地鐵隧道下穿既有鐵路基礎(chǔ)變形控制標(biāo)準(zhǔn)研究

摘 要：地鐵隧道下穿既有鐵路施工時(shí)，線路基礎(chǔ)變形會(huì)引起軌道幾何尺寸發(fā)生變化，從而影響運(yùn)營安全。首先，基于地鐵隧道下穿既有有砟軌道線路路基的工程實(shí)際，建立有限元模型對(duì)地鐵隧道下穿既有鐵路變形規(guī)律進(jìn)行分析。然后，以既有線路的軌道高低容許偏差管理值為依據(jù)，制定不同速度等級(jí)、不同埋深條件下鐵路基礎(chǔ)變形的控制標(biāo)準(zhǔn)和下穿施工時(shí)的沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)，為類似工程沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的制定和施工安全管理提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;下穿既有鐵路;有砟軌道;基礎(chǔ)變形;控制標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：U231+.3

地鐵隧道下穿既有鐵路有砟軌道線路時(shí)，隧道開挖會(huì)對(duì)周圍土體造成擾動(dòng)和破壞，引起上覆土層損失，造成既有線路基礎(chǔ)沉降變形，從而導(dǎo)致既有線路軌道幾何尺寸發(fā)生變化，影響運(yùn)營安全。因此，研究地鐵隧道下穿施工時(shí)的線路基礎(chǔ)沉降變形規(guī)律，合理制定滿足地鐵運(yùn)營管理規(guī)定的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，避免因下穿施工而引起運(yùn)營安全事故，對(duì)既有線路運(yùn)營安全管理和現(xiàn)場(chǎng)施工安全控制具有重要的意義。

1 下穿施工模型建立與材料參數(shù)

采用ABAQUS數(shù)值分析軟件，對(duì)地鐵隧道下穿有砟軌道線路施工過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)研究隧道在不同埋深條件下下穿施工引起的既有線路軌道和基礎(chǔ)變形規(guī)律，為下穿施工沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論基礎(chǔ)。

1.1 模型建立

參考下穿工程實(shí)例，地鐵隧道按單線隧道下穿考慮，隧道斷面為馬蹄形，外徑為6.2 m，最大開挖高度為6.5 m，C25混凝土初期支護(hù)（支護(hù)厚度為25cm）。按單線鐵路路基考慮模型橫斷面尺寸，路基面寬度為7.8 m，基床表層、底層的高度分別為0.6 m和1.9m。

下穿施工開挖方向與既有線路走向垂直，采用兩臺(tái)階施工，上臺(tái)階開挖高度為3.0 m，下臺(tái)階開挖高度為3.5 m。為減小邊界影響，模型沿既有線路方向取100m，沿隧道開挖方向取40 m，地表以下土體厚度取50m。

以地鐵隧道下穿既有線路的路基為出發(fā)點(diǎn)，路基以下土層為多層層狀體系，各層均由各向同性的均質(zhì)材料組成;以路基頂面中心線網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)代替既有鐵路中心線各節(jié)點(diǎn)單元;以路基中心線兩側(cè)網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)代替左右兩根鋼軌的節(jié)點(diǎn)單元;以路基底部地表頂面單元代替地表各節(jié)點(diǎn)單元。沿既有線路方向?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，為提高計(jì)算速度，數(shù)值分析建模時(shí)取結(jié)構(gòu)的一半，按半對(duì)稱考慮對(duì)稱面處限制Z方向（沿既有線路方向）的位移（圖 1）。本模型分別選取埋深為10 m、15 m、20 m和25 m進(jìn)行計(jì)算。

1.2 材料參數(shù)

（1）土體參數(shù)。取在建城市地鐵隧道下穿既有線路施工時(shí)的土體參數(shù)（表1），為簡化計(jì)算，忽略地下水的影響。

（2）軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)。軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

（3）隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C25素混凝土，其重力密度為2 400 kg/m3，彈性模量為2 000 MPa，泊松比為0.3。

