鐵路隧道下穿施工引起既有鐵路線路變形規(guī)律研究

高云嬌， 婁國充， 宋 楊，3

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600;3.中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050011)

0 引言

新建鐵路與既有鐵路交叉選用隧道下穿的形式在工程項目中應(yīng)用越來越廣泛，因此，隧道下穿施工引起的既有鐵路線路的沉降與變形以及對既有線路安全運營的影響成為近期研究的熱點。新建鐵路以隧道形式下穿既有鐵路線路勢必會引起周圍土體的應(yīng)力改變和沉降變形，也會引起鐵路路基產(chǎn)生不均勻沉降，進而導(dǎo)致既有鐵路線路發(fā)生變形，產(chǎn)生軌道不平順、兩軌較大高差以及軌道路基剝離后的懸空等軌道變形現(xiàn)象，直接影響列車的平穩(wěn)、安全和平順運行［1］。嚴重的會直接造成列車運營安全事故，因此，研究隧道下穿既有鐵路引起的沉降變形規(guī)律是十分必要的。結(jié)合有限元軟件Midas技術(shù)，對鐵路隧道下穿既有鐵路線路施工過程進行了有限元數(shù)值模擬［2-3］，重點研究了隧道施工引起的既有路基及軌道變形規(guī)律［4］，為同類工程的設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù) 。

1 工程概況

石家莊六線隧道是京石客專石家莊樞紐段施工建設(shè)當(dāng)中的主要工程項目，地處石家莊市二環(huán)內(nèi)，北起石紡路，南至槐安路，自北向南縱穿石家莊市，與既有京廣鐵路并行，如圖1所示。石家莊六線隧道工程起始段是四線隧道，在DK278+700處并入新建的石青線，成為六線隧道(局部七線)，這是國內(nèi)第一條穿城入地多線多連拱淺埋大跨隧道，隧道起訖里程DK278+000～DK282+980，全長4.98km。線路從右至左(面向石家莊)依次是新建石青線、改建京廣線和新建京石線。石家莊隧道中在里程DK278+300～DK278+380段下穿石太直通線路基，工程采用暗挖法施工，暗挖段長80m，復(fù)合式襯砌，雙跨拱形框架結(jié)構(gòu)形式，隧道結(jié)構(gòu)高度13.28m，頂板覆土厚度1.92～9.47m，距離石太直通線上跨京廣線橋12.4m，結(jié)構(gòu)跨度為28m，如圖2所示。線路加固總長40m，列車最高時10km/h，施工期間限速45km/h。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立有限元模型

圖1 施工范圍總平面圖

圖2 暗挖隧道斷面圖(單位:cm)

考慮到由于尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的計算誤差，參考《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》［5］及《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［6］，新建高速鐵路隧道的計算邊界取值為:左、右邊界分別為3倍暗挖結(jié)構(gòu)寬度，下邊界取3倍的暗挖結(jié)構(gòu)高度，上邊界取至地表。模型前、后、左、右和下部邊界均施加法向約束，地表確定為自由邊界。最后確定為左右距隧道中心各70m，下邊界40m，整體建模網(wǎng)格劃分如圖3所示。在下穿結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)的網(wǎng)格采用了較細的網(wǎng)格。隧道示意圖見圖4所示。

2.2 選取參數(shù)

依據(jù)下穿石太直通線段勘察鉆孔柱狀圖，將其中的相鄰相近土層合并，結(jié)合類似工程提供的經(jīng)驗值，最后確定采用如表1的地層參數(shù)，共分4個土層進行模擬;路基、襯砌的計算參數(shù)如表2、表3所示。

表1 地層參數(shù)表

表2 路基的計算參數(shù)表

表3 襯砌的計算參數(shù)表

圖3 數(shù)值計算模型

圖4 開挖隧道示意圖

2.3 模擬施工步驟

在數(shù)值模擬中，采取激活與鈍化的方式來模擬隧道的開挖掘進，單元被鈍化(殺死)后，該區(qū)域的應(yīng)力被設(shè)置為零，在這些區(qū)域中就沒有體力的作用。在每步開挖后，通過激活相應(yīng)區(qū)域的支撐以及初期支護單元來模擬開挖后的支護效果。每開挖步開挖進尺0.5m，支護滯后開挖一步，具體步驟如下:先施加巖土自重應(yīng)力和路基上鐵路荷載，使之形成初始應(yīng)力場;開挖斷面0.5m，進行初期支護，然后施作支撐;繼續(xù)開挖斷面0.5m，斷面初期支護，施作支撐;……;直至中洞開挖完，進行中隔墻施作;繼而開挖左右側(cè)洞，待初期支護強度達到設(shè)計要求后，拆除臨時支護，施作二襯。根據(jù)上述開挖和支護模擬方法模擬整個隧道下穿既有鐵路路基過程。

