試析鐵路隧道下穿既有路基沉降規律及控制標準

王建林

（中鐵二十四局福建鐵路建設有限公司　福州）

試析鐵路隧道下穿既有路基沉降規律及控制標準

王建林

（中鐵二十四局福建鐵路建設有限公司福州）

隨著現代經濟的不斷發展，鐵路作為重要的交通途徑，影響著我國經濟和貿易的往來，在經濟和社會發展中發揮著重要的作用。但是鐵路隧道施工具有一定的復雜性，易引起地表下沉等問題，只有掌握沉降規律，才能做好質量控制工作。下面本文分析隧道施工引起地表變形和下沉的規律，闡述路基沉降的相關影響因素，針對如何進行有效控制進行研究，提出相關的控制標準，以供參考。

鐵路隧道下穿；路基沉降；沉降規律；控制標準

1　隧道施工引起地表變形和下沉的規律

方便的交通運輸條件是城市發展的基本因素之一，鐵路作為運輸系統中的重要存在所起的作用有目共睹。城市前進步伐加快，人口涌向大城市鐵路運輸不適應國民經濟和社會發展的問題日益嚴重。為解決發達城市旅客數量日益增長的問題，我國規劃了各種城市快速客戶系統，比如較有代表性的環渤海地區城際快速客運。同時在高速方面，到2020年底全國高速公路里程將達到260萬～300萬km，高速公路里程將達到7萬km以上。

隨著高速和鐵路的不斷發展，其相互之間的交叉影響越來越嚴重，當前城市交通與實際用地之間存在著矛盾，為解決這一現象，并且降低交通項目的施工成本，控制對周邊環境和建筑物的影響，現代城市規劃多半采用改造和新建相結合的方式修建隧道，而常見的工藝即為隧道下穿跨越既有鐵路和高速公路。如在我國河北新建隧道下穿城市就體現該方式的具體實踐應用。其主要的優勢在于能解決城市有限土地和交通建設之間的矛盾，保證城市發展的重要交通渠道。非常方便地解決了客運專線穿越城市建筑密集的難題，在全國各地的工程數不勝數。隧道下穿跨越既有鐵路或既有公路和的工程有非常大的優勢，如節省成本，然而卻對既有公路和鐵路造成較大的地基干擾，所以利弊共存。引起既有鐵路路基及既有公路路基面產生變形，對施工周圍環境安全產生不利影響，自專家提出路基沉降的理論后，國內外對此影響的研究十分廣泛，由于道路具有的結構性及不間斷性，隧道施工對其影響也對交通負荷有特殊性質。我們調研分析各種影響下的破壞形式，大量地研究國內鐵路工程方面隧道下穿施工引起路基沉降數據并進行分析，該研究具對沉降變形規律及合理制定標準具有積極意義。

2　路基沉降的相關影響因素

2.1工程土地地質影響

我國區域遼闊，地質分巖石地層、土地地層兩類。我們以巖石地層影響為例，巖石地層分為硬巖和軟巖兩種，巖石地層一般能夠滿足沉降控制標準，如鄭西鐵路客運專線隧道所處地層可塑，地表沉降的大小和分布性教容易控制，隧道施工過程對既有道路的影響較小。而在地質條件較差的軟土地區，如上海、深圳、寧波等地，前黃隧道為甬臺溫新建鐵路寧波至溫州南段隧道工程，位于寧海縣境內，里程為DK85+860～DK90+360，隧道總長度為600m其中該隧道出口附近段下穿甬臺溫高速公路，兩線相交中心里程為DK69+289，高速公路路面與隧道拱頂最小間距只有3.1mm，為甬臺溫全線施工難度最大的工程之一。為控制施工過程中的技術困難，需采用特殊的輔助施工措施。因此，土地地質，地下水質是路基沉降的關鍵因素之一。

2.2地下水質影響

鐵路隧道下穿既有公路的實際施工過程中，隧道的涌、突水地段基本與預測的可能集中涌水突水地段相符。如太行山隧道DK56+420～DK85+310段地下水位較高，所以隧道通過該涌水地段時可能引起地下水位下降或洞庭坍塌，造成周圍居民飲水井水渾濁，或供水井出水小等問題。

2.3施工方法影響

最常見的鐵路隧道施工工藝，但是在實際施工中，會對周圍土地造成變形或沉降等影響，且根據施工方法的不同，沉降變形程度也不同。所以，在具體施工中，應該具體情況具體分析。而為了控制施工造成的地表沉降問題，常采用臺階法，更加適合地層施工需求，其在小斷面中完成隧道施工。例如山西江太鐵路隧道下穿太舊高速公路路基的施工，隧道為單線隧道，施工過程中采用大管棚超前支護配合的方法開挖，減小高速公路的路面最大沉降。其他方法，如中隔墻法、眼鏡法控制地表沉降優于臺階法。