2 地鐵隧道下穿施工時(shí)既有線路變形規(guī)律分析

地鐵隧道下穿施工會(huì)引起有砟軌道線路路基的沉降與變形，進(jìn)而引起軌道幾何發(fā)生變化，從而影響列車運(yùn)營安全。軌道幾何變化包括高低、水平、軌距、軌向等變化，以及軌道與路基之間脫空等，基床本體及其以下土層的變形是既有線路軌道幾何發(fā)生變化的基礎(chǔ)。

2.1 豎向和水平位移分析

不同埋深條件下土體的豎向和水平位移分別如圖2～圖 5所示。計(jì)算結(jié)果表明，下穿施工時(shí)隧道掌子面掘進(jìn)引起的地表中心點(diǎn)豎向位移和線路中心豎向位移變形規(guī)律基本一致，兩者豎向位移差很小，可近似認(rèn)為地表豎向位移與線路豎向位移一致。隧道掌子面在到達(dá)既有線路中心1倍洞徑以及通過線路中心2倍洞徑范圍內(nèi)，地表中心和線路中心產(chǎn)生的豎向位移值較大，當(dāng)埋深分別為10m、15 m、20 m和25 m時(shí)，該施工階段線路中心豎向位移占總位移值的比例分別為53.2%、76.7%、72.4%和71%。下穿施工的最終豎向位移值與隧道埋深有較大關(guān)系：埋深較小時(shí)，最終豎向位移值較大;隨著埋深的增加，最終豎向位移值逐漸減小并趨于緩和。

由于水平位移較小，可不考慮其影響。

2.2 軌道高低影響分析

計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于同一隧道埋深，沿線路方向的沉降寬度在整個(gè)施工過程中基本保持不變。埋深較小時(shí)，沿線路方向的沉降曲線表現(xiàn)為深而窄的沉降槽;隨著埋深的增加，沿線路方向的沉降曲線逐漸表現(xiàn)為淺而寬的沉降槽，此時(shí)線路中心及兩條鋼軌沿線路方向的沉降變形曲線基本符合高斯曲線分布。埋深分別為10m、15 m、20 m和25 m時(shí)，線路中心的沉降槽反彎點(diǎn)（擬合曲線反彎點(diǎn)）距隧道中線的距離分別為9.75 m、10.41m、12.60 m和14.94 m。

沉降槽的深度和范圍對(duì)既有線路的軌道高低偏差有直接的影響。當(dāng)沉降槽深而窄時(shí)，對(duì)既有線路的影響范圍較窄，但在該范圍內(nèi)的豎向位移變化較大，由此引起的軌道高低偏差較大，因此對(duì)既有線路的運(yùn)營安全有較大影響。當(dāng)沉降槽淺而寬時(shí)，對(duì)既有線路的影響范圍較寬，但在該范圍內(nèi)的豎向位移變化較小，由此引起的軌道高低偏差較小，因此對(duì)既有線路的運(yùn)營安全影響相對(duì)較小。

通過數(shù)值分析，得到不同埋深時(shí)沉降槽反彎點(diǎn)與隧道埋深近似呈線性關(guān)系，如圖6所示。它們的關(guān)系為：

式（1）中， i為沉降槽反彎點(diǎn)值，m; H為隧道埋深，m。

2.3 軌道水平影響分析

計(jì)算結(jié)果表明，下穿施工時(shí)因隧道掌子面掘進(jìn)而引起的線路中心、兩條鋼軌的最終沉降值基本一致，但基床和下部土層的沉降變形會(huì)對(duì)既有線路的軌道水平產(chǎn)生一定的影響。隧道掌子面達(dá)到既有線路中心1倍洞徑以及通過線路中心2倍洞徑范圍內(nèi)，軌道水平偏差呈現(xiàn)出先增大再逐步減小的規(guī)律，如埋深為10m時(shí)，施工過程中既有線路的最大軌道水平偏差為0.18mm，開挖完成后軌道水平偏差為0.01 mm。另外，埋深分別為15m、20 m和25 m時(shí)，施工過程中既有線路的最大軌道水平偏差對(duì)應(yīng)為0.11 mm、0.03 mm和0.04mm，均遠(yuǎn)小于現(xiàn)行維修規(guī)則中的要求。由此可見，下穿施工對(duì)既有線路軌道水平偏差的影響可以忽略不計(jì)。

