盾構下穿引起的既有線路軌道變形與列車運營作用研究

蔡向輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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盾構下穿引起的既有線路軌道變形與列車運營作用研究

蔡向輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要：地鐵盾構下穿既有高鐵線路施工時會對既有地基產生擾動，引起地層不同程度的沉降、路基下沉、軌道結構變形等病害，不僅對隧道和周邊環境的安全產生不利影響，嚴重的會造成既有鐵路破壞，影響線路的正常運營，給乘客帶來安全隱患。利用有限元軟件ABAQUS建立了軌道-路基-下穿隧道有限元模型分析了盾構施工對既有線路軌道結構的影響，并結合高速鐵路結構間的相互作用關系，基于車輛-軌道耦合動力學理論對盾構下穿引起的線路變形、軌道結構層間離縫與列車運行相互作用進行了分析。

關鍵詞：高速鐵路；無砟軌道；盾構下穿；耦合動力學；軌道不平順

截至2015年7月，我國高速鐵路營運里程已突破1.7萬 km，運營動車組1 800列，年運送旅客達9.1億人次，是世界上高速鐵路運營里程最長、在建規模最大的國家。與此同時，我國已有36座城市獲準修建城市軌道交通線路，其中22座城市已經開通運營，總里程近3 000 km。兩者的線路在特定的空間位置不可避免地產生交叉。設計平交道口會增加土地占用面積并給既有交通帶來影響，為了降低工程建設成本及減小對周圍環境的影響，新建城市軌道交通盾構下穿既有鐵路線路成為現在主要形式[1]。

高速鐵路要求軌道結構具有高平順性，而盾構開挖引起的地層損失會導致軌道結構不均勻沉降變形[2]；線上高速列車傳下來的動力響應經過軌道傳遞給地基，也會對盾構開挖施工產生影響。鑒于隧道-地層-襯砌結構動力相互作用系統的復雜性，單純地用解析方法很難實現對列車運行引起的動力響應預測，國內外通常采用有限元模型、邊界元模型、有限元-邊界元耦合模型以及有限元-無限元耦合模型等幾大類進行分析，并結合現場監測數據對工程施工進行指導[2-5]，而缺少對盾構開挖產生的沉降及線路劣化條件下車輛-軌道結構的動力響應進行分析。

因此，需建立軌道-路基-地基有限元模型，對盾構下穿高速鐵路的施工過程進行模擬，揭示盾構下穿引起的軌道沉降規律，并結合車輛-軌道-下部基礎耦合動力學模型分析盾構施工導致線路變形條件下，列車的動態響應及其對線下結構的影響，為城市軌道交通下穿施工的風險控制和高速鐵路的安全運營提供科學參考。

1計算模型的建立

本文模型參考路基上CRTSⅡ型板式無砟軌道建立，自上而下主要部件為CRp車輛、60 kg/m鋼軌、彈性扣件、預制軌道板、調整層、支承層、下部土體、襯砌，見圖1所示。車輛參考CRp型高速列車建立，為多剛體系統，包括車體、構架(2個)、輪對(4個)、一系彈簧、二系彈簧等部件。輪軌法向接觸模型中采用Hertz接觸理論，切向作用采用庫倫摩擦模型，即用摩擦系數來表征接觸面間的摩擦特性[6]。

為減小邊界效應影響，模型尺寸確定如下：沿著線路走向長度取為130 m；土體厚度為35 m；由于盾構管片長度一般為1.2 m，本文隧道開挖方向取為管片長度的30倍，即36 m；兩隧道凈距為5 m。路堤上基床分為表層和底層兩部分，其中基床表層厚0.4 m，組成成分主要為級配碎石材料，基床底層厚2.3 m，由改良土構成。路基上水硬性支承層寬2.95 m，高0.3 m；水泥瀝青砂漿層寬2.55 m，高0.03 m；預制軌道板寬2.55 m，高0.29 m。線路走向與盾構隧道方向正交。為簡化計算，本文忽略V形槽等部件，并不考慮地下水的影響。

圖1　有限元模型

2主要參數

模擬的60kg/m鋼軌為線彈性材料，選用8節點六面體(C3D8R)線性完全積分實體單元模擬；扣件間距0.65 m，采用彈簧單元模擬；預制軌道板、水泥瀝青砂漿層和水硬性支承層均采用實體單元C3D8R模擬[7]，相關參數見表1。

路基基床表層采用級配碎石材料，基床底層采用AB組填料，參數見表2。

表1　軌道結構參數

表2　路基結構參數

地基土體自上而下分為雜填土、粉細砂、中粗砂、粉質黏土4層，采用符合Drucker-Prager屈服準則的彈塑性模型模擬，由于施工中都會采取注漿等加固措施[8-11]，本文在模型中提高了土體彈性模量來表示采取加固措施后的效果，具體參數見表3。襯砌管片采用三維殼單元來模擬。