2.4列車運行速度對隧道中線最大沉降值影響

隨著鐵路事業的高度發展近年來火車速度有大幅提升，因為列車在高速前進過程中對軌道的結構和路基有非常嚴格的要求，列車的平穩高速運行關系著軌面的變形大小。如列車以不同的速度等效靜荷載的大小以集中荷載的方式進行施加，經過有限元計算得出不同列車速度情況下路基產生的沉降變化，可以得出列車速度與路基最大沉降值的關系圖。以數據列舉為例，假設列車行駛在既有路線上，速度從90km/h增加到400km/h，單線隧道施工時路基最大沉降值從11mm增加到13mm，則比沒有列車荷載作用到的情況增大了2mm和4mm；而雙線隧道施工時路基最大沉降值從16mm增加到了21mm。從上述論述中可知，在隧道下穿施工中，影響既有鐵路路線沉降的主要因素即列車運營情況，當列車的荷載增大時，路基沉降也越明顯；反之，依然，兩者呈一種正相關性。

3　有效控制標準及建議

3.1安全、科學的原則

鐵路隧道下穿要優先保證施工安全，在此基礎上進一步考慮相關行業部門的規定要求及達到工藝水平措施的經濟成本。保證安全包括兩方面∶在滿足道路安全的前提下，考慮施工技術的實際情況，充分借鑒以成功完成的項目；以標準的科學數據為依據，以計算結果為憑證。

3.2“雙重指標、綜合控制”的技術原則

首先以不破壞公路路面結構和鐵路軌道結構為前提，保證線路的安全運營，并且結合不同部門的管理規定，制定相應的控制標準和控制原則（主要包括沉降、起降、差異起降），采取雙重指標、綜合控制的技術方針，即總沉降值和沉降速率控制。根據不同的情況，需要分析出相應的解決方案，如確認出相應的預警數據、報警數據、控制數據作為應急情況下的警示數據。控制數據即控制標準，其他數據的設定以這幾個數據做參考，預警數據引起警戒的開始數據，報警數據是報警時設定的數據，一般預警數據已控制數據的65%為依據，報警數據以控制數據的75%為參考。

3.3便于維修養護的原則

鐵路運輸作為目前國內最主要的運輸形式，其具有不可間斷的特殊性，因此在維修養護上要遵循規則。一般參照公路部門的養護維修管理和鐵路部門的養護維修指南，其指出了既有公路路基路面的沉降允許值和既有鐵路軌道結構變形的極限值。因此在施工期間需要維修部門每天進行檢查和養護以便收集準確數據。然而考慮到每天的保養維修量增大，維修一般取軌道結構累計變形控制的30～50%作為日變形控制值，在不影響運輸的情況下同時做到維修方便。

3.4實施技術要求

在針對實際施工上我們根據已有的成功案例總結一些控制標準。盡管在不同的下穿過程中，隧道根據結構形式的不同。斷面各種類型、實際開挖方法及開挖步驟各不相同，但隧道下穿和路基沉降規律基本一致，綜合資料統計結果可以看出，華東、華南等沿海地區因降雨量大土層含水量大，北方地區為干旱地區，其土質含水量少，則土層的強度很高，自身的承受能力和抗變形能力比南方強。所以引起沉降的主要原因還包括開挖時地層內應力場變化及土地中地下水的流失引起的土體排水固結。

對于軟弱鐵路隧道下穿的施工時，根據已有的成功經驗采用大管棚提前超前保護，它能很好地穩定及控制隧道的整體變形。隧道開始開挖后要考慮到公路級別的載荷，在隧道縱向不同開挖步下公路路面的沉降值近似倒漏斗型分布，要滿足路面的行車要求，需公路路面最大累計沉降為7.9mm。除了對土層的研究，隧道開挖時以現場監測手段為主。同時開挖順序也可對工程造成影響。施工中每一步開挖的同時需要注意封閉掌子面，同時施作隧道內相信位置處的噴混凝土、支護鋼架、臨時橫撐等。

4　結束語

綜上所述，本文針對鐵路隧道下穿既有路基沉降等問題，通過國內施工工程資料的收集與調研及理論分析做了全面、深入地研究。

（1）對下穿既有鐵路隧道施工過程進行分析研究了既有鐵路引起路基的變形規律及對列車安全運營的影響，研究分析了軌道結構的變形特點。

（2）既有路基沉降變形規律遵循地質的分布，與地表的沉降變形存在差異，路基的沉降受到地下水、土層結構、施工方法、路面結構等多種影響。

（3）國內既有鐵路隧道下穿中所采購的數據為公路部門定制的標準數據，公路最大沉降數據為55mm，鐵路數據為25mm。

（4）地表最大沉降量與彈性模量約為對數關系。考慮多種地質條件，隧道埋深和隧道結構等因素，采用公式回歸分析方法，推導出地表最大沉降量與地層彈性模量的關系。提出了新建鐵路隧道下穿不同等級的地表沉降控制標準。

[1]段恩新.鐵路隧道下穿施工引起高速公路路基沉降規律研究[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2013，26（2）∶41～45，82.

[2]高云嬌，婁國充，宋楊，等.鐵路隧道下穿施工引起既有鐵路線路變形規律研究[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2014，27（1）∶31～34，39.

[3]婁國充.鐵路隧道下穿既有路基沉降規律及控制標準研究[D].北京交通大學，2012.

[4]葉志清.鐵路隧道下穿既有路基沉降規律及控制標準研究[J].建材發展導向（下），2015（1）∶16，17.

[5]柴雨芳.隧道下穿施工及列車振動對高鐵路基沉降影響規律研究[D].西南交通大學，2013∶56.

U213.1

A

1673-0038（2015）11-0141-02

∶2015-2-20

∶王建林（1981-），男，工程師，大學本科，主要從事隧道、橋梁工程工作。