考慮地面動荷載的地鐵運行隧道結構安全分析

摘要：為研究地鐵開通運行后對地面建構筑物的影響及上部鐵路動荷載情況下對地鐵隧道結構的影響，采用理論計算和數值模擬相結合的方法，對南京地鐵4#線下穿京滬高鐵聯絡線和寧蕪鐵路路基段進行了探討和分析，研究了地鐵運行震動和鐵路機車動荷載情況下地層的動應力分布及變化規律，進一步分析運行狀態下兩者的相互影響情況。結果表明：高鐵震動引起的土體動應力較大，并對隧道結構產生不利影響，高鐵列車通過隧道上方時隧道頂部加速度的變化幅值明顯變大，說明隧道管片對高鐵列車運行產生的動荷載較為敏感，相比之下對普通列車產生的動荷載的敏感性不強。為確保地鐵運行后結構的安全，隧道在設計時采取了安設高強度螺栓，浮置板道床以及在管片上增設注漿孔等工程措施。關鍵詞：機車動荷載；地鐵運行震動；地層動應力；加速度響應；浮置板道床

中圖分類號：TD 32；U 25文獻標志碼： A

Abstract：In order to study the impact of subway operation on ground construction，as well as the influence of upper railway on the structure of metro tunnels in the case of dynamic load，this paper discusses and analyses the subgrade of BeijingShanghai highspeed rail and NingWu railway underpassed by the Nanjing metro line four through combining theoretical calculation with numerical simulation，and study dynamic stress distribution and change law of the stratum under the circumstances of subway operation vibration and dynamic load of railway locomotive，and further probe into the interaction under the operation state.Extensive experimental results show the soil dynamic stress is larger caused by highspeed rail vibration which bring adverse effects on the tunnel structure.The change amplitude of the top tunnel acceleration obviously becomes larger when the train passes through the tunnel，which indicates that the tunnel segment is more sensitive to the dynamic load caused by the operation of highspeed railway in contrast to the weak sensitivity to the ordinary train.Therefore，in order to ensure the safety of the structure during operation，the tunnel was designed with high strength bolts，floating track bed，and engineering measures that adding grouting hole on segment.Key words：locomotive dynamic load；subway operation vibration；stratum dynamic stress；acceleration response；floating track bed

0引言隨著中國大量城市開始建設地鐵，各類難題也不斷出現。在地鐵建設規劃中，區間隧道下穿地面建構筑物是比較普遍的現象。近幾年，隨著中國施工技術的發展和施工經驗的積累，施工過程中的風險逐步得到了有效控制。大量地鐵線路的開通運行，越來越多的人關注開通后運行機車產生的震動問題、運行后地面建構筑物的安全問題、運行隧道因震動產生的下沉問題等。如何分析運行機車的震動影響和機車震動對地面建構筑物的影響是在建設過程中應該考慮的問題，以確保地鐵建成后的運行安全。關于列車行駛產生的震動荷載問題國內外大量學者進行了探討，潘昌實[1]、李軍世[2]、梁波[3-4]等基于列車的載客能力、產生波動的疊加性和機車軌道的不平順等進行了理論研究，得到了列車震動荷載的不同數學計算方法；劉維寧[5]、王逢朝[6]、Jones[7]、Krylov[8]等利用數學推導和計算機仿真分析求得機車的震動荷載及荷載的影響范圍；Rücker[9]、潘昌實[10]、李德武[11]、張玉娥[12]采用儀器對倫敦地鐵、北京地鐵、廣州地鐵的運行震動進行了測試，測出了某一點的震動荷載，從而推測機車震動荷載規律。類似的研究還很多[13-18]，均從不同方面對列車運行產生的震動問題進行了探討和監測。機車震動荷載的研究為中國城市軌道交通線路的走向選擇及隧道的埋深提供了很好的參考，同時對因震動產生的結構影響也提出了保護距離，而當隧道上部存在鐵路機車動荷載，隧道內有地鐵運行動荷載情況下相互影響的結構安全研究則較少。筆者結合南京地鐵4#線一期工程徐莊軟件園站-金馬路站區間下穿京滬高鐵聯絡線和寧蕪鐵路路基段為分析主體，采用理論分析及數值模擬相結合的方法，對地鐵隧道下穿高鐵和普通鐵路路基段的相互影響進行研究和探討，對因運行產生的地層動應力進行分析，總結了鐵路運行對地鐵隧道結構產生的影響，并提出了相應的控制措施，為后續類似工程提供參考和借鑒。

