列車荷載對(duì)隧道下穿路基沉降的影響

陳養(yǎng)強(qiáng)，鄭明新，張永偉，劉 林

列車荷載對(duì)隧道下穿路基沉降的影響

陳養(yǎng)強(qiáng)1，2，鄭明新1，張永偉1，劉 林1

（1.華東交通大學(xué)巖土與道橋工程研究所，江西 南昌 330013；2.中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350013）

以福建省九龍江北引水隧洞穿越鷹廈鐵路、廈深高鐵線路為研究對(duì)象，在路基加固前提下，采用換算土柱法轉(zhuǎn)化的靜荷載和類正弦形式列車荷載形式，采用軟件FLAC3D分析了隧道單線貫通及雙線貫通后的鐵路路基變形情況。研究結(jié)果表明：類正弦形式列車荷載引起的路基沉降比換算土柱法轉(zhuǎn)化的靜荷載引起的路基沉降大0.4 mm，約5%；兩種荷載引起的路基沉降槽形態(tài)均為“雙峰”形態(tài)，峰值均出現(xiàn)在兩隧道各自的中心線上；通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和兩種工況的計(jì)算數(shù)據(jù)，得出靜荷載計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。

引水隧道；靜荷載；類正弦荷載；路基沉降

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，鐵路的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，鐵路路基沉降問(wèn)題也日益得到關(guān)注。目前，在鐵路路基沉降方面的研究主要是以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段為主，在施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)關(guān)鍵位置處的沉降，進(jìn)而對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)提出安全評(píng)價(jià)和沉降控制措施［1］?；诟鞣N數(shù)值模擬軟件，列車荷載對(duì)鐵路路基的影響的成果頗多［2－12］，主要是注重于分析采用土柱換算法得到的靜荷載或激振荷載施加在鐵路線上時(shí)引起的路基沉降。本文采用三維FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析路基加固前提下，采用土柱換算法轉(zhuǎn)化的靜荷載、采用類正弦形式列車荷載這兩種不同加載工況下，分析雙線隧道下穿多條鐵路線時(shí)隧道拱頂、鐵路路基的沉降規(guī)律，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)確定哪種簡(jiǎn)化方式更接近現(xiàn)實(shí)列車荷載。

1 工程概況

擬建工程系九龍江北引水左干渠改造二期工程的一部分，引水隧洞在大人廟段及西山鐵路段與既有鷹廈鐵路和在建廈深高鐵線垂直交叉。上部鷹廈右線（已通車）、鷹廈左線（在建）、廈深客運(yùn)專線（即將通車）呈近東西向，現(xiàn)有地面標(biāo)高為17.45～22.95 m；其下穿引水隧道呈近南北向，設(shè)計(jì)洞底標(biāo)高為1.00 m，洞頂標(biāo)高為5.50 m（黃海高程）。引水隧道超前支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 隧道超前支護(hù)斷面圖（單位：cm）

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)場(chǎng)地詳細(xì)的巖土工程勘察報(bào)告以及部分地質(zhì)鉆孔資料，巖土體自上而下分別為：灰黃色素填土、淺黃色粉質(zhì)黏土、淺黃色殘積礫質(zhì)黏性土、淺黃色全風(fēng)化輝石閃長(zhǎng)巖～弱風(fēng)化輝石閃長(zhǎng)巖；隧道主要穿越淺黃色全風(fēng)化和弱風(fēng)化輝石閃長(zhǎng)巖。場(chǎng)地?cái)嗔褬?gòu)造不發(fā)育，周邊無(wú)全新世活動(dòng)性斷裂和發(fā)震斷裂通過(guò)，屬構(gòu)造穩(wěn)定地塊。

