构重度均为25 kN/m3。考虑到实际工况和边界影响效应，计算模型尺寸为300 m（长）×150 m（宽）×70 m（高）。模型上部为自由面，底部设置全约束，侧面设置水平向约束，在产生初始应力场后将整体模型进行位移清零。

图3 三维仿真模型

为准确模拟回填对隧道的影响，回填模型的建立与现场实施回填工序一致。模型采用动态模拟施工过程的计算方法，回填共分五步（图4）：①回填马道内侧至高程3.5 m；②回填马道至高程6.0 m；③回填马道及主体结构至高程11.3 m；④回填马道及主体结构至高程17.3 m；⑤回填剩余部位至地面高程22.3 m。

图4 回填工况示意

3 计算结果分析

3.1 原状土回填隧道结构沉降

根据数值模拟分析，土体回填导致结构产生竖向位移。随着回填高程增加，结构的沉降逐渐增大，上部土方回填的各工况使得隧道产生的沉降分别为0.30、0.76、3.26、8.33、19.9 mm。沉降曲线见图5。

图5 回填过程中隧道沉降曲线

隧道结构顶部的覆土回填对结构的整体沉降产生了较大的影响，结构沉降最大值发生在最后一步土体回填至现状地面，回填引起结构底板处最大沉降19.9 mm。隧道结构沉降见图6。

图6 原状土回填引起的隧道结构最大沉降

根据数值模拟结果（图7），相对于顶部回填土引起结构产生较大的竖向沉降，侧面马道回填引起的隧道底板处最大水平位移为0.2 mm。这表明马道范围内回填对隧道变形的影响很小，可忽略不计，隧道产生的沉降主要来源于顶部覆土的回填。

图7 原状土回填引起的隧道结构底板处最大水平位移

3.2 采用原状土+XPS轻质材料分层回填

由上述分析可知，隧道上方采用原状土回填会导致结构产生较大的竖向位移，而马道范围内的侧面回填对结构的水平位移影响较小。为控制结构竖向位移，先回填黏土，之后隧道顶部采用原状土结合轻质材料分层回填的方案。轻质回填材料采用挤塑聚苯乙烯（XPS，Extruded Polystyrene）泡沫塑料，其抗压强度不小于200 kPa，如图8所示。

图8 现场回填用XPS板

回填方案：拱顶上方1.5 m范围夯填黏土→拱顶正上方范围交替回填XPS材料和夯填原状土至冠梁顶标高（高度5.59 m，其中XPS材料高度3.00 m，夯填原状土2.59 m）→冠梁顶面上方范围交替回填XPS轻质材料和夯填原状土至设计回填顶面标高下2 m（高度3 m，其中XPS材料高度2 m，夯填原状土1 m）→设计回填标高顶面下2 m范围夯填原状土，见图9。

图9 交替回填原状土与XPS轻质材料示意

XPS板铺筑时，禁止重型机械直接在XPS板上行驶。板与板要错缝设置，搭接宽度大于等于0.5 m。块体间产生高低差采用无收缩水泥砂浆调平。XPS板与基坑边空隙采用无收缩水泥砂浆填塞。

经数值模拟，采用原状土+XPS轻质材料分层回填引起隧道结构底板的沉降显著减小，为12.8 mm，见图10。

图10 原状土+XPS轻质材料回填引起的隧道结构最大沉降

4 现场实施

根据设计回填要求，对马道及隧道正线进行回填施工，于2020年6月25日开始回填，8月10日完成回填，后经20 d的沉降观测，沉降趋于平稳，达到联调联试条件。回填过程中分别采集了正洞左右线位置的沉降道床的沉降数据，数据来自邻近马道位置的三个采集点。道床实测累计沉降曲线见图11。

图11 监测点的实测累计沉降曲线

根据图11及其数据拟合情况可知，隧道产生的沉降基本与上方回填土的回填量成正比，随着回填时间的增加及回填土的增加，沉降逐渐加大，沉降-回填时间曲线可以认为是斜率一定且单调递减的直线，从而可以看出结构地基土处于弹性状态，与上部回填土重量是线性相关的。其中回填引起的最大沉降约为12.4 mm，这与数值模拟中12.8 mm的最大沉降基本相同。

此外，在隧道回填碾压的过程中轻质材料并未随上部覆土荷载的增加产生较大的变形，未影响上部覆土的填筑。隧道回填至地面后，在隧道基底沉降稳定后，地面也未产生较大的沉降。这证明XPS材料具有足够的刚度，满足夹土层的压实，回填后不影响地面承载能力。

5 沉降控制效果

本工程是国内首次在高速铁路隧道无砟轨道已经铺设完成的条件下，采用原状土+XPS轻质材料组合方式进行结构回填，且隧道顶部回填高度达11 m。本段无砟轨道扣件轨高调节值为-4～26 mm，调节量主要用于轨道精调，以及后期运营维护期间时的调整使用。一般情况下精调后扣件已调整用量不应大于总调整量的50%，此次回填后轨道上调12.4 mm，满足总调整量50%（13 mm）的要求，满足交付验收标准。目前京雄城际已经运营，该段落行车条件良好。实践证实采用此方法进行隧道回填，可以有效地控制无砟轨道的沉降，满足了无砟轨道的变形控制标准，未对已铺设的无砟轨道产生不良影响。本工程的成功实施可为以后同类项目提供依据。

6 结论

1）隧道回填过程中引起的结构位移主要来源于隧顶回填产生的沉降，侧面马道回填对结构水平位移影响极小。

2）隧底土基本处于弹性状态，隧道沉降与土的回填量呈线性关系。

3）现场实际回填后的轨道沉降与计算评估结果基本一致。

4）XPS材料具有足够的刚度，可以满足夹土层的压实，回填后不影响地面承载能力。

5）在高速铁路隧道无砟轨道已经铺设完成的条件下，采用原状土+XPS轻质材料组合方式进行结构回填产生的沉降满足无砟轨道的变形控制标准，对已铺设的无砟轨道未产生不良影响，运营后该段落行车条件良好。