表3　地基土體參數

3軌道變形分析

本文模擬的工況為：雙線隧道埋深9 m，隧道開挖直徑6.2 m，下穿既有高速鐵路路基地段。施工時，先開挖左側隧道，待左線貫通后開挖右側隧道。隧道開挖面至線路中心線正下方的距離為D，未開挖至線路中心線正下方時D值為負，超過中心線時D值為正[12-13]。

左右兩側隧道盾構開挖過程中軌道變形情況如圖2和圖3所示，從開挖過程中隧道中心線兩側的鋼軌沉降變化情況可以看出：

(1)隧道盾構開挖會對地基土體造成擾動，引起土體卸載，隧道向圓心處收縮以及上方路基、線路等結構物的沉降，地基土體的沉降峰值發生開挖斷面正上方，路基土體和鋼軌的最終沉降峰值發生在兩隧道中心線上方，開挖沉降穩定后鋼軌的沉降值可達4.95 mm；

(2)下部土體開挖對上方路基等沿線路走向的影響區域達28 m左右，即隧道開挖直徑的4～5倍；在開挖過程中，土層沉降槽面積不斷增大；

(3)左隧道開挖過程中，兩鋼軌沉降峰值均發生在開挖斷面中心正上方，至左線隧道貫通，右線隧道開挖過程中兩鋼軌沉降峰值不斷從左開挖斷面中心移至兩隧道中心線的正上方；

(4)兩鋼軌在單隧道開挖過程中沉降速率呈現先增大后減小的趨勢，兩軌沉降差也先增大后減小至趨于0，沉降差峰值發生在開挖面位于線路中心線正下方。

圖2　左隧道施工

圖3　右隧道施工

表4為軌道結構在不同開挖直徑下的沉降值對比，從表中可以看出鋼軌的沉降值隨著開挖直徑的增大而近似線性增大，并且隨著開挖直徑的增大，軌道板、支承層、路基沉降量也有所增大，各結構層的沉降量由位置自下至上逐漸減小。各層之間的沉降差容易誘發沉降曲線波谷位置出現離縫趨勢，列車運營時輪軌反復動力沖擊作用會導致結構層間產生周期性“拍打”現象，加快層間離縫的發展，減少各結構層的設計使用壽命。

表4　各結構層沉降對比

4層間離縫對列車運營影響

在列車動荷載作用下，離縫會繼續擴展。在ABAQUS動力分析模型中，離縫區域之外軌道板與砂漿層設置tie綁定接觸屬性(模擬實際中的“黏結”作用)，在離縫區域采用鐵路通用的正弦曲線模擬層間離縫。離縫量沿線路縱向函數表達式如下[14]

式中，f0為半波離縫幅值；l為離縫區域波長；如圖4所示。

圖4　離縫模擬

建立28 m范圍內(開挖導致的離縫區域縱向長度)不同離縫值下的動力分析模型，對列車高速運營過程中列車及軌道結構的動態響應進行分析，并與無離縫時的響應進行對比分析。離縫量值分別為0、3、6、9、12 mm及15 mm(0 mm表示軌道板與水泥瀝青砂漿層已經脫黏，但未產生離縫)。計算結果表明：輪軌橫向力及輪軌垂向力均隨著離縫值的增大而增大，尤其是離縫值達到9 mm后，動力響應增長迅速，其中輪軌橫向力最大可達38.16 kN，垂向力峰值達到131.13 kN，分別相比無離縫時增長了16.1%和11.6%，仍在安全限值以內；脫軌系數也呈遞增趨勢，在離縫達到15 mm時脫軌系數峰值達到0.51，輪重減載率增至0.38，但均滿足安全運營要求；車體橫向加速度在離縫值為0時為0.011g，最大增至0.032g，而車體垂向加速度在離縫值9 mm時就達0.064g，峰值可達0.082g，對旅客乘坐舒適性產生嚴重影響。

圖5～圖12為軌道結構各部件在列車經過時的時程響應曲線，表5為各部件在列車經過離縫區域的動力響應峰值。

圖5　離縫區域拍打力

圖6　扣件垂向力

從圖5可以看出，列車經過隧道開挖正上方軌道板與CA砂漿層離縫區域時，離縫區域處軌道板與CA砂漿層的拍打強度劇烈，在離縫值最大位置處，拍打沖擊力高達3 889 kN；扣件彈條垂向力從13.95 kN增至33.57 kN，增幅為141%，長期在此工況下運營可致使扣件疲勞，誘發彈條斷裂，給列車的安全運營帶來隱患。

