砂質(zhì)淺埋隧道近距離下穿既有營(yíng)業(yè)線列車時(shí)速控制數(shù)值模擬分析

張 濟(jì)

(中鐵一局集團(tuán)有限公司第三工程分公司, 陜西寶雞 721006)

新建結(jié)構(gòu)鄰近既有結(jié)構(gòu)物施工，并對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的工程成為近接工程[1],伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，鐵路隧道建設(shè)愈發(fā)普遍，交通近接工程也隨之，其常見類型多為在建隧道與既有營(yíng)業(yè)隧道的交錯(cuò)，隧道下穿既有鐵路、公路路基、市政天然氣管道、輸油管道等情況。

在考慮隧道開挖對(duì)臨近結(jié)構(gòu)物影響時(shí)通常采用兩種方法：一種是兩階段法[2-3]，將隧道開挖對(duì)臨近結(jié)構(gòu)物的影響而產(chǎn)生的地表移動(dòng)與變形施加到結(jié)構(gòu)物上，分析結(jié)構(gòu)物的內(nèi)力變化；二是整體法[4-5]，將隧道周圍土體、結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，通過接觸來考慮它們相互之間的連接問題，多用有限元方法計(jì)算。本文采用整體法，將隧道圍巖與南疆鐵路路軌看作整體，其上運(yùn)行列車以動(dòng)荷載的形式作用在模型上[6]，借助有限差分軟件FLAC3D計(jì)算軌面在列車通行時(shí)的高低值。

庫(kù)爾勒全隧道淺埋單線，最大埋深約22 m，最小埋深約6 m，洞頂覆蓋層為砂層。其中DYK1215+019-DYK1215+124段下穿南疆鐵路，為減少對(duì)既有線的干擾現(xiàn)對(duì)邊坡加強(qiáng)穩(wěn)定并利用D便梁形成的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)支撐既有線鋼軌及列車荷載。

1 工程概述

庫(kù)爾勒隧道DYK1215+019-DYK1215+124段，長(zhǎng)度105 m，以暗挖形式下穿南疆鐵路既有營(yíng)業(yè)線。為保證該線正常運(yùn)行，本文根據(jù)近年來國(guó)內(nèi)近接工程經(jīng)驗(yàn)，參考《穿越既有交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)要求》[5]使用整體法，將線上通行列車等效為動(dòng)荷載，利用英國(guó)鐵路技術(shù)中心所建議的人工激振力[7-8]施加在模型整體上，利用有限差分軟件FLAC 3D得出軌面關(guān)鍵點(diǎn)在列車荷載作用下的高低值，并與《鐵路線路修理規(guī)則》[9]中軌道幾何尺寸容許偏差值對(duì)比，最終依據(jù)《線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值》給出在此條件下，列車通過速須低于75 km/h。

2 工程概況

庫(kù)爾勒隧道位于庫(kù)爾勒火車站東側(cè)庫(kù)爾勒市開發(fā)區(qū)境內(nèi)，起訖里程為DYK1211+700～DYK1216+250，全長(zhǎng)4 550 m，全線淺埋單線隧道，其中明挖段2 340 m，暗挖段2 210 m,為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

DYK1215+019-DYK1215+124段下穿南疆鐵路，其與南疆鐵路線路平面關(guān)系見圖1，此段暗挖通過，圍巖級(jí)別V級(jí)，洞身該段最小埋深約7 m，最大埋深約9 m,拱部位于粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、砂巖互層中，圍巖穩(wěn)定性差洞身為復(fù)合式襯砌(初期支護(hù)與二次整體模筑襯砌)，彈性支撐塊式無砟軌道。

圖1 下穿南疆線平面關(guān)系

為確保隧道施工安全，對(duì)南疆線采用D型便梁加固防護(hù)。架空加固縱梁分別采用2根D24型便梁，左線右線加固共計(jì)4根，便梁設(shè)置方式為乙式，便梁端頭置于挖孔樁上(直徑125 cm，每側(cè)4根)。隧道拱部180°范圍采用雙層水平旋噴樁加固地層如圖2，為增強(qiáng)旋噴樁剛度內(nèi)插φ108管棚，旋噴樁長(zhǎng)L=30m，環(huán)向間距0.4 m，外插角1°，縱向搭接不小于3.5 m。

