鐵路隧道下穿既有路基沉降規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)研究

葉志清

摘 要：隨著客運(yùn)專線以及高速鐵路的擴(kuò)大，既有鐵路、新建鐵路和公路的交叉現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，改建與新建鐵路使用隧道下穿的方式跨越公路與鐵路工程越來(lái)越多。但是，在這過(guò)程中，軌道或者鐵路路基變形的現(xiàn)象仍然存在，從而也就對(duì)周邊環(huán)境以及鐵路施工造成了很多不利影響。文章結(jié)合我國(guó)鐵路隧道下穿既有路基沉降以及控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探究和闡述。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；路基；沉降規(guī)律；控制標(biāo)準(zhǔn)

交通運(yùn)輸作為城市形成以及發(fā)展的重要因素，一直被視為運(yùn)輸工作的骨干，在生活水平快速發(fā)展的今天，隨著改革進(jìn)程加大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了很大的發(fā)展，人口逐漸向沿海、大城市等經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的地方流動(dòng)，這不僅加重了國(guó)民經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，同時(shí)也帶來(lái)了一系列問(wèn)題。為了降低土地占用與既有交通之間的影響，改建、新建鐵路使用隧道下穿的形式越來(lái)越多，如：石家莊的六線專線隧道下穿，很好的解決了交通干擾與城市分割問(wèn)題；美蘭機(jī)場(chǎng)利用隧道下穿，降低和既有運(yùn)輸網(wǎng)的干擾；武廣鐵路全長(zhǎng)10.1千米，在長(zhǎng)沙市東部下穿長(zhǎng)永、京珠、機(jī)場(chǎng)高速，這樣就解決了客運(yùn)專線對(duì)密集建筑群的影響。雖然改建、新建鐵路使用隧道下穿具有強(qiáng)烈的優(yōu)勢(shì)，但是它會(huì)對(duì)公路和鐵路路基產(chǎn)生影響，甚至影響安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)公路與鐵路帶來(lái)破壞，引發(fā)較大的安全事故與經(jīng)濟(jì)損失。因此，在實(shí)際工作中，我們必須根據(jù)鐵路隧道下穿既有標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上消除、減輕、避免施工造成的地表沉降。

1 隧道下穿施工對(duì)既有路基的影響

在鐵路施工建設(shè)中，地表變形、沉降作為不可避免的現(xiàn)象，它會(huì)生成一定的沉降槽，影響建筑物構(gòu)造。自R.B.Peck地表沉降理論以來(lái)，國(guó)內(nèi)外加大了對(duì)構(gòu)筑物的研究，尤其是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)模擬，但是對(duì)于下穿既有道路的研究一直局限于數(shù)值計(jì)算和施工測(cè)量。當(dāng)鐵路隧道下穿既有鐵路，又有公路時(shí)，會(huì)由于道路運(yùn)輸?shù)牟婚g斷和結(jié)構(gòu)特征，隧道施工不僅具有地表沉降的性質(zhì)，還會(huì)在交通荷載、道路結(jié)構(gòu)中具有特殊性質(zhì)。

1.1 隧道下穿對(duì)既有路基的影響

在鐵路施工中，新建隧道下穿不僅對(duì)周邊能夠產(chǎn)生擾動(dòng)，還能促使地層應(yīng)力調(diào)整與改變，引發(fā)地表、地層變形，最后讓既有鐵路路基與附屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形和移動(dòng)的現(xiàn)象。這種變形、位移和土的附加應(yīng)力以及自重引發(fā)沉降具有不同的特征，同時(shí)這也是建筑物被損壞的原因。因此，在實(shí)際工作中，必須掌握隧道施工對(duì)建筑物的影響與破壞形式，才能不斷完善控制技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)。

從隧道下穿施工引發(fā)的變形模式來(lái)看，隧道下穿會(huì)讓土體原有的平衡被打亂，在重新建立力學(xué)平衡的同時(shí)，很有可能帶來(lái)新一輪的變形、移動(dòng)與破壞，然后反饋到地表結(jié)構(gòu)，讓隧道上訪出現(xiàn)變形和移動(dòng)，最后形成一定程度的沉降槽與形狀。從隧道開(kāi)挖影響過(guò)程來(lái)看，主要有來(lái)自垂直方向的下沉、扭曲、傾斜、變形，以及來(lái)自水平方向的變形、拉伸和移動(dòng)。在變形和地表移動(dòng)的基礎(chǔ)上，低級(jí)與建筑物基礎(chǔ)之間的平衡被打破，構(gòu)造物與建筑物之間出現(xiàn)附加力。在這過(guò)程中，不同的地表變形與沉降，對(duì)建筑物的影響不同。

從隧道施工引發(fā)的破壞形式來(lái)看，隧道開(kāi)挖和埋深、土層性質(zhì)、圍巖狀況以及水文地質(zhì)具有直接的聯(lián)系，它的本質(zhì)是圍巖隧道的應(yīng)力決定的。對(duì)于地質(zhì)環(huán)境較好的區(qū)域，因?yàn)樗淼绹鷰r整體性較好、強(qiáng)度較高，所以在隧道開(kāi)挖時(shí)就能及時(shí)釋放應(yīng)力，并且減少土層松動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于圍巖環(huán)境較差的區(qū)域，由于開(kāi)挖后很難生成承載效應(yīng)，在應(yīng)力釋放的同時(shí)，上覆土層會(huì)形成全新的塌落區(qū)域，此時(shí)的圍巖表現(xiàn)為松弛的荷載，土層上基本沒(méi)有任何自承與自穩(wěn)能力，一旦遭到外界影響，塌落區(qū)域就會(huì)增加，從而對(duì)周邊環(huán)境、地表建筑構(gòu)成威脅。需要注意的是：這種土料具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性能，一旦遭到開(kāi)挖就可能擾動(dòng)剛度與強(qiáng)度，新型的巖土材料就會(huì)造成整體凹陷或者下沉。

