盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究

劉建友， 趙振華， 韓 琳， 劉春曉

(1. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八0一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)， 山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

伴隨著國(guó)家高速鐵路大規(guī)模建設(shè)，我國(guó)已逐漸形成了四通八達(dá)的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)。高速鐵路帶來(lái)交通便利的同時(shí)，也給鐵路兩側(cè)人員的互聯(lián)互通帶來(lái)阻隔，后期的公路、鐵路等通道的建設(shè)如何穿越既有的高速鐵路線是今后必將碰到的技術(shù)難題。由于高速鐵路的特殊性，原鐵道部[2012]23號(hào)文件明確規(guī)定，新建公路和鐵路與已建或在建高速鐵路交叉跨越時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇公路或鐵路下穿高速鐵路方案。路基是高速鐵路在平原地區(qū)的主要結(jié)構(gòu)形式之一，就全國(guó)而言，路基約占高速鐵路線路總長(zhǎng)度的25.8%，因此，今后出現(xiàn)下穿高速鐵路路基的工程將比較多見(jiàn)。由于高速鐵路列車運(yùn)行速度快，對(duì)軌道變形控制的要求高，而下穿工程施工必將擾動(dòng)高速鐵路的路基土層，引起土層應(yīng)力調(diào)整和變形，威脅高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全；因此，沉降控制是各種通道下穿高速鐵路線時(shí)需解決的首要問(wèn)題。

目前還沒(méi)有一種科學(xué)合理的方法來(lái)制定隧道下穿高速鐵路路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)多個(gè)下穿工程采用的控制標(biāo)準(zhǔn)均由專家經(jīng)驗(yàn)確定，并且有越來(lái)越嚴(yán)格的趨勢(shì)，有的下穿工程甚至提出了零沉降的控制要求。嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)有利于保障高速鐵路列車的運(yùn)營(yíng)安全，但同時(shí)也大幅增加了下穿工程的建設(shè)成本。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路開(kāi)展了大量的研究工作。蔡向輝[1]、蔡小培等[2]采用數(shù)值模擬試驗(yàn)揭示了盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中既有高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律。許有俊等[3]、柴雨芳[4]分析了路基橫向沉降槽的形態(tài)，得到了隧道下穿路基的沉降規(guī)律。呂培林等[5]、鄒浩等[6]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了軟土地區(qū)隧道下穿引起的路基變形規(guī)律，得到工后沉降在總沉降中所占比例相當(dāng)大，且后期變形時(shí)間較長(zhǎng)。劉莎莎[7]、魏婷[8]研究了下穿工程對(duì)路基穩(wěn)定性和鐵路安全性的影響。程雄志[9]、何衛(wèi)[10]研究了各種路基加固技術(shù)對(duì)變形的影響規(guī)律。張鵬[11]假設(shè)沉降槽為圓曲線并建立了簡(jiǎn)化模型，提出了相應(yīng)的路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。目前，現(xiàn)有變形控制標(biāo)準(zhǔn)大都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法或者類比法確定，缺乏理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐[12-13]。

本文通過(guò)調(diào)查下穿點(diǎn)軌道扣件的類型及其最大可調(diào)整量、當(dāng)前已用調(diào)整量和當(dāng)前平順度等數(shù)據(jù)，提出軌道最大可允許變形的計(jì)算方法，并根據(jù)下穿點(diǎn)周邊環(huán)境及列車實(shí)際運(yùn)行速度來(lái)確定軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)軌道和路基沉降槽的曲線特征，最終確定高速鐵路路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)

在下穿高速鐵路路基工程中，變形的傳遞過(guò)程為：下穿通道開(kāi)挖—圍巖松弛—地層變形—路基變形—軌道變形。

根據(jù)下穿工程變形傳遞規(guī)律，軌道的變形是變形傳遞的最后階段，制定軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)是制定路基、橋梁、圍巖等其他對(duì)象變形控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)

(1)

式中：s標(biāo)為軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，一般為10 m弦長(zhǎng)的變形值；smax為軌道的最大可允許變形；γ為安全系數(shù)。

安全系數(shù)γ取決于下穿點(diǎn)列車的實(shí)際運(yùn)行速度、下穿點(diǎn)周邊環(huán)境等因素，一般可取1.0～2.0，如表1所示。列車的運(yùn)行速度越快，對(duì)軌道平順性的要求越高，因此，列車運(yùn)行速度是決定變形控制標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。下穿點(diǎn)周邊的環(huán)境條件包括人口密度、建筑物密度及重要性等，這些因素將決定一旦發(fā)生事故后的影響范圍及嚴(yán)重程度。

表1 安全系數(shù)γ取值建議

軌道的最大可允許變形

smax=s1+s2-s3-s4-s5。

(2)

式中：s1為軌道扣件的最大可調(diào)整量；s2為軌道平順性的控制要求；s3為軌道扣件目前已用調(diào)整量；s4為軌道當(dāng)前的平順度；s5為軌道預(yù)留變形量，預(yù)留給之后其他工程、工后沉降、降水施工等。