場(chǎng)地所屬地貌屬剝蝕低丘及丘間谷地。根據(jù)地下水的埋藏條件，測(cè)區(qū)地下水可分為孔隙潛水和裂隙潛水兩種?？紫稘撍植荚诘谒南邓缮⒌钠職埛e層、沖洪積層、人工填土及全風(fēng)化巖體中，其水量小，且季節(jié)性變化明顯；裂隙潛水分布于斷層破碎帶及基巖裂隙中。地下水位穩(wěn)定埋深一般為3～8 m。地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，向河床、溝谷排泄。隧道洞身均處于地下水位以下，隧洞圍巖多屬于中等透水～微透水。地下水無(wú)侵蝕性。

1.2 地層加固

隧道采用φ108 mm、壁厚6 mm、每根長(zhǎng)30 m、環(huán)向間距0.4 m的大管棚注漿，結(jié)合4.5 m長(zhǎng)φ42.0 mm×3.5 mm超前小導(dǎo)管進(jìn)行隧道開挖的超前支護(hù)；對(duì)隧道下穿影響鐵路范圍內(nèi)采用φ800 mm雙管高壓旋噴樁進(jìn)行路基加固；洞身兩側(cè)（洞頂4.5 m，洞底3.0 m）采用φ600 mm，樁距1.2 m的單管高壓旋噴樁進(jìn)行加固。襯砌采用C30混凝土，旋噴樁采用C25的混凝土。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 建立模型

采用大型數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型，模擬臺(tái)階法隧道施工穿越鐵路路基過(guò)程中地表變形情況。模擬過(guò)程中考慮的工程條件如下：

①隧道穿越的土層為水平層狀均質(zhì)土層；

②不考慮土體固結(jié)引起的長(zhǎng)期沉降；

③采用無(wú)滲流模式；

④初始地應(yīng)力模型計(jì)算只考慮土體自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力；

⑤假定既有鐵路的路基及軌道結(jié)構(gòu)變形一致［13］。

模型如圖2所示，沿隧道縱向100 m，寬100 m，高40 m。隧道中心線距基床底部18.5 m，兩隧道中心水平距離為20 m，隧道每次開挖5 m。土體采用摩爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型，道砟層、襯砌材料和旋噴樁采用線彈性材料，土體、道砟層和旋噴樁采用實(shí)體單元模擬，襯砌采用殼單元模擬。模型共70 172個(gè)單元，73 660個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 計(jì)算模型

鐵路路基材料參數(shù)如表1所示。各層土體、襯砌和旋噴樁參數(shù)取值如表2所示。

表1 路基填料參數(shù)

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 分析方案

本模型是直接分析鐵路上有車輛荷載情況下，采用旋噴加固路基情況進(jìn)行模擬。所施加的列車荷載皆均勻地分布在鷹廈右線和廈深鐵路上，具體分兩種工況。

工況1：列車動(dòng)荷載采用換算土柱法轉(zhuǎn)化為靜荷載，荷載值根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］取60 kPa均勻地分布在鐵路路基上。

工況2：列車動(dòng)荷載采用類正弦形式，該列車荷載由列車自身質(zhì)量靜荷載和一個(gè)正弦函數(shù)疊加而成的動(dòng)荷載［15－16］，列車自身質(zhì)量取100 t。

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于引水隧道下穿鷹廈鐵路和廈深鐵路，為保證鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，防止由于隧道開挖造成的鐵路路基沉降大變形，此處重點(diǎn)分析區(qū)間隧道開挖過(guò)程中，各鐵路路基中線位置的豎向位移變形量以及隧道拱頂A位置的沉降。

右隧道的開挖造成土體的損失，使相鄰?fù)馏w間的應(yīng)力發(fā)生重分布，這種應(yīng)力重分布波及到地表，引起鐵路路基的沉降。左線隧道的開挖進(jìn)一步引起地層的移動(dòng)，使地表的沉降范圍增大，加大了鐵路路基沉降。

