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

王建林

（中鐵二十四局福建鐵路建設(shè)有限公司　福州）

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

王建林

（中鐵二十四局福建鐵路建設(shè)有限公司福州）

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，鐵路作為重要的交通途徑，影響著我國經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的往來，在經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。但是鐵路隧道施工具有一定的復(fù)雜性，易引起地表下沉等問題，只有掌握沉降規(guī)律，才能做好質(zhì)量控制工作。下面本文分析隧道施工引起地表變形和下沉的規(guī)律，闡述路基沉降的相關(guān)影響因素，針對如何進(jìn)行有效控制進(jìn)行研究，提出相關(guān)的控制標(biāo)準(zhǔn)，以供參考。

鐵路隧道下穿；路基沉降；沉降規(guī)律；控制標(biāo)準(zhǔn)

1　隧道施工引起地表變形和下沉的規(guī)律

方便的交通運(yùn)輸條件是城市發(fā)展的基本因素之一，鐵路作為運(yùn)輸系統(tǒng)中的重要存在所起的作用有目共睹。城市前進(jìn)步伐加快，人口涌向大城市鐵路運(yùn)輸不適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的問題日益嚴(yán)重。為解決發(fā)達(dá)城市旅客數(shù)量日益增長的問題，我國規(guī)劃了各種城市快速客戶系統(tǒng)，比如較有代表性的環(huán)渤海地區(qū)城際快速客運(yùn)。同時(shí)在高速方面，到2020年底全國高速公路里程將達(dá)到260萬～300萬km，高速公路里程將達(dá)到7萬km以上。

隨著高速和鐵路的不斷發(fā)展，其相互之間的交叉影響越來越嚴(yán)重，當(dāng)前城市交通與實(shí)際用地之間存在著矛盾，為解決這一現(xiàn)象，并且降低交通項(xiàng)目的施工成本，控制對周邊環(huán)境和建筑物的影響，現(xiàn)代城市規(guī)劃多半采用改造和新建相結(jié)合的方式修建隧道，而常見的工藝即為隧道下穿跨越既有鐵路和高速公路。如在我國河北新建隧道下穿城市就體現(xiàn)該方式的具體實(shí)踐應(yīng)用。其主要的優(yōu)勢在于能解決城市有限土地和交通建設(shè)之間的矛盾，保證城市發(fā)展的重要交通渠道。非常方便地解決了客運(yùn)專線穿越城市建筑密集的難題，在全國各地的工程數(shù)不勝數(shù)。隧道下穿跨越既有鐵路或既有公路和的工程有非常大的優(yōu)勢，如節(jié)省成本，然而卻對既有公路和鐵路造成較大的地基干擾，所以利弊共存。引起既有鐵路路基及既有公路路基面產(chǎn)生變形，對施工周圍環(huán)境安全產(chǎn)生不利影響，自專家提出路基沉降的理論后，國內(nèi)外對此影響的研究十分廣泛，由于道路具有的結(jié)構(gòu)性及不間斷性，隧道施工對其影響也對交通負(fù)荷有特殊性質(zhì)。我們調(diào)研分析各種影響下的破壞形式，大量地研究國內(nèi)鐵路工程方面隧道下穿施工引起路基沉降數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，該研究具對沉降變形規(guī)律及合理制定標(biāo)準(zhǔn)具有積極意義。

2　路基沉降的相關(guān)影響因素

2.1工程土地地質(zhì)影響

我國區(qū)域遼闊，地質(zhì)分巖石地層、土地地層兩類。我們以巖石地層影響為例，巖石地層分為硬巖和軟巖兩種，巖石地層一般能夠滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，如鄭西鐵路客運(yùn)專線隧道所處地層可塑，地表沉降的大小和分布性教容易控制，隧道施工過程對既有道路的影響較小。而在地質(zhì)條件較差的軟土地區(qū)，如上海、深圳、寧波等地，前黃隧道為甬臺溫新建鐵路寧波至溫州南段隧道工程，位于寧?？h境內(nèi)，里程為DK85+860～DK90+360，隧道總長度為600m其中該隧道出口附近段下穿甬臺溫高速公路，兩線相交中心里程為DK69+289，高速公路路面與隧道拱頂最小間距只有3.1mm，為甬臺溫全線施工難度最大的工程之一。為控制施工過程中的技術(shù)困難，需采用特殊的輔助施工措施。因此，土地地質(zhì)，地下水質(zhì)是路基沉降的關(guān)鍵因素之一。