2.4 軌道軌距影響分析

計(jì)算結(jié)果表明，下穿施工時(shí)會(huì)使鋼軌產(chǎn)生一定的水平位移，從而使既有線路的軌距發(fā)生變化。在下穿隧道掌子面到達(dá)既有線路中心前，軌距偏差達(dá)到最大，隨著掌子面的不斷掘進(jìn)并遠(yuǎn)離既有線路中心，軌距偏差逐漸減小，最后趨于一個(gè)很小的值。計(jì)算工況下、不同埋深時(shí)引起的軌距偏差最大值為0.04 mm，均遠(yuǎn)小于現(xiàn)行維修規(guī)則中的軌距偏差允許值。因此可得，地鐵隧道下穿施工對(duì)既有線路軌道軌距偏差的影響可以忽略不計(jì)。

3 地鐵隧道下穿施工沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

由上述下穿施工時(shí)既有線路變形規(guī)律分析可知，地表沉降變形與既有線路沉降變形基本一致。地鐵隧道下穿施工時(shí)，既有線路軌道的高低、水平、軌向、軌距等在施工過程中均發(fā)生一定的偏差，但軌道水平、軌向、軌距的偏差值均遠(yuǎn)小于現(xiàn)行維修規(guī)則中的要求。由此可知，地鐵隧道下穿施工對(duì)既有線路的影響主要取決于軌道高低的偏差。

3.1 軌道高低偏差容許偏差管理值的確定

TG/GW 102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》（以下簡稱《修理規(guī)則》）中按不同速度等級(jí)將既有線路軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差管理值分為作業(yè)驗(yàn)收、計(jì)劃維修、臨時(shí)修補(bǔ)和限速4類維護(hù)保養(yǎng)模式，將軌道動(dòng)態(tài)幾何不平順容許偏差管理值分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)4類維護(hù)保養(yǎng)模式;鐵運(yùn)[2013]29號(hào)《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》（以下簡稱《維修規(guī)則（試行）》）按不同速度等級(jí)將線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值分為作業(yè)驗(yàn)收、經(jīng)常保養(yǎng)、臨時(shí)修補(bǔ)和限速4類維護(hù)保養(yǎng)模式，將軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值分為經(jīng)常保養(yǎng)、舒適度、臨時(shí)補(bǔ)修和限速4維護(hù)保養(yǎng)模式。既有線路運(yùn)營期間，鐵路相關(guān)部門按規(guī)定定期對(duì)線路進(jìn)行檢查和保養(yǎng)，因此，對(duì)于普速和高速鐵路，其軌道高低靜態(tài)容許偏差管理值分別取計(jì)劃維修和經(jīng)常保養(yǎng)時(shí)的偏差限值，軌道高低動(dòng)態(tài)容許偏差管理值分別取Ⅰ級(jí)和經(jīng)常保養(yǎng)時(shí)的偏差限值。

參考《修理規(guī)則》和《維修規(guī)則（試行）》，不同速度等級(jí)條件下軌道高低靜、動(dòng)態(tài)容許偏差管理值分別如表3和表4所示。通過對(duì)不同速度等級(jí)軌道高低靜、動(dòng)態(tài)容許偏差管理值進(jìn)行對(duì)比，可知靜態(tài)容許偏差管理值比動(dòng)態(tài)容許偏差管理值更為嚴(yán)格，因此，以軌道高低靜態(tài)容許偏差管理值作為容許偏差管理值。

軌道高低靜態(tài)容許偏差管理值為10 m及以下弦測(cè)量的最大矢度值，由此可得不同速度等級(jí)條件下軌道高低傾斜值的控制標(biāo)準(zhǔn)（[K]），如表5所示。

3.2 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)高斯正態(tài)曲線分布規(guī)律和沉降槽反彎點(diǎn)的數(shù)學(xué)含義，反彎點(diǎn)處的地表沉降值為最大沉降值的61%，且該處斜率最大。若該處斜率不大于[K]，則能保證其他各處的傾斜均小于[K]，由此可得：