應(yīng)調(diào)查下穿點(diǎn)今后是否還有其他工程在此鄰近施工，合理設(shè)置軌道預(yù)留變形量。

1.1 軌道扣件的最大可調(diào)整量

軌道扣件的最大可調(diào)整量由扣件類型決定。有砟軌道扣件類型主要有彈條Ⅳ型、彈條Ⅴ型和FC型，無(wú)砟軌道扣件類型主要有WJ-7型、WJ-8型、W300-1型、SFC型和SKL12型，根據(jù)對(duì)各扣件生產(chǎn)廠商的調(diào)研，各類扣件的可調(diào)整量如表2所示。

表2 高速鐵路軌道扣件的可調(diào)整量

1.2 軌道平順性的控制要求

軌道平順性的控制要求由《高速鐵路無(wú)砟/有砟軌道線路維修規(guī)則》確定。鐵路線路維修分為綜合維修、經(jīng)常保養(yǎng)和臨時(shí)補(bǔ)修。1)綜合維修是按周期有計(jì)劃地對(duì)線路進(jìn)行綜合性修理。通過(guò)綜合維修，改善軌道彈性，調(diào)整軌道幾何尺寸，整修和更換設(shè)備零部件，以恢復(fù)線路完好的技術(shù)狀態(tài)。2)經(jīng)常保養(yǎng)是根據(jù)線路變化情況，在全年度和線路全長(zhǎng)范圍內(nèi)，進(jìn)行有計(jì)劃有重點(diǎn)的養(yǎng)護(hù)，以保持線路質(zhì)量經(jīng)常處于均衡狀態(tài)。3)臨時(shí)補(bǔ)修主要是及時(shí)整修超過(guò)臨時(shí)補(bǔ)修容許誤差限度的軌道幾何尺寸及其他不良處所，以保證行車平穩(wěn)和安全。下穿高速鐵路工程可按照臨時(shí)補(bǔ)修的容許誤差限度設(shè)置軌道平順性的控制要求，即時(shí)速200～250 km線路，高低容許偏差管理值不超過(guò)8 mm，如表3所示；時(shí)速250(不含)～350 km線路，高低容許偏差管理值不超過(guò)7 mm，如表4所示。

表3時(shí)速200～250km線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

Table 3 Allowable deviation management value for static geometric dimension of line track at speed of 200～250 km/h

項(xiàng)目軌距/mm水平/mm高低/mm軌向(直線)/mm扭曲/(mm/3 m)軌距變化率作業(yè)驗(yàn)收+1/-122221/1 500經(jīng)常保養(yǎng)+4/-255441/1 000臨時(shí)補(bǔ)修+6/-48876限速(160 km/h)+8/-6101198

注： 1) 高低和軌向偏差為10 m及以下弦長(zhǎng)測(cè)量的最大矢度值。2) 扭曲偏差不含曲線超高順坡造成的扭曲量。下同。

表4時(shí)速250(不含)～350km線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

Table 4 Allowable deviation management value for static geometric dimension of line track at speed of 250～350 km/h

項(xiàng)目軌距/mm水平/mm高低/mm軌向(直線)/mm扭曲/(mm/3 m)軌距變化率作業(yè)驗(yàn)收+1/-122221/1 500經(jīng)常保養(yǎng)+4/-244431/1 000臨時(shí)補(bǔ)修+5/-36755限速(200 km/h)+6/-47866

2 路基的變形控制標(biāo)準(zhǔn)

路基的變形控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)確定。根據(jù)變形的傳遞規(guī)律，如圖1所示，隧道引起的沉降變形從圍巖、路基傳遞至軌道的過(guò)程中，變形逐漸減小，即軌道的變形s軌道小于或等于路基的變形S路基，其最大值不超過(guò)路基的變形，即

S路基≥s軌道。

(3)

為偏于安全，不考慮軌道板自身的承載力，則路基的變形控制標(biāo)準(zhǔn)可按軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)制定，即

(4)

下穿高速鐵路工程引起的路基沉降不同于路基的工后沉降。路基的工后沉降多為均勻沉降，而下穿工程引起的路基沉降呈U形漏斗狀，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道施工地面沉降槽

針對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的地層變形，Peck[14]通過(guò)對(duì)大量隧道施工引起的地面沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出隧道開(kāi)挖后引起的地面沉降是在不排水條件下發(fā)生的，沉降槽體積應(yīng)該等于地層損失的體積，地面沉降的橫向分布用正態(tài)分布曲線來(lái)描述，如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

式(5)—(6)中：S(x)為距隧道中線x處的地面沉降量；Smax為橫向地面最大沉降；x為計(jì)算點(diǎn)與隧道中線的距離；i為沉降槽的寬度系數(shù)，即沉降曲線反彎點(diǎn)橫坐標(biāo)；Vs為盾構(gòu)隧道單位長(zhǎng)度的地層損失量，m3/m。

Peck公式有2個(gè)參數(shù)Vs和i，這2個(gè)參數(shù)確定后橫斷面沉降便可以直接獲取。地層損失Vs通常可表示為：

(7)