2.2地下水質(zhì)影響

鐵路隧道下穿既有公路的實(shí)際施工過程中，隧道的涌、突水地段基本與預(yù)測的可能集中涌水突水地段相符。如太行山隧道DK56+420～DK85+310段地下水位較高，所以隧道通過該涌水地段時(shí)可能引起地下水位下降或洞庭坍塌，造成周圍居民飲水井水渾濁，或供水井出水小等問題。

2.3施工方法影響

最常見的鐵路隧道施工工藝，但是在實(shí)際施工中，會對周圍土地造成變形或沉降等影響，且根據(jù)施工方法的不同，沉降變形程度也不同。所以，在具體施工中，應(yīng)該具體情況具體分析。而為了控制施工造成的地表沉降問題，常采用臺階法，更加適合地層施工需求，其在小斷面中完成隧道施工。例如山西江太鐵路隧道下穿太舊高速公路路基的施工，隧道為單線隧道，施工過程中采用大管棚超前支護(hù)配合的方法開挖，減小高速公路的路面最大沉降。其他方法，如中隔墻法、眼鏡法控制地表沉降優(yōu)于臺階法。

2.4列車運(yùn)行速度對隧道中線最大沉降值影響

隨著鐵路事業(yè)的高度發(fā)展近年來火車速度有大幅提升，因?yàn)榱熊囋诟咚偾斑M(jìn)過程中對軌道的結(jié)構(gòu)和路基有非常嚴(yán)格的要求，列車的平穩(wěn)高速運(yùn)行關(guān)系著軌面的變形大小。如列車以不同的速度等效靜荷載的大小以集中荷載的方式進(jìn)行施加，經(jīng)過有限元計(jì)算得出不同列車速度情況下路基產(chǎn)生的沉降變化，可以得出列車速度與路基最大沉降值的關(guān)系圖。以數(shù)據(jù)列舉為例，假設(shè)列車行駛在既有路線上，速度從90km/h增加到400km/h，單線隧道施工時(shí)路基最大沉降值從11mm增加到13mm，則比沒有列車荷載作用到的情況增大了2mm和4mm；而雙線隧道施工時(shí)路基最大沉降值從16mm增加到了21mm。從上述論述中可知，在隧道下穿施工中，影響既有鐵路路線沉降的主要因素即列車運(yùn)營情況，當(dāng)列車的荷載增大時(shí)，路基沉降也越明顯；反之，依然，兩者呈一種正相關(guān)性。

3　有效控制標(biāo)準(zhǔn)及建議

3.1安全、科學(xué)的原則

鐵路隧道下穿要優(yōu)先保證施工安全，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮相關(guān)行業(yè)部門的規(guī)定要求及達(dá)到工藝水平措施的經(jīng)濟(jì)成本。保證安全包括兩方面∶在滿足道路安全的前提下，考慮施工技術(shù)的實(shí)際情況，充分借鑒以成功完成的項(xiàng)目；以標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以計(jì)算結(jié)果為憑證。

3.2“雙重指標(biāo)、綜合控制”的技術(shù)原則

首先以不破壞公路路面結(jié)構(gòu)和鐵路軌道結(jié)構(gòu)為前提，保證線路的安全運(yùn)營，并且結(jié)合不同部門的管理規(guī)定，制定相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)和控制原則（主要包括沉降、起降、差異起降），采取雙重指標(biāo)、綜合控制的技術(shù)方針，即總沉降值和沉降速率控制。根據(jù)不同的情況，需要分析出相應(yīng)的解決方案，如確認(rèn)出相應(yīng)的預(yù)警數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)作為應(yīng)急情況下的警示數(shù)據(jù)?？刂茢?shù)據(jù)即控制標(biāo)準(zhǔn)，其他數(shù)據(jù)的設(shè)定以這幾個(gè)數(shù)據(jù)做參考，預(yù)警數(shù)據(jù)引起警戒的開始數(shù)據(jù)，報(bào)警數(shù)據(jù)是報(bào)警時(shí)設(shè)定的數(shù)據(jù)，一般預(yù)警數(shù)據(jù)已控制數(shù)據(jù)的65%為依據(jù)，報(bào)警數(shù)據(jù)以控制數(shù)據(jù)的75%為參考。