1工程概況

11地鐵區間及下穿段概況南京地鐵4#線一期工程徐莊軟件園站-金馬路站區間設計里程為右CK9+70325～右CK10+819526，左CK9+70325～左CK10+819526全長約1 1163 m，采用盾構法施工，區間內設一個風井，2個聯絡通道。本區間隧道計劃采用2臺盾構機施工，2臺盾構機從金馬路站端頭井始發，推進至區間風井處進行檢修，最終到達徐莊軟件園站。盾構隧道在本區間下穿京滬高鐵聯絡線和寧蕪鐵路，整個下穿工點長度約60 m.盾構隧道與京滬高鐵和寧蕪鐵路斜交，兩線路角度約50°.京滬高鐵軌道中心線與寧蕪鐵路軌道中心線距離約17 m，鐵路軌面標高約22 m，下穿位置盾構隧道線間距約32 m，隧道埋深約20 m.下穿位置周邊環境如圖1所示。

12工程地質及評價本工程位于徐莊軟件園站-金馬路站之間，根據南京地鐵4#線地質災害評估該段地質和水文地質資料以及《南京南至仙寧聯絡線橫斷面設計圖》，該處地貌單元屬于侵蝕堆積崗地，地形有一定起伏變化，北段略高，勘探孔孔口高程在696～1186 m，最大高差490 m.勘察揭示場地覆蓋層厚度410 m左右，上覆土層厚度變化較小，土層性質變化不大，局部有坳溝分布。區間隧道縱剖面圖如圖2所示。

隧道埋深較深。盾構隧道頂板埋深約24 m，隧道頂板距離高鐵路基距離較大從而減小了地鐵與鐵路之間的相互影響，對工程有利。穿越工點易產生不均勻沉降。盾構隧道下穿京滬高鐵工點位于仙林大道框架橋路橋過渡段。過渡段地基在盾構下穿工點處加固不均勻使地基剛度存在差異，在盾構推進的過程易產生不均勻沉降，影響行車安全。鐵路運行期間路面列車和盾構隧道內運行的地鐵等產生的動荷載將對既有鐵路路基及盾構結構產生不利影響。列車產生的震動荷載的長期作用會使地基土軟化、孔隙水壓力增大，導致土體承載力降低，而土體被弱化的后果又危及地鐵運行安全和上方運行鐵路路基的穩定性。

2鐵路行車對地鐵隧道安全影響分析

針對運行期仙寧鐵路及寧蕪鐵路列車及南京地鐵4#線地鐵等動荷載的相互作用進行計算分析。

21計算荷載及模型動荷載的特點是瞬時性和反復性，荷載作用時間一般在10 s以下，在動荷載條件下考慮土體的強度和變形問題時需要考慮速度效應和循環效應。考慮速度效應時需要將加荷時間的長短換算成加荷速度或者是應變速度，加荷速度不同，土的應變不同。高鐵聯絡線（仙寧鐵路高）鐵設計時速為260 km/h，車型為CRH3列車，寧蕪鐵路線為普通鐵路列車，運行時速為100 km/h，南京地鐵四號線運行時速為80 km/h，采用B型車。根據現場實測及計算數據整理出不同列車的荷載時程曲線如圖3，4，5所示。由圖可知：高鐵機車產生的震動峰值為60 kN，頻率為10次/s；普通鐵路機車產生的震動峰值為85 kN，頻率為5次/s；地鐵車輛產生的震動峰值為75 kN，頻率為3次/s.

