地鐵隧道近距離下穿鐵路路基安全評估

石鵬飛

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

新建地鐵隧道下穿既有鐵路時，既要保證隧道的施工安全，又要保證既有鐵路的運營安全。大量的地鐵隧道工程實踐表明，城市隧道施工勢必會引起地層沉降和變形[1-3]。這種施工變形可在較短時間、地表一定范圍內形成不均勻的沉降凹槽，而沉降槽對鐵路功能及運營安全將產生較大影響[4]。通過三維數值模擬，分析下方地鐵區間隧道施工對鐵路路基的影響，根據分析結果進行安全性評價，提出規避風險的建議。

1 工程概況

烏魯木齊地鐵2號線烏魯木齊站站-華山街站區間隧道從既有蘭新線、在建蘭新二線鐵路路基下穿過，平面交角45°，埋深36.7～39.5m。既有蘭新線設計速度120km/h，是新疆通往內地的唯一鐵路運輸干線。在建蘭新二線設計速度200km/h，下穿區段位于半徑R=800m的左偏曲線上，限速120km/h。采用60kg/m鋼軌，碎石道床。

新建地鐵區間隧道為雙洞單線，采用礦山法施工，隧道斷面為馬蹄形，尺寸為7.28m(寬)×7.7m(高)，左右線間距13m。左右洞之間設置橫通道作為施工通道，城門洞形斷面，尺寸為6m(寬)×8.98m(高)。隧道及橫通道穿越的地層主要為第四系中更新統沖洪積圓礫層及侏羅系強風化、中風化泥巖層。地下水為松散層孔隙潛水，主要埋藏于第四系中更新統圓礫土中，含水層厚度3～17m。水位埋深12.3～26.2m，地下水主要接受大氣降水和綠化灌溉的補給。隧道設計支護參數見表1。

表1 隧道支護參數表

2 隧道開挖對鐵路路基的影響

(1)鐵路股道整體沉降

隧道施工會導致地層移動，從而在地表引起沉降。對于既有鐵路來說，當土體發生沉降時，軌枕的支撐面會隨之下沉，軌道的多支座超靜定系統也遭到破壞。在列車的動荷載作用下，這些支撐面下沉的軌枕帶著軌道產生較大的變形量，導致軌道中的應力大大升高。土體沉降過大時可使軌道斷裂，甚至會造成出軌事故[5]。鐵路正常運營要求地面沉降或隆起不超過10mm，否則可能帶來較大風險[6]。

(2)鐵軌間差異沉降

隧道施工不但會造成整體沉降，在向前施工過程中，可能在隧道縱向產生不均勻的變形。這種變形對于火車股道的影響是可能導致兩股鋼軌之間的差異沉降，輕微的可引起車輛搖晃和兩股鋼軌的受力不均，導致鋼軌的不均勻磨損；嚴重的可導致車輪減載或懸空，甚至發生脫軌事故。

(3)軌道縱向的不均勻沉降

由于隧道施工影響地層的應力和變形，必將導致地表發生沉降。地表變形在三維上表現為一個凹槽，而在隧道橫截面上，穩定后的沉降曲線為一個類似于正態分布的Ganss曲線。這種橫向變形將會導致股道的縱向產生不均勻沉降，列車通過這些地方時，沖擊動力可能成倍增加，加速道床變形，從而更進一步擴大軌道的不平順，加劇機車車輛對軌道的破壞，形成惡性循環。

(4)控制標準

根據鐵路的運營速度，結合規范及地鐵施工經驗，采用如下沉降控制標準：鐵路路基、地面最大沉降值不超過10mm；兩股軌道之間最大差異沉降不超過4mm；單軌10m差異沉降值不超過4mm。

3 數值模型

(1)計算范圍

利用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元模型，計算區域根據隧道和鐵路平立面相對位置關系確定，沿隧道縱向取46m，隧道橫斷面方向取70m，土體深度65m，能夠滿足邊界效應的要求。網格劃分采用四節點四面體單元，整個模型共有單元77351個，節點12827個，其中隧道單元13507個，節點2746個，橫通道單元16232個，節點3057個，整個計算模型見圖1。

(2)巖土材料物理力學參數

根據地質勘察資料及有關規范，確定在有限元模型中采用的巖土材料物理力學參數如表2所示。鐵路路基表面荷載采用25kN/m的均布荷載施加在鐵路路基上。

(3)支護結構模擬

支護采用初襯噴混支護，在隧道實體上析取單元生成，共生成2880個單元，1512個節點。隧道襯砌結構采用板單元模擬，初期支護和二次襯砌總厚度為650mm。

表2 巖土材料物理力學參數

橫通道采用模筑混凝土與噴射混凝土支護，在橫通道實體上析取單元生成，共生成2828個單元，1440個節點。橫通道支護結構采用板單元模擬，模筑混凝土與噴射混凝土總厚度為750mm。

(4)邊界條件

計算土體的底面約束豎直方向z的自由度；計算土體的側面約束側向x、y方向的自由度；地表為自由面。

(5)施工步驟

隧道及橫通道采用臺階法開挖，采用以下步驟仿真模擬施工過程：開挖橫通道→開挖左線隧道→待應力稍微釋放后施加左線隧道襯砌結構→開挖右線隧道→待應力稍微釋放后施加右線隧道襯砌結構。

4 數值分析

4.1 橫通道開挖對上部鐵路的影響

對橫通道開挖過程中的圍巖及結構的力學行為特征進行重點研究，獲取了最終狀態下隧道中部的圍巖位移及應力云圖(見圖2、圖3)。通過計算得出:橫通道開挖完成后，鐵路路基表面的地表最大沉降為4.98mm，橫通道周邊最大沉降值為21.8mm，最大隆起值為2.35mm。

4.2 隧道開挖對上部鐵路的影響

對隧道開挖過程中的圍巖及結構的力學行為特征進行重點研究，獲取了最終狀態下Y=23m處的圍巖位移及應力云圖(見圖4、圖5)。

由以上計算結果可知，隧道施工完成之后，鐵路路基表面地表最大沉降9.01mm，水平位移1.94mm，不超過10mm的控制標準；鐵路兩軌道之間的差異沉降為3.14mm，不超過4mm的控制標準。

隧道開挖所導致的L=10m內的最大豎向沉降不超過4mm，滿足鐵路控制標準，沿著鐵路縱向的豎向位移曲線如圖6所示。

5 結論及建議

(1)根據數值分析的結果能夠得出：地鐵隧道施工完成后，鐵路路基地表最大沉降為9.01mm，鐵路兩軌道間的差異沉降為3.14mm，隧道開挖所導致的L=10m內的最大豎向沉降不超過4mm，均滿足鐵路控制標準。

(2)隧道第一主應力最大值是0.068MPa，第三主應力最大值是0.133MPa，均小于素混凝土C45的軸心抗拉強度設計值1.8MPa和抗壓強度設計值21.1MPa。

(3)為減小地鐵隧道施工導致圍巖變形和地層損失給鐵路帶來不利影響，建議初期支護鋼架間距由0.75m調整為0.5m，采用CD法開挖，循環進尺按1榀鋼架間距控制。