地鐵隧道近距離下穿鐵路路基安全評估

石鵬飛

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京市 102600)

新建地鐵隧道下穿既有鐵路時，既要保證隧道的施工安全，又要保證既有鐵路的運(yùn)營安全。大量的地鐵隧道工程實(shí)踐表明，城市隧道施工勢必會引起地層沉降和變形[1-3]。這種施工變形可在較短時間、地表一定范圍內(nèi)形成不均勻的沉降凹槽，而沉降槽對鐵路功能及運(yùn)營安全將產(chǎn)生較大影響[4]。通過三維數(shù)值模擬，分析下方地鐵區(qū)間隧道施工對鐵路路基的影響，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行安全性評價，提出規(guī)避風(fēng)險的建議。

1 工程概況

烏魯木齊地鐵2號線烏魯木齊站站-華山街站區(qū)間隧道從既有蘭新線、在建蘭新二線鐵路路基下穿過，平面交角45°，埋深36.7～39.5m。既有蘭新線設(shè)計速度120km/h，是新疆通往內(nèi)地的唯一鐵路運(yùn)輸干線。在建蘭新二線設(shè)計速度200km/h，下穿區(qū)段位于半徑R=800m的左偏曲線上，限速120km/h。采用60kg/m鋼軌，碎石道床。

新建地鐵區(qū)間隧道為雙洞單線，采用礦山法施工，隧道斷面為馬蹄形，尺寸為7.28m(寬)×7.7m(高)，左右線間距13m。左右洞之間設(shè)置橫通道作為施工通道，城門洞形斷面，尺寸為6m(寬)×8.98m(高)。隧道及橫通道穿越的地層主要為第四系中更新統(tǒng)沖洪積圓礫層及侏羅系強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖層。地下水為松散層孔隙潛水，主要埋藏于第四系中更新統(tǒng)圓礫土中，含水層厚度3～17m。水位埋深12.3～26.2m，地下水主要接受大氣降水和綠化灌溉的補(bǔ)給。隧道設(shè)計支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)表

2 隧道開挖對鐵路路基的影響

(1)鐵路股道整體沉降

隧道施工會導(dǎo)致地層移動，從而在地表引起沉降。對于既有鐵路來說，當(dāng)土體發(fā)生沉降時，軌枕的支撐面會隨之下沉，軌道的多支座超靜定系統(tǒng)也遭到破壞。在列車的動荷載作用下，這些支撐面下沉的軌枕帶著軌道產(chǎn)生較大的變形量，導(dǎo)致軌道中的應(yīng)力大大升高。土體沉降過大時可使軌道斷裂，甚至?xí)斐沙鲕壥鹿蔥5]。鐵路正常運(yùn)營要求地面沉降或隆起不超過10mm，否則可能帶來較大風(fēng)險[6]。

(2)鐵軌間差異沉降

隧道施工不但會造成整體沉降，在向前施工過程中，可能在隧道縱向產(chǎn)生不均勻的變形。這種變形對于火車股道的影響是可能導(dǎo)致兩股鋼軌之間的差異沉降，輕微的可引起車輛搖晃和兩股鋼軌的受力不均，導(dǎo)致鋼軌的不均勻磨損；嚴(yán)重的可導(dǎo)致車輪減載或懸空，甚至發(fā)生脫軌事故。

(3)軌道縱向的不均勻沉降

由于隧道施工影響地層的應(yīng)力和變形，必將導(dǎo)致地表發(fā)生沉降。地表變形在三維上表現(xiàn)為一個凹槽，而在隧道橫截面上，穩(wěn)定后的沉降曲線為一個類似于正態(tài)分布的Ganss曲線。這種橫向變形將會導(dǎo)致股道的縱向產(chǎn)生不均勻沉降，列車通過這些地方時，沖擊動力可能成倍增加，加速道床變形，從而更進(jìn)一步擴(kuò)大軌道的不平順，加劇機(jī)車車輛對軌道的破壞，形成惡性循環(huán)。

