盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響研究

徐向明

深圳市龍崗區(qū)城市建設(shè)投資有限公司

盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響研究

徐向明

深圳市龍崗區(qū)城市建設(shè)投資有限公司

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，地下空間得到開發(fā)利用。城市地鐵隧道施工會(huì)對(duì)地表及地表以上建筑造成一定的影響。當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)且周圍建筑見多時(shí)，隧道施工會(huì)對(duì)地表造成不均勻沉降。當(dāng)?shù)罔F隧道下穿既有鐵路線路時(shí)，隧道施工會(huì)引起運(yùn)營(yíng)鐵路路基的不均勻沉降，過(guò)大的地表沉降變形會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生。此外，位于地鐵隧道上方的線路運(yùn)營(yíng)荷載一般較大，對(duì)于修建中的地鐵隧道而言相當(dāng)于施加了很大壓力，會(huì)對(duì)地鐵隧道施工產(chǎn)生不良影響。對(duì)于控制下穿隧道施工對(duì)既有建筑物的影響，許多學(xué)者提出了多種解決措施。本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)地鐵隧道下穿既有鐵路線路時(shí)造成的影響這常見問(wèn)題進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的軌道變形進(jìn)行研究，并結(jié)合相應(yīng)的規(guī)范要求提出相應(yīng)的控制指標(biāo)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間下鐵路既有線變形影響主要研究手段有經(jīng)驗(yàn)公式法、實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。許多學(xué)者認(rèn)為由于隧道施工開挖引起的地表橫向沉降槽可以用一曲線函數(shù)表示出來(lái)，據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行了修正。根據(jù)相應(yīng)的的地質(zhì)情況以及施工方法確定函數(shù)參數(shù)的取值，但是該方法具有較大局限性[1~3]。實(shí)驗(yàn)分析也是常用方法之一，目前該方法在國(guó)內(nèi)高校中用得較多。數(shù)值分析也是常用方法之一。在數(shù)值模擬分析中可以綜合考慮影響地層變形的各個(gè)方面因素，模擬隧道施工開挖引起地表沉降變形以及其地表沉降范圍。在實(shí)際施工前能較好預(yù)測(cè)地表的沉降，并根據(jù)地表沉降的值機(jī)器范圍提出了相應(yīng)的控制地表沉降措施。丁銳等[4]根據(jù)沿海地區(qū)軟土地區(qū)的淺埋暗挖隧道施工的實(shí)際情況，進(jìn)行了相應(yīng)數(shù)值模擬分析。其得到結(jié)果表明，在開挖過(guò)程中，群洞效應(yīng)的作用和施工方案有密切關(guān)系，并提出了相應(yīng)控制地表沉降的措施。招偉等[5]以廣州地鐵二號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，總結(jié)了地表沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)造成地表沉降的因素有：初始應(yīng)力狀態(tài)的改變、地層的地質(zhì)條件、隧道開挖掌子面的受力和變形等。

從目前已有成果來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)地鐵隧道施工對(duì)周圍環(huán)境影響的研究，主要是研究地表沉降，而且一般停留在平面計(jì)算，三維計(jì)算研究較少。因此，對(duì)于地鐵隧道施工對(duì)下穿既有鐵路影響的研究方法雖然較多，但是缺乏對(duì)其原理的深入研究。確定地鐵隧道施工下穿既有線路的控制標(biāo)準(zhǔn)，選擇合理的施工參數(shù)，及采取有效的必要的保護(hù)措施，從而很好地控制地層的變形，是目前需要深入研究的。

2 數(shù)值模擬技術(shù)

2.1 建模概況

地鐵10號(hào)線某區(qū)間在里程約DK28+972.300~DK29+024.700處下穿廣深鐵路，隧道與鐵路交叉角約為78°，被穿越長(zhǎng)度分別為48.5m、49.3m。區(qū)間線路縱斷面在下穿廣深鐵路處左、右線坡度均為10‰，區(qū)間隧道主要處于土、塊狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖層中，上覆素填土、粘性土、下方為中風(fēng)化砂巖。軌面埋深14.090m~14.720m。

廣深鐵路平湖站站中心里程為K126+685。平湖站內(nèi)共8股道，軌道道床為碎石道床，其中正線4條，輔線2條；貨運(yùn)線2條，中間站臺(tái)3座。區(qū)間影響及加固范圍K126+659.2~K126+628.7。

以該區(qū)段實(shí)際情況為依據(jù)建立三維數(shù)值計(jì)算模型，模型上邊界為地表路基及軌道，底邊界取到隧道底以下15m(約為2.5D，D為區(qū)間隧道直徑)，寬度隧道兩側(cè)外各取20m(約為3.5D)，線路縱向考慮邊界效應(yīng)取90m。建立的計(jì)算模型網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿鐵路計(jì)算模型圖