1.2 隧道施工對(duì)公路的破壞形式

在鐵路隧道下穿施工中，新建隧道很容易在土層上覆時(shí)出現(xiàn)不均勻沉降，在路面變形的同時(shí)，生成沉降凹槽。在這期間，路面危害具有多種形式，在下穿隧道施工中，很可能帶來(lái)線路破壞和路面路基破壞。結(jié)構(gòu)破壞，是路面路基在受到剪應(yīng)力作用時(shí)，讓路面出現(xiàn)的過(guò)量變形，具體如：瀝青、水泥混凝土斷裂、搭班破壞、錯(cuò)臺(tái)等；功能性破壞是受公路等外界因素影響不能確保車(chē)輛正常通行的情況，具體如：瀝青路面的起皮、波浪、隆起、沉陷、剝落、坑槽等。從路面病害原因來(lái)看，它可能是車(chē)流量、路面質(zhì)量，也可能是使用時(shí)間、排水方法以及路基穩(wěn)定性造成的。最主要的原因是路基聯(lián)合以及不均勻沉降的結(jié)果，最后導(dǎo)致整體破裂與變形，同時(shí)隧道下穿施工也會(huì)帶來(lái)沉降不均勻的現(xiàn)象，從而對(duì)路面結(jié)構(gòu)性和功能性產(chǎn)生影響，最后危及交通安全。

2 鐵路隧道下穿施工造成的路基沉降規(guī)律

在鐵路隧道下穿既有路基沉降中，對(duì)土體的擾動(dòng)作為不可避免的過(guò)程，它不僅會(huì)對(duì)路面、路基構(gòu)成影響，還會(huì)對(duì)交通安全產(chǎn)生一定的作用。時(shí)至今日，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)地表沉降進(jìn)行了研究，還提出了計(jì)算公式。但是需要注意的是：在隧道下穿既有道路施工中，路面沉降最大值和沉降分布公式都必須引以重視。當(dāng)前，最大沉降局限于地層損失率假設(shè)上，它具有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，所以不能反映隧道跨度施工、埋深以及地層性質(zhì)，在預(yù)測(cè)中，實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)一般都存在差距。在荷載傳遞中，車(chē)輛荷載是用均布的形式從內(nèi)部向各個(gè)方向傳遞，根據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的傳遞角水平與豎向的比值為0.7：1，在車(chē)輛組合中，我們可以根據(jù)具體情況，也就是荷載傳遞，以一定的角度將輪壓荷載輸進(jìn)地面，實(shí)際情況的擴(kuò)散角與土體摩擦有很大的關(guān)系。

在數(shù)值實(shí)驗(yàn)方案以及模型建立中，通過(guò)對(duì)鐵路隧道下穿沉降變形進(jìn)行量化分析，思考沉降變形時(shí)各個(gè)影響機(jī)理和程度。在這過(guò)程中，造成變形沉降的因素很多，并且互相影響。為了綜合地層參數(shù)、隧道埋深、跨度等地面的影響，可以使用數(shù)值模型的方式，對(duì)其進(jìn)行分析。為了綜合施工隧道對(duì)既有公路路面帶來(lái)的影響，我們可以將其分成若干處進(jìn)行公路下穿，并且根據(jù)下穿深度，對(duì)鐵路雙線、單線隧道施工進(jìn)行模擬。

隨著物質(zhì)生活水平的提高，既有鐵路與新建鐵路使用隧道下穿的方式在高速鐵路以及客運(yùn)專線上應(yīng)用的越來(lái)越廣，所以對(duì)既有路基沉降和控制標(biāo)準(zhǔn)研究成了熱點(diǎn)。新建鐵路用隧道形式進(jìn)行下穿，必定會(huì)對(duì)應(yīng)力造成影響，從而造成不均勻沉降，這也是既有鐵路變形，出現(xiàn)兩軌高差、不平順、剝離懸空的主要原因，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)帶來(lái)交通事故。因此，對(duì)沉降規(guī)律進(jìn)行研究也是必要的。為了精確的得到鐵路新建對(duì)既有鐵路的影響，必須整合新建科學(xué)性，在確保研究目的的同時(shí)，結(jié)合模型內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)化。例如：在荷載計(jì)算時(shí)，我們可以結(jié)合影響因素，對(duì)變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。目前我國(guó)對(duì)于鐵路荷載已經(jīng)進(jìn)行了研究，并且提出計(jì)算方式。在作用力下，鋼軌的變形曲線、影響范圍與鋼軌、輪軌力、道床、軌枕、路基有直接關(guān)系，通常是5根軌深，5根軌枕承擔(dān)輪軌力。另外，我們也可以參照日本計(jì)算方式，得到應(yīng)力最大值和計(jì)算方法。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵路隧道下穿既有路基沉降研究作為近年來(lái)鐵路運(yùn)輸新型的研究方面，對(duì)鐵路運(yùn)輸以及建設(shè)具有重要影響。因此，在實(shí)際工作中，必須結(jié)合沉降規(guī)律和控制標(biāo)準(zhǔn)，從各方面推動(dòng)鐵路建設(shè)。

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