3.1 沿著隧道開挖方向拱頂沉降

選取部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，分別采用字母R和L來(lái)表示右線隧道和左線隧道，其中，R49表示右線拱頂A位置與初始開挖面水平距離為49 m的測(cè)點(diǎn)，L49表示左線拱頂A位置與初始開挖面水平距離為49 m的測(cè)點(diǎn)。列車動(dòng)荷載采用換算土柱法得到的靜荷載作用下拱頂A位置沉降如圖3所示，右線貫通時(shí)洞頂最大沉降為14.43 mm；左線也貫通（即雙線貫通）后洞頂最大沉降為15.03 mm。

圖3 工況1隧道開挖時(shí)拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)A沉降

列車荷載采用類正弦形式荷載隧道拱頂沉降如圖4所示，右線貫通時(shí)洞頂A最大沉降為15.77 mm；左線也貫通（即雙線貫通）后洞頂最大沉降為16.34 mm。

圖4 工況2隧道開挖時(shí)拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)A沉降

3.2 垂直與隧道方向的路基沉降

不同順序的隧道開挖必然對(duì)上部路基的沉降造成不同程度的影響。列車動(dòng)荷載采用換算土柱法得到的靜荷載作用下隧道開挖時(shí)路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降如圖5所示；列車荷載采用類正弦形式荷載時(shí)隧道開挖時(shí)路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降如圖6所示。兩種荷載下造成的沉降見表3。

圖5 工況1隧道開挖時(shí)路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降

圖6 工況2隧道開挖時(shí)路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降

表3 兩種荷載造成的沉降值mm

由圖5和圖6可知：右線貫通后，鐵路路基最大沉降在右隧道中心線上（＋10 m位置）；左線也貫通后（即雙線貫通后），鐵路路基出現(xiàn)“雙峰”形態(tài)的沉降槽，最大沉降值分別在各隧道的中心線上（－10 m和＋10 m位置）。

4 與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

選取具有完整數(shù)據(jù)的典型斷面進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。將監(jiān)測(cè)結(jié)果和兩種工況模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8和圖9所示，得到靜荷載模擬值與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律一致，吻合較好。模擬值比監(jiān)測(cè)值略大，一方面與數(shù)值模擬參數(shù)的選

取有關(guān)；另一方面是由于實(shí)測(cè)點(diǎn)是設(shè)置在路基邊緣，而模擬值的監(jiān)測(cè)點(diǎn)是設(shè)置在鐵路中心線上。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖8 靜荷載模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖9 正弦荷載模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)雙線隧道開挖的數(shù)值模擬，得出當(dāng)雙線隧道全部貫通以后，上部3條鐵路路基在兩種列車荷載形式的作用下的最大沉降值在7.363～8.958 mm，符合《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的最大沉降值控制在15 mm以內(nèi)。

（2）通過(guò)對(duì)比兩種工況，單線（右線）貫通后工況2造成的路基最大沉降比工況1造成的路基最大沉降大5%左右；雙線（左右線）同時(shí)貫通后，工況2造成的路基最大沉降比工況1造成的路基最大沉降大5.2%左右。故可得兩種列車荷載形式對(duì)路基的影響基本一致，采用正弦形式加載會(huì)稍微大5%左右。

（3）雙線貫通后沉降槽形態(tài)為雙峰形態(tài)，主要是因?yàn)閮伤淼篱g距大于3倍隧道開挖直徑；雙線隧道左、右線施工引起的沉降疊加分布，沉降槽形態(tài)為雙峰形態(tài)，兩個(gè)峰值分別在各隧道的中心線上。

（4）通過(guò)模擬值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值的對(duì)比可得：采用換算土柱法轉(zhuǎn)化得到的靜荷載引起的鐵路路基沉降更接近現(xiàn)實(shí)列車荷載引起的鐵路路基沉降。

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U216.421

A

1672－6871（2014）04－0059－05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51068006）；江西省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（YC2013－S169）

陳養(yǎng)強(qiáng)（1989－），男，福建福州人，碩士生；鄭明新（1966－），男，陜西渭南人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事路基與邊坡工程研究.

2013－11－17