計(jì)算模型范圍內(nèi)分布的地層主要有素填土、粘性土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。計(jì)算模型中土層、盾構(gòu)管片、注漿加固圈、碎石道床均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，列車軌道采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，列車荷載和盾構(gòu)推力分別采用線荷載和面荷載進(jìn)行模擬。模型邊界采用法向位移約束，地面為自由面。在盾構(gòu)隧道開挖模擬中，巖土體都采用彈塑性本構(gòu)模型，Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；混凝土結(jié)構(gòu)則采用彈性本構(gòu)模型。

2.2 施工過(guò)程模擬

根據(jù)盾構(gòu)施工流程，數(shù)值分析中對(duì)盾構(gòu)各施工步序進(jìn)行了模擬。下面是模擬的具體施工過(guò)程：

(1)初始地應(yīng)力場(chǎng)的分析模擬；

(2)列車軌道荷載施加，位移清零；

(3)第一環(huán)隧道土體開挖、第一環(huán)管片施工，同時(shí)施加盾構(gòu)推力，施加相應(yīng)盾構(gòu)機(jī)荷載，如圖2所示；

(4)第二環(huán)隧道土體開挖、第二環(huán)管片施工，同時(shí)施加盾構(gòu)推力及對(duì)應(yīng)部位盾構(gòu)機(jī)重力荷載；

(5)第三環(huán)隧道土體開挖、第三環(huán)管片施工，同時(shí)施加盾構(gòu)推力及對(duì)應(yīng)部位盾構(gòu)機(jī)重力荷載；

(6)最后一環(huán)隧道土體開挖、最后一環(huán)管片施工，隧道貫通。

3 鐵路線路加固及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 鐵路線路加固

目前國(guó)內(nèi)對(duì)線路加固主要采用三種方法：D型梁扣軌加固、鋼軌束扣軌、地面注漿加固。D型梁剛度大、沉降小，但人工挖孔樁施工期間可能帶來(lái)較大沉降，且對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較大影響，本案例處于運(yùn)營(yíng)車站內(nèi)，兩側(cè)站臺(tái)限制使作業(yè)空間受限，因此，D型梁方案不可行。鋼軌束采用3-5-3形式，可較大程度上，提升軌道剛度，減少小范圍內(nèi)產(chǎn)生較大變形的可能，作業(yè)空間較D型梁更加靈活，因此，對(duì)于正線及影響范圍內(nèi)的站線采用鋼軌束扣軌對(duì)線路進(jìn)行架空保護(hù)。其余線路采用地面袖閥管跟蹤注漿加固，盡量減少對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)影響。

3.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)調(diào)查國(guó)內(nèi)與已運(yùn)營(yíng)鐵路線路發(fā)生干擾的地下工程已經(jīng)有多處已成功實(shí)施，其工程特點(diǎn)及控制標(biāo)準(zhǔn)如表1：

根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》要求，1435mm標(biāo)準(zhǔn)軌距和線路允許速度為200km／h及以下的線路，線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值如表2所示：

綜合國(guó)內(nèi)下穿鐵路經(jīng)驗(yàn)和深圳等我國(guó)沿海地區(qū)地層條件，制定以下控制標(biāo)準(zhǔn)：(見表3)

4 盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線變形影響分析

新修建的地鐵隧道會(huì)擾動(dòng)周圍的地層從而導(dǎo)致地表變形，造成周邊建筑物的不均勻沉降。在實(shí)際隧道施工中，需要嚴(yán)格施工引起的地表以及地表以上建筑物沉降。控制新建地鐵隧道下穿既有鐵路線路時(shí)對(duì)線路結(jié)構(gòu)影響的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩方面：一是：鐵路線路結(jié)構(gòu)附于地表之上，應(yīng)該與一般隧道施工引起的地表沉降具有類似規(guī)律；二是：相對(duì)于普通地表面來(lái)說(shuō)，鐵路線路結(jié)構(gòu)因?yàn)橛衅渖喜苛熊嚭奢d的作用，其沉降規(guī)律有自己的特殊性。因此，為了更深入地研究其沉降機(jī)理，需要研究隧道下穿對(duì)既有線路的影響及其引起的沉降變形規(guī)律。

表1 工程特征及控制標(biāo)準(zhǔn)

表2 線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值(mm)

表3 線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值(mm)

表4 軌道高程差差值表

圖2 右線隧道上方軌道沉降值

圖3 兩隧道中間上方軌道沉降值

圖4 左線隧道上方軌道沉降值

4.1 鋼軌高程差分析

高低不平順是指軌道沿鋼軌的長(zhǎng)度方向在垂向上的高低不平。圖2~圖4為三個(gè)典型斷面的軌道沉降值，利用該斷面的軌道沉降值，分析相鄰鋼軌高程差。(見表4)

從上述計(jì)算結(jié)果可知：三個(gè)典型斷面中，軌道相鄰觀察點(diǎn)的最大高程差為1.2mm，屬于左線已經(jīng)開挖完畢，右線還未開挖的斷面，盾構(gòu)開挖對(duì)相應(yīng)地面鋼軌沉降影響較大。鋼軌的鋼軌沉降差均小于控制值5mm，滿足2.2中對(duì)相鄰鋼軌高程差的控制值5mm/10m的控制值要求。

