地鐵盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路影響分析

陳鼐基

摘 要：地鐵盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路路基工程中會引起路基的沉降，使得軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的不平順。利用Plaxis三維有限元軟件模擬盾構(gòu)掘進(jìn)引起的路基沉降曲線，并進(jìn)一步分析了在該沉降曲線下鐵路行車安全性及舒適性。結(jié)果表明，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的路基沉降小于6mm，最大高低不平順和水平不平順分別為0.19mm和0.20mm，行車時造成的第一輪對脫軌系數(shù)為0.47、第一輪對輪重減載率為0.34，橫向加速度為0.36m/s2，豎向加速度為0.32m/s2，故建議施工期間對鐵路實(shí)行限速運(yùn)營。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；鐵路路基；行車安全性；行車舒適性

隨著城市化進(jìn)程不斷深入、交通設(shè)施不斷完善，地鐵隧道穿越既有鐵路線路的工程不斷涌現(xiàn)。地鐵隧道多以盾構(gòu)法施工，而盾構(gòu)機(jī)在開挖土體時會破壞原有的土體結(jié)構(gòu)、造成地層損失，進(jìn)而引起地表沉降。而當(dāng)盾構(gòu)隧道需穿越既有鐵路線路時，路基表層的沉降會造成上部軌道結(jié)構(gòu)的額外不平順，對鐵路的行車安全造成影響。

結(jié)合南京寧和城際下穿寧蕪鐵路工程為背景，利用三維有限元分析軟件模擬了下穿工程造成的路基表面沉降，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了該沉降曲線對鐵路行車安全及舒適性的影響。

1 工程概況

南京都市圈城際軌道S3線，即寧和城際（南京南站至橋林段），線路全長37.745km，其中高架線23.245km，地下線14.40km，敞開段0.10km。共設(shè)18座車站。線路最大站間距12288m，為生態(tài)科技園站～濱江村站過江車站；最小站間距792m，為黃河路站～淮河路站車站。下穿寧蕪鐵路為華新路站～油坊橋站區(qū)間。

下穿節(jié)點(diǎn)處寧和城際為盾構(gòu)隧道，處于曲線段，曲線半徑為650m，與寧蕪鐵路的交角約為74°；距離左線盾構(gòu)隧道7.6m以及右線盾構(gòu)隧道13.9m各有一處道岔；距離寧蕪鐵路南側(cè)約30m處設(shè)有一處聯(lián)絡(luò)通道。隧道頂部埋深約16.4m，所處土層為K2p-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、砂巖。隧道管片外徑為6.2m，內(nèi)徑為5.5m，管片厚度為0.35m。

2 列車荷載布置形式

寧蕪鐵路為客貨混運(yùn)，計算列車荷載時，采用中-活載（2005）圖式中客運(yùn)線（ZK）和貨運(yùn)線（ZH）兩個基本圖式作為盾構(gòu)推進(jìn)施工過程中的鐵路列車荷載。

客車設(shè)計時速為120km/h，貨車為80km/h。計算時考慮動力沖擊的影響，動力沖擊系數(shù)為，為列車運(yùn)行速度。將軌枕所受2個輪子的集中力等效為沿軌枕分布的均布荷載，軌枕考慮為全支承形式，接觸應(yīng)力沿軌枕均勻分布。

根據(jù)以上方法，考慮動力沖擊系數(shù)的影響，計算出數(shù)值模擬中鐵路上的列車荷載如圖1所示。

由圖1可知，客車、貨車荷載軸距相同，而貨車荷載圖式中集中荷載和均布荷載都比客車荷載大，因此在計算盾構(gòu)施工對寧蕪鐵路的影響時上方鐵路荷載選用貨車荷載進(jìn)行分析。

此外，圖1顯示列車荷載形式包含集中荷載和均布荷載兩類，且集中荷載量值較大。建立模型時，當(dāng)集中荷載施加于盾構(gòu)上方，由于隧道左線較右線先開挖，需分別計算荷載作用于左線盾構(gòu)上方及右線盾構(gòu)上方的情況；當(dāng)集中荷載作用于城際線路中心線上方，由于計算模型左右對稱（見下文），故僅計算隧道左線先開挖的情況。

3 有限元計算

3.1 有限元模型建立

根據(jù)下穿節(jié)點(diǎn)處的幾何位置關(guān)系，建立三維有限元模型，采用數(shù)值模擬方法，研究列車荷載在地面上通過的受力情況。

模型總寬度為120m，縱向延伸100m，高度為40m，隧道頂部埋深16.38m，鐵路線路與盾構(gòu)隧道近似認(rèn)為是正交。土體采用理想彈塑性模型、摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，在幾何模型底部施加完全固定約束，在四周施加水平約束，模型表面為自由邊界。在計算最不利荷載時，應(yīng)力釋放系數(shù)取0.6（理由見3.3節(jié)）。