式中：Vl為地層體積損失率，即單位長(zhǎng)度地層損失占單位長(zhǎng)度盾構(gòu)體積的百分比；r0為盾構(gòu)外徑，m。

Vl的取值與地質(zhì)條件及施工條件密切相關(guān)，主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)。

地面沉降槽寬度B≈2.5i，i可由式(8)或查Peck圖表得到。

(8)

式中：φ為隧道周圍地層內(nèi)摩擦角；Z為隧道埋深，即地表到隧道中心的距離。

對(duì)于Peck公式，有如下特點(diǎn)：

1)沉降曲線反彎點(diǎn)處的地面沉降量等于隧道中心線上方地面最大沉降的60%，即Peck公式中，將x=i代入得反彎點(diǎn)處的沉降量

(9)

2)地面最大沉降坡度與隧道中心線上方最大地面沉降量Smax成正比，即對(duì)Peck公式求導(dǎo)，可得最大曲率半徑點(diǎn)的沉降量

(10)

3)對(duì)沉降曲線進(jìn)行積分，得沉陷斷面面積

(11)

4)根據(jù)Peck公式，可計(jì)算得到地面沉降槽中10 m弦長(zhǎng)的最大沉降

(12)

5)根據(jù)式(12)可計(jì)算得到地面沉降槽最大沉降Smax的控制標(biāo)準(zhǔn)

(13)

3 工程應(yīng)用

以北京地鐵14號(hào)線馬家堡東路站—永定門(mén)外大街站區(qū)間下穿京津城際鐵路路基為例進(jìn)行計(jì)算。

3.1 軌道變形控制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

京津城際鐵路采用 WJ-8 型扣件系統(tǒng)，高低調(diào)整量為-4～+26 mm，軌距調(diào)整量為-5～+5 mm，則軌道扣件的最大可調(diào)整量s1為26 mm，軌道平順性的控制要求s2根據(jù)《高速鐵路無(wú)砟/有砟軌道線路維修規(guī)則》臨時(shí)補(bǔ)修高低限制取7 mm，軌道扣件當(dāng)前已用調(diào)整量s3為10～15 mm，軌道當(dāng)前的平順度s4為2～3 mm，不考慮今后其他工程再次穿越本路基段，考慮工后沉降2 mm，即s5取2 mm，則軌道的最大可允許變形smax為13 mm。下穿點(diǎn)位于市區(qū)，周邊人口密集，列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)速為200～300 km，安全系數(shù)γ取1.8，則軌道的控制標(biāo)準(zhǔn)s標(biāo)約為7.2 mm。

由于軌道扣件的調(diào)整只能在夜間高速鐵路停運(yùn)的天窗點(diǎn)進(jìn)行，因此，必須控制軌道每天的沉降量，即軌道的沉降速率。白天高速鐵路運(yùn)行時(shí)不能整理扣件，此時(shí)s1=0；計(jì)算沉降速率時(shí)可不考慮預(yù)留的工后沉降，即s5=0，則最大允許沉降smax=4 mm，安全系數(shù)γ仍取1.8，則單日沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為2.2 mm/d。

3.2 路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

既有鐵路與新建地鐵的位置關(guān)系如圖3所示。本段地鐵隧道覆土深度約17.6 m，隧道直徑為6 m，隧道中心點(diǎn)埋深20.6 m，區(qū)間盾構(gòu)主要穿越粉質(zhì)黏土及粉土地層，地層主要指標(biāo)如表5所示。

圖3 既有鐵路與新建地鐵縱斷面位置關(guān)系(單位： m)

Fig. 3 Relationship between existing railway and newly-built metro (unit： m)

表5 土層參數(shù)表

(14)

根據(jù)軌道單日沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)為2.2 mm/d，則同理可計(jì)算出路基單日沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)為2.4 mm/d。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文提出了一種路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，該方法通過(guò)調(diào)查下穿點(diǎn)軌道扣件的類型及其最大可調(diào)整量、當(dāng)前已用調(diào)整量和當(dāng)前平順度等數(shù)據(jù)，確定了軌道最大可允許變形，并根據(jù)下穿點(diǎn)周邊環(huán)境及列車實(shí)際運(yùn)行速度選取合適的安全系數(shù)，從而確定軌道變形的控制標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)軌道和路基沉降槽的曲線特征，最終確定高速鐵路路基的沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)。該方法提出的軌道變形控制標(biāo)準(zhǔn)適用于高速鐵路無(wú)砟軌道，軌道和路基之間的變形關(guān)系采用了Peck經(jīng)驗(yàn)公式，因此，路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)適用于土質(zhì)地層盾構(gòu)隧道引起的路基變形。

4.2 討論

高速鐵路的地基經(jīng)過(guò)加固處理后，會(huì)影響路基沉降曲線的分布，因此，需要根據(jù)地基處理情況，對(duì)Peck 曲線進(jìn)行修正或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究提出一種新的路基沉降分布曲線，再根據(jù)沉降分布曲線，重新修正路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式。