3.3便于維修養(yǎng)護(hù)的原則

鐵路運(yùn)輸作為目前國內(nèi)最主要的運(yùn)輸形式，其具有不可間斷的特殊性，因此在維修養(yǎng)護(hù)上要遵循規(guī)則。一般參照公路部門的養(yǎng)護(hù)維修管理和鐵路部門的養(yǎng)護(hù)維修指南，其指出了既有公路路基路面的沉降允許值和既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)變形的極限值。因此在施工期間需要維修部門每天進(jìn)行檢查和養(yǎng)護(hù)以便收集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。然而考慮到每天的保養(yǎng)維修量增大，維修一般取軌道結(jié)構(gòu)累計(jì)變形控制的30～50%作為日變形控制值，在不影響運(yùn)輸?shù)那闆r下同時(shí)做到維修方便。

3.4實(shí)施技術(shù)要求

在針對實(shí)際施工上我們根據(jù)已有的成功案例總結(jié)一些控制標(biāo)準(zhǔn)。盡管在不同的下穿過程中，隧道根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同。斷面各種類型、實(shí)際開挖方法及開挖步驟各不相同，但隧道下穿和路基沉降規(guī)律基本一致，綜合資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，華東、華南等沿海地區(qū)因降雨量大土層含水量大，北方地區(qū)為干旱地區(qū)，其土質(zhì)含水量少，則土層的強(qiáng)度很高，自身的承受能力和抗變形能力比南方強(qiáng)。所以引起沉降的主要原因還包括開挖時(shí)地層內(nèi)應(yīng)力場變化及土地中地下水的流失引起的土體排水固結(jié)。

對于軟弱鐵路隧道下穿的施工時(shí)，根據(jù)已有的成功經(jīng)驗(yàn)采用大管棚提前超前保護(hù)，它能很好地穩(wěn)定及控制隧道的整體變形。隧道開始開挖后要考慮到公路級別的載荷，在隧道縱向不同開挖步下公路路面的沉降值近似倒漏斗型分布，要滿足路面的行車要求，需公路路面最大累計(jì)沉降為7.9mm。除了對土層的研究，隧道開挖時(shí)以現(xiàn)場監(jiān)測手段為主。同時(shí)開挖順序也可對工程造成影響。施工中每一步開挖的同時(shí)需要注意封閉掌子面，同時(shí)施作隧道內(nèi)相信位置處的噴混凝土、支護(hù)鋼架、臨時(shí)橫撐等。

4　結(jié)束語

綜上所述，本文針對鐵路隧道下穿既有路基沉降等問題，通過國內(nèi)施工工程資料的收集與調(diào)研及理論分析做了全面、深入地研究。

（1）對下穿既有鐵路隧道施工過程進(jìn)行分析研究了既有鐵路引起路基的變形規(guī)律及對列車安全運(yùn)營的影響，研究分析了軌道結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)。

（2）既有路基沉降變形規(guī)律遵循地質(zhì)的分布，與地表的沉降變形存在差異，路基的沉降受到地下水、土層結(jié)構(gòu)、施工方法、路面結(jié)構(gòu)等多種影響。

（3）國內(nèi)既有鐵路隧道下穿中所采購的數(shù)據(jù)為公路部門定制的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，公路最大沉降數(shù)據(jù)為55mm，鐵路數(shù)據(jù)為25mm。

（4）地表最大沉降量與彈性模量約為對數(shù)關(guān)系?？紤]多種地質(zhì)條件，隧道埋深和隧道結(jié)構(gòu)等因素，采用公式回歸分析方法，推導(dǎo)出地表最大沉降量與地層彈性模量的關(guān)系。提出了新建鐵路隧道下穿不同等級的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

[1]段恩新.鐵路隧道下穿施工引起高速公路路基沉降規(guī)律研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，26（2）∶41～45，82.

[2]高云嬌，婁國充，宋楊，等.鐵路隧道下穿施工引起既有鐵路線路變形規(guī)律研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，27（1）∶31～34，39.

[3]婁國充.鐵路隧道下穿既有路基沉降規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)研究[D].北京交通大學(xué)，2012.

[4]葉志清.鐵路隧道下穿既有路基沉降規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)研究[J].建材發(fā)展導(dǎo)向（下），2015（1）∶16，17.

[5]柴雨芳.隧道下穿施工及列車振動對高鐵路基沉降影響規(guī)律研究[D].西南交通大學(xué)，2013∶56.

U213.1

A

1673-0038（2015）11-0141-02

∶2015-2-20

∶王建林（1981-），男，工程師，大學(xué)本科，主要從事隧道、橋梁工程工作。