式（2）中， S max為線路中心最大沉降值，mm。

將式（1）代入式（2）并整理，可得下穿施工時(shí)線路中心最大沉降值為：

利用表5和式（3），可得到下穿施工時(shí)地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)與隧道埋深H的關(guān)系式，如表6所示。

不同埋深、不同速度等級(jí)條件下，下穿施工時(shí)的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如表7所示。

3.3 沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

地鐵隧道下穿施工時(shí)，地表最大沉降值是隧道施工各階段沉降的累計(jì)變形值，是最終控制結(jié)果。實(shí)踐表明，隧道施工過程中，在地表最大沉降值小于控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)沉降速率過大也容易引起施工安全事故，從而影響既有線路運(yùn)營安全。因此，在施工過程中，對(duì)沉降速率進(jìn)行控制十分有必要。

由前述分析可知，下穿施工過程中，在下穿隧道掌子面到達(dá)既有線路中心1倍洞徑以及通過線路中心2倍洞徑范圍內(nèi)地表沉降值約占總沉降值的70%，因此，應(yīng)對(duì)該區(qū)段施工過程中的沉降速率進(jìn)行適當(dāng)控制。

若下穿該區(qū)段施工期間每日開挖進(jìn)度為 L（m），隧道下穿施工開挖外徑為D（m），聯(lián)合式（3），則得日沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)（mm/天）為：

下穿地鐵隧道的外徑按6.2 m計(jì)算，利用表5和式 （4）可得不同埋深、不同速度等級(jí)條件下地表沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)，具體如表8所示。

4 結(jié)論

（1）地鐵隧道下穿有砟軌道線路施工時(shí)，基礎(chǔ)變形和既有線路變形基本一致，可不考慮基礎(chǔ)與線路的脫空現(xiàn)象，下穿隧道掌子面到達(dá)線路中心1倍洞徑以及通過線路中心2倍洞徑范圍內(nèi)豎向位移較大，約占下穿施工總沉降值得70%。

（2）下穿施工引起的有砟軌道線路軌道水平、軌距、軌向偏差均遠(yuǎn)小于現(xiàn)行相關(guān)維修規(guī)程中的要求，可以忽略不計(jì)。由下穿施工引起的軌道高低偏差對(duì)線路安全運(yùn)營影響較大，沿線路方向沉降曲線基本符合高斯正態(tài)曲線分布，沉降槽反彎點(diǎn)與隧道埋深近似呈線性關(guān)系。

（3）參考《修理規(guī)則》和《維修規(guī)則（試行）》，以既有有砟軌道線路軌道高低偏差容許值為控制標(biāo)準(zhǔn)，建立了下穿施工時(shí)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)與隧道埋深的線性關(guān)系，得出了不同埋深、不同速度等級(jí)條件下既有有砟軌道線路的基礎(chǔ)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

（4）以日沉降速率為控制標(biāo)準(zhǔn)，建立了沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)與下穿隧道日開挖進(jìn)尺的關(guān)系式，可為類似工程施工過程中的安全控制提供參考。

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收稿日期 2019-02-20

責(zé)任編輯 黨選麗

Study on control standard of foundation deformation of subway tunnel of ballasted track

Zhang Wei

Abstract： When the subway tunnel passes through the existing railway construction， the deformation of the line foundation will cause the change of the track geometry， thus affecting the operation safety. Firstly， based on the engineering practice of subway tunnel passing through the existing track of ballast subgrade， a finite element model is established to analyze the construction foundation and line deformation patterns of subway tunnel passing through. Secondly， based on the allowable deviation management value of the existing track， the control standard of foundation deformation and settlement rate in control standard of underpass construction under different speed levels and buried depth conditions are formulated， so as to provide reference for the establishment of settlement control standard and construction safety management of similar projects.

Keywords： subway， tunnel， underpass， ballasted track， foundation deformation， control standard

作者簡介：張偉（1979—），男，高級(jí)工程師