4.2 鋼軌水平差分析

水平誤差主要是由于左右兩股鋼軌下沉量不同所造成的。鋼軌維修規(guī)則中對(duì)其大小及變化幅度有著嚴(yán)格限制。水平誤差較小情況下只是引起車輛的搖晃和兩股鋼軌的不均勻受力及磨耗。但水平誤差較大情況下會(huì)出現(xiàn)三角坑的，有可能使轉(zhuǎn)向架某個(gè)車輪減載甚至懸空，甚至可能爬上鋼軌，危及行車安全。

圖5 相鄰鋼軌沉降圖

從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，盾構(gòu)開挖對(duì)應(yīng)上部的沉降較大，但左右軌高低的變化趨勢(shì)基本一致。施工過(guò)程中沉降變化與開挖同步，最大水平沉降差為0.6mm，滿足4mm的沉降控制值。

4.3 相鄰鋼軌軌距差分析

圖6 隧道上方軌道水平位移圖

圖6為盾構(gòu)隧道開挖引起軌道水平位移圖，利用該典型斷面的水平位移值，分析相鄰鋼軌的軌距差，從上述計(jì)算結(jié)果可知：

軌道最大水平位移值為1.44mm，由于盾構(gòu)開挖距離地面較遠(yuǎn)，地面鋼軌發(fā)生的水平位移同向且差值較小，處于-0.2mm~0.2mm，滿足2.2中相鄰鋼軌軌距差的控制值+4~-2mm的控制。

通過(guò)計(jì)算可知，下穿鐵路采用盾構(gòu)法引起的地面及軌道變形較小，安全可控；鋼軌束扣軌的加固方式可以有效的控制鋼軌的不均勻沉降；盾構(gòu)施工軌道變形受豎向沉降差控制；鋼軌水平差及軌距差受盾構(gòu)開挖影響較小。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)結(jié)合深圳軌道交通十號(hào)線工程實(shí)例，進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算分析，對(duì)地鐵隧道下穿運(yùn)營(yíng)鐵路時(shí)，線路結(jié)構(gòu)影響、控制方法及控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。

(1) 在安全、合理、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)城市下穿鐵路的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并結(jié)合《鐵路線路維修規(guī)則》制定了隧道下穿運(yùn)營(yíng)線路變形控制標(biāo)準(zhǔn)；

(2)由于鋼軌束扣軌增強(qiáng)了軌道的剛度，且路基土體較一般地層填筑密實(shí)，在長(zhǎng)期列車荷載作用下，列車動(dòng)應(yīng)力影響范圍內(nèi)土體物理力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)有一定量的提高，從而有效限制了土層沉降的發(fā)展，減小了軌道發(fā)生有害變形的趨勢(shì)；(3) 在列車荷載作用下，雙線盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營(yíng)線路事，盾構(gòu)施工軌道變形受豎向沉降差控制；鋼軌水平差及軌距差受盾構(gòu)開挖影響較小。

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Study on Influences on Railway Structure caused by Shield Tunnel undergoing through Existing Lines

Xu?xiangming

(longgang?city?construction?investment?co.ltd.，Shenzhen?518100，China)

對(duì)深圳市城市軌道交通十號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿廣深鐵路建立三維數(shù)值模型，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算手段研究盾構(gòu)隧道影響下軌道變形規(guī)律及控制技術(shù)。通過(guò)研究可知：鋼軌束扣軌增強(qiáng)了軌道的剛度，減小了軌道發(fā)生不利變形的趨勢(shì)；盾構(gòu)隧道開挖引起的地表位移主要結(jié)果為沉降，雙線盾構(gòu)隧道開挖引起的軌道沉降整體呈現(xiàn)出“w”形，兩盾構(gòu)隧道上方地面沉降最大，其它地方沉降相對(duì)較小；盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營(yíng)線路時(shí)，盾構(gòu)施工軌道變形受豎向沉降差控制，鋼軌水平差及軌距差受盾構(gòu)開挖影響較小。研究結(jié)果對(duì)城市軌道交通盾構(gòu)區(qū)間下穿有砟鐵路軌道的設(shè)計(jì)與施工具有重要意義，為類似工程提供借鑒。

盾構(gòu)隧道；有砟道床；軌道變形；控制標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)值模擬

Based on construction of a certain section which under Guangshen Railway in Shenzhen rail transit line 10， it is researched which include track deformation and control technology under the influence of shield tunnel through three-dimensional numerical simulation model. The results show that： multiple track beam rail girder reduced the trend of harmful deformation through reinforce track stiffness; surface settlement is the main displacement caused by shield tunnel excavation; the deformation of the track caused by the excavation of the two-line shield is W shape; the settlement which on the top of the tunnel is largest; when the shield tunnel underpass the railway ，the track deformation is controlled by the difference of track vertical settlement; the result is important to the design and construction of the shield tunnel which underpass the rail track， and can be taken for example on similar project.

shield tunnel；ballast track；track deformation；control standard；computer simulation