3 下穿施工對既有鐵路線路的變形規(guī)律分析

3.1 隧道下穿施工對既有鐵路路基的影響

在隧道下穿施工過程中，選取開挖面距離既有鐵路線路中心線的三個典型斷面來進行比較分析，現(xiàn)將雙連拱隧道開挖至這三個不同施工斷面時的路基沉降變形分布曲線繪制于圖5中。

由圖5中曲線分布可以得知，隧道開挖時未通過路基中線、在路基中線處以及拆除支撐后的最大沉降值分別為9.78mm、14.56mm、16.39mm。路基的變形主要發(fā)生區(qū)域集中在穿越中心處沿既有線方向±40m左右的范圍內(nèi)，隧道開挖時距隧道中線處的路基就已經(jīng)開始產(chǎn)生沉降變形，隨著距離越近沉降變形增大，當(dāng)隧道開挖至路基北側(cè)時路基中線的最大沉降值占總沉降量的59.6%，當(dāng)開挖面到達既有線路中線正下方以及拆除支撐后，路基中線的最大沉降值分別增加了4.78mm、1.83mm，占總沉降量的29.2%、11.1%。結(jié)果表明，隧道下穿施工過程中，路基的沉降變形要主發(fā)生在隧道通過既有線中線之前，因此在施工中應(yīng)充分做好對既有線路的加固。

3.2 隧道下穿施工對既有鐵路軌道偏差的影響

通過對所得的數(shù)據(jù)的整理，將隧道下穿施工所引起的既有鐵路軌道偏差的變形規(guī)律繪制于圖6和圖7中，由圖中可以看出，當(dāng)開挖面遠離既有鐵路線路時，軌道的沉降較小，所產(chǎn)生的軌道水平偏差也很小，隨著開挖面的推進，軌道沉降逐漸增大，所產(chǎn)生的水平偏差也隨著增大，當(dāng)開挖面通過并遠離既有鐵路線路后，軌道的沉降增加值逐漸減小，水平偏差也開始減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖8表示的是隧道開挖至既有線路中線下方時軌道的水平變形分布曲線。從圖8可以看出，開挖面到達既有線中線處時在隧道中線處產(chǎn)生的軌向偏差最大，并向兩側(cè)呈現(xiàn)減小趨勢。通過計算結(jié)果得知雙連拱隧道下穿施工時引起的軌道的水平偏差與軌向偏差都很小，且遠遠小于規(guī)定的允許值，因此。隧道下穿施工對軌道偏差的影響甚微，只要做好軌道的安全防護就可以滿足軌道安全運營的要求。

圖5 隧道施工引起路基沉降變形規(guī)律

圖6 隧道開挖引起軌道沉降分布曲線圖

圖7 隧道下穿軌道沉降差值變化(水平偏差)

圖8 隧道下穿既有線中線下方時軌道的水平變形(軌向偏差)

4 結(jié)論

采取數(shù)值模擬方法，對京石高鐵隧道下穿既有石德鐵路路線進行模擬計算，分析隧道下穿施工對既有鐵路路基以及軌道的變形規(guī)律，得出以下結(jié)論:

(1)經(jīng)過分析得知，京石高鐵隧道下穿石德鐵路的施工主要引起的是對既有鐵路的沉降變形相對較大。因此，在實際工程施工中應(yīng)該主要控制對既有鐵路線路的沉降變形。

(2)采用雙連拱隧道下穿既有石德鐵路線路產(chǎn)生的路基與軌道沉降符合正態(tài)分布曲線規(guī)律，隧道下穿施工過程中，路基的沉降變形要主發(fā)生在隧道通過既有線中線之前，因此在施工中應(yīng)充分做好對既有線路的加固。

(3)新建雙連拱隧道下穿既有鐵路線路引起軌道發(fā)生變形，產(chǎn)生水平偏差與軌向偏差，雖然隨著開挖面的不斷推進，偏差有所增大，但最終的沉降值都遠遠小于《鐵路線路維規(guī)則》中規(guī)定的允許值，說明隧道下穿施工對軌道偏差的影響很小，只要做好軌道的安全防護就可以滿足軌道安全運營的要求。

［1］Burland J B，Standing J Ｒ， Jardine F M． Building response to tunnelling， case studies from construction of the Jubilee Line Extension，London［J］． Thomas Telford Publishing， 2001( 2) : 509-545．

［2］劉建國.盾構(gòu)隧道下穿對土質(zhì)路基無碴軌道的影響［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報，2006，23(4):5-8.

［3］楊廣武.地下工程穿越既有地鐵線路變形控制標準和技術(shù)研究［D］.北京:北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2010.

［4］曹全，彭華，姚建石.地鐵盾構(gòu)下穿對既有鐵路變形的影響［J］.鐵道建筑，2012，3:61-64.

［5］鐵道部.TB10001—2005 鐵路路基設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］鐵道部.TB10003—2005 鐵路路基設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.