當(dāng)荷載作用于盾構(gòu)右線上方時，計算得到各工況鐵路沉降曲線如圖5所示。

將三種不同荷載布置形式下鐵路中心最大沉降列于表1，由表中數(shù)據(jù)可知三種形式差別較小，當(dāng)集中荷載施加于左線盾構(gòu)上方時引起的鐵路沉降量略大，最大值為5.40mm，故采用該種加載方式為最不利情況，本節(jié)余下的計算結(jié)果都是基于這一加載方式下得到的。

3.3 隧道開挖對線路變形的影響

按照荷載最不利布置方式施加荷載，根據(jù)隧道所穿越土層工程性質(zhì)可知，盾構(gòu)隧道全斷面穿越K2p-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，壓縮模量為35MPa，工程性質(zhì)較好，故采用應(yīng)力釋放的方法模擬計算盾構(gòu)下穿鐵路造成的影響。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，隧道開挖周邊的應(yīng)力釋放系數(shù)可按下式計算：

本隧道中心平均埋深16.38m，計算得β=0.41?？紤]到安全預(yù)留，本報告分別計算了β=0.4、0.5、0.6的情況下隧道開挖對鐵路的影響。

根據(jù)上節(jié)的計算發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)施工過程中，在雙線貫通后引起的沉降量最大，故在只列出雙線貫通后的計算的結(jié)果，如圖6所示，結(jié)果見表2。

根據(jù)表2中的結(jié)果，盾構(gòu)隧道下穿寧蕪鐵路，在40%的應(yīng)力釋放率（應(yīng)力釋放系數(shù)為0.4）情況下寧蕪鐵路發(fā)生的最大沉降為2.79mm，最大高低不平順為0.06mm，最大水平不平順為0.12mm，滿足《鐵路線路維修規(guī)則》中對鐵路不平順的要求。即使是在60%應(yīng)力釋放率（應(yīng)力釋放系數(shù)為0.6）的情況下，高低偏差依然遠(yuǎn)小于規(guī)范中的6mm限值。

4 行車安全性及舒適性分析

4.1 模型建立

通過simpack建立車輛-軌道耦合動力模型，分析行車的安全性和舒適性。國內(nèi)的理論和實(shí)踐均表明，貨物列車、尤其是空載貨車較易脫軌。由于本工點(diǎn)為客貨混運(yùn)線路，因此對本工點(diǎn)處的列車運(yùn)行安全性和舒適性分析時，分別選取時速120km/h的客運(yùn)列車和時速80km/h的空載貨車車輛進(jìn)行。

4.2 計算結(jié)果分析

由盾構(gòu)掘進(jìn)引起的軌面變形采用4.3節(jié)計算結(jié)果，兩者疊加之后得到軌面不平順。

表3為計算得到結(jié)果，分析以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，脫軌系數(shù)及輪重減載率的最大值均出現(xiàn)在線路變形范圍之內(nèi)，盾構(gòu)隧道施工對列車運(yùn)行安全性有一定影響?？蛰d貨車在時速80km/h時，第一輪對脫軌系數(shù)為0.47、第一輪對輪重減載率為0.34，客車的脫軌系數(shù)則更小，即使在運(yùn)行速度120km/h的情況下，客車的脫軌系數(shù)和輪重減載率也遠(yuǎn)小于規(guī)定限值。另外，三種速度下的客車最大加速度為0.36m/s2，其結(jié)果滿足鐵路規(guī)范中對客車車體平穩(wěn)性的要求。

綜上所述，盾構(gòu)隧道施工引起的線路變形對列車運(yùn)行的安全性和舒適性影響很小，不需要采取主動加固措施，但為了進(jìn)一步提高列車運(yùn)行的安全性及舒適性，可在盾構(gòu)隧道施工期間適當(dāng)?shù)叵拗屏熊囘\(yùn)行的速度。

5 結(jié)論

根據(jù)有限元計算結(jié)果，寧和城際盾構(gòu)隧道下穿施工對寧蕪鐵路的影響如下：（1）采用最不利荷載布置方式，當(dāng)應(yīng)力釋放率在40%時，盾構(gòu)隧道和聯(lián)絡(luò)通道的開挖使得寧蕪鐵路發(fā)生的最大沉降為2.80mm，線路最大高低不平順為0.07mm，最大水平不平順為0.12mm，最大高低不平順為0.03，最大水平不平順為0.04，滿足規(guī)范要求，即使應(yīng)力釋放率達(dá)到了60%，線路沉降變形和道岔區(qū)變形也同樣滿足要求，且有一定富余。（2）空載貨車和客車在時速80km/h或120km/h時，第一輪對脫軌系數(shù)、輪重減載率均小于限值，客車車體的橫向加速和豎向加速度也同樣滿足要求，盾構(gòu)隧道開挖對寧蕪鐵路行車安全性和舒適性造成的影響較小。（3）結(jié)合對線路沉降和行車安全性、舒適性的影響，盾構(gòu)隧道對寧蕪鐵路的影響較小，鐵路下方無需加固處理，盾構(gòu)施工時可對寧蕪鐵路進(jìn)行限速，從而進(jìn)一步保證其運(yùn)行的安全。

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