(4)控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)鐵路的運(yùn)營速度，結(jié)合規(guī)范及地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，采用如下沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：鐵路路基、地面最大沉降值不超過10mm；兩股軌道之間最大差異沉降不超過4mm；單軌10m差異沉降值不超過4mm。

3 數(shù)值模型

(1)計算范圍

利用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元模型，計算區(qū)域根據(jù)隧道和鐵路平立面相對位置關(guān)系確定，沿隧道縱向取46m，隧道橫斷面方向取70m，土體深度65m，能夠滿足邊界效應(yīng)的要求。網(wǎng)格劃分采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元，整個模型共有單元77351個，節(jié)點(diǎn)12827個，其中隧道單元13507個，節(jié)點(diǎn)2746個，橫通道單元16232個，節(jié)點(diǎn)3057個，整個計算模型見圖1。

(2)巖土材料物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料及有關(guān)規(guī)范，確定在有限元模型中采用的巖土材料物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。鐵路路基表面荷載采用25kN/m的均布荷載施加在鐵路路基上。

(3)支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬

支護(hù)采用初襯噴混支護(hù)，在隧道實(shí)體上析取單元生成，共生成2880個單元，1512個節(jié)點(diǎn)。隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，初期支護(hù)和二次襯砌總厚度為650mm。

表2 巖土材料物理力學(xué)參數(shù)

橫通道采用模筑混凝土與噴射混凝土支護(hù)，在橫通道實(shí)體上析取單元生成，共生成2828個單元，1440個節(jié)點(diǎn)。橫通道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，模筑混凝土與噴射混凝土總厚度為750mm。

(4)邊界條件

計算土體的底面約束豎直方向z的自由度；計算土體的側(cè)面約束側(cè)向x、y方向的自由度；地表為自由面。

(5)施工步驟

隧道及橫通道采用臺階法開挖，采用以下步驟仿真模擬施工過程：開挖橫通道→開挖左線隧道→待應(yīng)力稍微釋放后施加左線隧道襯砌結(jié)構(gòu)→開挖右線隧道→待應(yīng)力稍微釋放后施加右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)。

4 數(shù)值分析

4.1 橫通道開挖對上部鐵路的影響

對橫通道開挖過程中的圍巖及結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征進(jìn)行重點(diǎn)研究，獲取了最終狀態(tài)下隧道中部的圍巖位移及應(yīng)力云圖(見圖2、圖3)。通過計算得出:橫通道開挖完成后，鐵路路基表面的地表最大沉降為4.98mm，橫通道周邊最大沉降值為21.8mm，最大隆起值為2.35mm。

4.2 隧道開挖對上部鐵路的影響

對隧道開挖過程中的圍巖及結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征進(jìn)行重點(diǎn)研究，獲取了最終狀態(tài)下Y=23m處的圍巖位移及應(yīng)力云圖(見圖4、圖5)。

由以上計算結(jié)果可知，隧道施工完成之后，鐵路路基表面地表最大沉降9.01mm，水平位移1.94mm，不超過10mm的控制標(biāo)準(zhǔn)；鐵路兩軌道之間的差異沉降為3.14mm，不超過4mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。

隧道開挖所導(dǎo)致的L=10m內(nèi)的最大豎向沉降不超過4mm，滿足鐵路控制標(biāo)準(zhǔn)，沿著鐵路縱向的豎向位移曲線如圖6所示。

5 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果能夠得出：地鐵隧道施工完成后，鐵路路基地表最大沉降為9.01mm，鐵路兩軌道間的差異沉降為3.14mm，隧道開挖所導(dǎo)致的L=10m內(nèi)的最大豎向沉降不超過4mm，均滿足鐵路控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)隧道第一主應(yīng)力最大值是0.068MPa，第三主應(yīng)力最大值是0.133MPa，均小于素混凝土C45的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.8MPa和抗壓強(qiáng)度設(shè)計值21.1MPa。

(3)為減小地鐵隧道施工導(dǎo)致圍巖變形和地層損失給鐵路帶來不利影響，建議初期支護(hù)鋼架間距由0.75m調(diào)整為0.5m，采用CD法開挖，循環(huán)進(jìn)尺按1榀鋼架間距控制。