如圖8所示，地鐵隧道為減輕上部動載對結構的安全影響，線路在設計時進行了大埋深設計，隧道結構埋深為20 m，兩隧道間間距進行了拉大處理，減少因隧道施工引起的地層應力及變形疊加，區間線路間距為32 m，并對高鐵涵洞進行了合理距離避讓，高鐵聯絡線在設計時考慮到了地鐵的穿越，對地層進行了預加固，采用了直徑05 m，間距10 m，長度55 m的粉噴樁進行加固。

22結果分析通過模型計算，地鐵隧道下穿高鐵斷面處隧道頂點上部土層產生的最大動應力隨土層深度的變化曲線如圖9所示，高鐵通過時盾構管片頂部加速度響應曲線如圖10所示。

結果表明：在埋深25 m范圍以內，列車荷載產生的動應力迅速消散減小，在埋深區間25 m至8 m位置處，動應力的消散變得緩慢，出現了增大的現象，仙寧大道路橋與粉噴樁加固區正位于該埋深范圍內，說明車輛荷載產生的動荷載與高鐵列車產生的動荷載在此區間內產生了疊加效應，同時地下結構物（框架橋及粉噴樁加固區）的存在影響了阻尼系數，使得動應力的消散放緩，埋深8 m以下，土層中的動應力又開始衰減，但是與淺土層相比衰減速度顯著降低，這與該埋深范圍內的土質相符合，至隧道頂部上方時減至20 kPa左右，隧道頂部最大加速度值為右線7 m/s2.地鐵隧道下穿普通鐵路斷面處隧道頂點上部土層產生的最大動應力隨土層深度的變化曲線如圖11所示，普通鐵路通過時盾構管片頂部加速度響應曲線如圖12所示。

結果表明：動應力在土層中的消散曲線較有規律，在路基面（埋深-08 m）動應力為75 kPa，至隧道頂部上方時縮減為22 kPa，隧道頂部最大加速度值為右線32 m/s2.

3地鐵長期運行對鐵路行車安全性的影響地鐵盾構隧道在長期運行的過程中會因各種原因發生不均勻沉降。據統計，已運行地鐵隧道均出現不同程度的沉降，主要原因是運行震動與地基土的承載力弱化，如圖13所示。

針對該區間隧道，由于盾構隧道結構剛度較小，當隧道地基發生較大變形后，軌面不平順也相應增大，降低機車車輛運行的平穩性和軌道結構的安全性；同時增大的震動會引起地基土中的孔隙水壓力增大進而弱化地基土的承載能力并加大隧道周圍土體的變形。隨著時間的推移，變形的影響范圍加大到一定程度必然會加劇上方鐵路線路的軌面不平順，進而將加大輪軌間的沖擊力，然后通過路基及土體的傳遞，最終使隧道結構內的附加動應力增大，這樣就形成了動力相互影響的惡性循環。如不采取合理的預防措施，必將會嚴重影響隧道結構及上部鐵路的行駛安全性。根據以上的分析，該區間在運行期間應進行長期科學監測，盾構隧道在設計時采取了加強措施：①盾構連接螺栓采用了高強度螺栓，增加區間隧道結構剛度；②隧道在該地段采用了浮置板抗震道床，以減少軌道機車行駛震動；③管片上增設注漿孔，根據需要可適時通過洞內對地層進行補償注漿。并對隧道結構加強后運行狀態進行了動態模擬，結果如圖14，15所示。計算橫向取250 m，埋深20 m，模擬隧道真實周邊環境及地層參數進行計算。

可以看出，在地鐵長期運行及上部鐵路動荷載情況下，鐵路路基的最終沉降量為96 mm，滿足高鐵聯絡線對沉降的要求，運行安全可控。

4結論1）高速鐵路和普通鐵路行車震動產生的土體動應力以一定的規律衰減后作用到地鐵隧道結構上，并對隧道結構產生不利影響，隧道結構在設計階段應充分考慮這種動荷載的作用，并進行結構的加強；

2）在地鐵和上部鐵路長期的運行下，震動的頻繁疊加會弱化地基土的承載能力并加劇隧道周圍土體的變形，盡而影響地鐵隧道和上部鐵路的行車安全，需要采取措施進行保護；

3）經過理論計算和數值模擬，在采取合理措施情況下，本工程順利實施，并確保了安全運行，為同類工程的實施提供了借鑒。

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