圖8　鋼軌位移

圖9　軌道板加速度

圖10　軌道板位移

圖11 　支承層加速度

圖12　支承層位移

就軌道結構的加速度而言，各結構層的加速度值隨著離縫量的增加呈線性增大趨勢；當離縫量從0增至15 mm時，鋼軌垂向加速度幅值變化范圍為109.3～129.4g，軌道板垂向加速度幅值變化范圍為12.33～68.60g，支承層垂向加速度幅值變化范圍為5.27～27.08g，峰值均發生在板中最大離縫處，相應的鋼軌位移幅值為1.494～8.385 mm，軌道板位移幅值為0.269～7.223 mm，支承層位移幅值為0.208～0.372 mm。

圖13為離縫區域支承層在列車經過時的縱向應力云圖，可以看出，隨著離縫量的增大，當列車經過離縫區域上方時，軌道板和支承層的縱向拉應力隨之增大，軌道板的拉應力增長至5.084 MPa，超過混凝土的軸心抗拉強度設計值，但軌道板內設有縱向預應力鋼筋，確保軌道板不會立即開裂；但素混凝土構成的支承層在離縫量達到15 mm時，拉應力達到了1.791 MPa，超過了C40混凝土軸心抗拉強度設計值1.71 MPa[15]。隨著裂紋的發展，支承層將迅速開裂，降低軌道結構的剛度，影響其設計使用壽命。

圖13　離縫區域支承層縱向應力

表5　軌道結構動力響應隨離縫量變化

5結論

城市軌道交通盾構下穿既有鐵路已經成為工程中的常見現象，但我國現有的研究側重于下穿施工時上部結構物的變形監測，理論分析中對上部結構作了大量簡化，更缺少變形后列車和軌道結構的動力響應分析。本文以此為研究對象，得到以下結論：

(1)隧道盾構開挖會對地基土體造成擾動，引起上方路基、軌道結構的沉降，地基土體的沉降峰值發生開挖斷面正上方，路基土體和鋼軌的最終沉降峰值發生在兩隧道中心線上方，開挖對線路走向的影響區域達隧道開挖直徑的4～5倍；

(2)兩鋼軌在單隧道開挖過程中沉降速率呈現先增大后減小的趨勢，兩軌沉降差也先增大后減小至趨于0，沉降差峰值發生在開挖面位于線路中心線正下方；

(3)左隧道開挖過程中，兩鋼軌沉降峰值均發生在開挖斷面中心正上方，至左線隧道貫通，右線隧道開挖過程中兩鋼軌沉降峰值不斷從左開挖斷面中心移至兩隧道中心線的正上方；

(4)列車通過離縫區域時，動力響應明顯增大，其中輪軌橫向力、垂向力、輪重減載率、脫軌系數等仍在安全限值內，而車體垂向加速度在離縫值9 mm時就達0.064g，峰值可達0.082g，影響旅客乘坐舒適性；

(5)軌道板和支承層的縱向拉應力在列車經過時瞬間增大，軌道板內設有縱向預應力鋼筋，確保軌道板的耐久性；但素混凝土構成的支承層在離縫量達到15 mm時，拉應力達到了1.79 MPa，超過了C40混凝土軸心抗拉強度設計值1.71 MPa。隨著裂紋的發展，支承層將迅速開裂，降低軌道結構的剛度，影響其設計使用壽命。

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收稿日期：2015-11-17； 修回日期：2015-11-30

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61134003)

作者簡介：蔡向輝(1989—)，男，助理工程師，2015年畢業于北京交通大學土木建筑工程學院，工學碩士，E-mail：1063007418@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0030-04

中圖分類號：U213

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.007

Research on Existed Track Deformation Induced by Down-traversing Shield Tunnel and Interactive Influence on High-speed Train

CAI Xiang-hui

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：The down-traversing shield tunnel excavation is likely to disturb the existed railway foundation and result certain deformation of ground layer， settlement of subgrade and track irregularity， which may impact surrounding environment， affect normal operation and endanger the passengers， and what is more， damage the railway. In this paper， a track-subgrade-down-traversing shield tunnel model is established with finite element software ABAQUS to analyze the influence of down-traversing shield tunnel. The interactional relation between the deformation of track， the track layer joints and the operation of high-speed train caused by underpass tunneling is analyzed in view of the interaction between high speed railway structures based on vehicle track coupling dynamics theory．

Key words：High-speed railway; Ballastless track; Down-traversing shield tunnel: Coupling dynamics; Track irregularity