圖2 水平旋轉(zhuǎn)樁加固南疆線橫斷面(單位：mm)

3 模型建立

3.1 控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》中參照軌道幾何尺寸容許偏差值見表1，取作業(yè)驗(yàn)收高低偏差為4 mm，縱向距離為10 m。

表1 線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

由人工數(shù)定軸數(shù)結(jié)合規(guī)范而確定的荷載可以得出不同速度時(shí)，軌面受到的激振力荷載，可在差分軟件FLAC 3D中計(jì)算得軌面在不同列車時(shí)速下的高低偏差值。

3.2 計(jì)算模型建立

由庫(kù)爾勒隧道與南疆鐵路的相對(duì)位置并考慮水平旋轉(zhuǎn)樁對(duì)穿越影響段地層的加固，借助有限差分軟件FLAC 3D建立長(zhǎng)25 m，寬35 m，高32 m模型，選取C20混凝土模擬鐵路道床具體模型參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值模型建立如圖3。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)軌面靜態(tài)幾何容許偏差管理值，在線路的縱向長(zhǎng)度上每10 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，模型上軌面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖4，從左到右，1～13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距離為2 m，13～14號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為1 m。

圖4 軌面監(jiān)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)布置

4 計(jì)算與分析

通過提取并分析各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻的位移，可以得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移最大值，并且各個(gè)位移最大值見表3。

表3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移最大值

由線路靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值，檢測(cè)線路高低偏差，沿線路縱向上長(zhǎng)度取10 m。

在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中選擇間距為10 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并以表3中位移最大值為基本數(shù)據(jù)，計(jì)算兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移差值，并將該差值和表1中Vmax≤120km/h正線及到發(fā)線作業(yè)驗(yàn)收高低偏差值進(jìn)行對(duì)比(表4)。

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)差值絕對(duì)值與規(guī)范比較

依據(jù)表4中數(shù)據(jù)，可以得到4號(hào)與9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移差值最大，為2.88 mm，并繪制4號(hào)，9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程圖見圖5，將該值作為數(shù)值計(jì)算中線路的高低偏差基準(zhǔn)值。

圖5 4號(hào)、9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程

采用相同的方法，可以得到在不同速度下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間高低偏差值見表5。

表5 不同速度下的線路高低偏差值

按照控制條件高低偏差4 mm,得到圖6。

圖6 不同列車運(yùn)行速度下線路高低偏差值

由圖6可見，在時(shí)速達(dá)到40 km/h之前軌面高低偏差值隨時(shí)速增加不斷變大，在40～60 km/h時(shí)速區(qū)間內(nèi)高低偏差值隨速度增大而略微減當(dāng)時(shí)速超過60 km/h時(shí)高低偏差值隨時(shí)速增大而增大。依據(jù)《線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值》，給出在此工況條件下，列車通過時(shí)的速度須不大于75 km/h。

5 結(jié)束語(yǔ)

由人工數(shù)定軸數(shù)結(jié)合規(guī)范而確定的荷載可以得出不同速度時(shí)，軌面受到的激振力荷載，最后借助有限差分軟件FLAC 3D得出了不同時(shí)速條件下列車荷載作用于路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，并參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范給出了列車通過時(shí)的限制速度為75 km/h以下。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施措施采取將列車通行速度限制為45 km/h以下并對(duì)線路軌道幾何尺寸進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)列車行近時(shí)，對(duì)列車提示慢行并測(cè)速，由兩人進(jìn)行，在來車方向800 m處發(fā)信號(hào),實(shí)測(cè)得在列車通行速度為45 km/h以下時(shí)軌面高低偏差值為3.3 mm，與圖6中曲線所得軌面高低偏差值基本一致。