铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准研究

叶志清

摘 要：随着客运专线以及高速铁路的扩大，既有铁路、新建铁路和公路的交叉现象越来越严重，改建与新建铁路使用隧道下穿的方式跨越公路与铁路工程越来越多。但是，在这过程中，轨道或者铁路路基变形的现象仍然存在，从而也就对周边环境以及铁路施工造成了很多不利影响。文章结合我国铁路隧道下穿既有路基沉降以及控制标准进行了简要的探究和阐述。

关键词：铁路隧道；路基；沉降规律；控制标准

交通运输作为城市形成以及发展的重要因素，一直被视为运输工作的骨干，在生活水平快速发展的今天，随着改革进程加大，社会经济得到了很大的发展，人口逐渐向沿海、大城市等经济相对发达的地方流动，这不仅加重了国民经济负担，同时也带来了一系列问题。为了降低土地占用与既有交通之间的影响，改建、新建铁路使用隧道下穿的形式越来越多，如：石家庄的六线专线隧道下穿，很好的解决了交通干扰与城市分割问题；美兰机场利用隧道下穿，降低和既有运输网的干扰；武广铁路全长10.1千米，在长沙市东部下穿长永、京珠、机场高速，这样就解决了客运专线对密集建筑群的影响。虽然改建、新建铁路使用隧道下穿具有强烈的优势，但是它会对公路和铁路路基产生影响，甚至影响安全运营，对公路与铁路带来破坏，引发较大的安全事故与经济损失。因此，在实际工作中，我们必须根据铁路隧道下穿既有标准，从源头上消除、减轻、避免施工造成的地表沉降。

1 隧道下穿施工对既有路基的影响

在铁路施工建设中，地表变形、沉降作为不可避免的现象，它会生成一定的沉降槽，影响建筑物构造。自R.B.Peck地表沉降理论以来，国内外加大了对构筑物的研究，尤其是实验模型、现场监测与数据模拟，但是对于下穿既有道路的研究一直局限于数值计算和施工测量。当铁路隧道下穿既有铁路，又有公路时，会由于道路运输的不间断和结构特征，隧道施工不仅具有地表沉降的性质，还会在交通荷载、道路结构中具有特殊性质。

1.1 隧道下穿对既有路基的影响

在铁路施工中，新建隧道下穿不仅对周边能够产生扰动，还能促使地层应力调整与改变，引发地表、地层变形，最后让既有铁路路基与附属结构出现变形和移动的现象。这种变形、位移和土的附加应力以及自重引发沉降具有不同的特征，同时这也是建筑物被损坏的原因。因此，在实际工作中，必须掌握隧道施工对建筑物的影响与破坏形式，才能不断完善控制技术以及标准。

从隧道下穿施工引发的变形模式来看，隧道下穿会让土体原有的平衡被打乱，在重新建立力学平衡的同时，很有可能带来新一轮的变形、移动与破坏，然后反馈到地表结构，让隧道上访出现变形和移动，最后形成一定程度的沉降槽与形状。从隧道开挖影响过程来看，主要有来自垂直方向的下沉、扭曲、倾斜、变形，以及来自水平方向的变形、拉伸和移动。在变形和地表移动的基础上，低级与建筑物基础之间的平衡被打破，构造物与建筑物之间出现附加力。在这过程中，不同的地表变形与沉降，对建筑物的影响不同。

从隧道施工引发的破坏形式来看，隧道开挖和埋深、土层性质、围岩状况以及水文地质具有直接的联系，它的本质是围岩隧道的应力决定的。对于地质环境较好的区域，因为隧道围岩整体性较好、强度较高，所以在隧道开挖时就能及时释放应力，并且减少土层松动现象。对于围岩环境较差的区域，由于开挖后很难生成承载效应，在应力释放的同时，上覆土层会形成全新的塌落区域，此时的围岩表现为松弛的荷载，土层上基本没有任何自承与自稳能力，一旦遭到外界影响，塌落区域就会增加，从而对周边环境、地表建筑构成威胁。需要注意的是：这种土料具有很强的结构性能，一旦遭到开挖就可能扰动刚度与强度，新型的岩土材料就会造成整体凹陷或者下沉。

1.2 隧道施工对公路的破坏形式

在铁路隧道下穿施工中，新建隧道很容易在土层上覆时出现不均匀沉降，在路面变形的同时，生成沉降凹槽。在这期间，路面危害具有多种形式，在下穿隧道施工中，很可能带来线路破坏和路面路基破坏。结构破坏，是路面路基在受到剪应力作用时，让路面出现的过量变形，具体如：沥青、水泥混凝土断裂、搭班破坏、错台等；功能性破坏是受公路等外界因素影响不能确保车辆正常通行的情况，具体如：沥青路面的起皮、波浪、隆起、沉陷、剥落、坑槽等。从路面病害原因来看，它可能是车流量、路面质量，也可能是使用时间、排水方法以及路基稳定性造成的。最主要的原因是路基联合以及不均匀沉降的结果，最后导致整体破裂与变形，同时隧道下穿施工也会带来沉降不均匀的现象，从而对路面结构性和功能性产生影响，最后危及交通安全。

2 铁路隧道下穿施工造成的路基沉降规律

在铁路隧道下穿既有路基沉降中，对土体的扰动作为不可避免的过程，它不仅会对路面、路基构成影响，还会对交通安全产生一定的作用。时至今日，已经有很多学者对地表沉降进行了研究，还提出了计算公式。但是需要注意的是：在隧道下穿既有道路施工中，路面沉降最大值和沉降分布公式都必须引以重视。当前，最大沉降局限于地层损失率假设上，它具有很强的经验性，所以不能反映隧道跨度施工、埋深以及地层性质，在预测中，实测和预测一般都存在差距。在荷载传递中，车辆荷载是用均布的形式从内部向各个方向传递，根据《给水排水工程管道结构设计规范》中的传递角水平与竖向的比值为0.7：1，在车辆组合中，我们可以根据具体情况，也就是荷载传递，以一定的角度将轮压荷载输进地面，实际情况的扩散角与土体摩擦有很大的关系。

在数值实验方案以及模型建立中，通过对铁路隧道下穿沉降变形进行量化分析，思考沉降变形时各个影响机理和程度。在这过程中，造成变形沉降的因素很多，并且互相影响。为了综合地层参数、隧道埋深、跨度等地面的影响，可以使用数值模型的方式，对其进行分析。为了综合施工隧道对既有公路路面带来的影响，我们可以将其分成若干处进行公路下穿，并且根据下穿深度，对铁路双线、单线隧道施工进行模拟。

随着物质生活水平的提高，既有铁路与新建铁路使用隧道下穿的方式在高速铁路以及客运专线上应用的越来越广，所以对既有路基沉降和控制标准研究成了热点。新建铁路用隧道形式进行下穿，必定会对应力造成影响，从而造成不均匀沉降，这也是既有铁路变形，出现两轨高差、不平顺、剥离悬空的主要原因，严重时还会带来交通事故。因此，对沉降规律进行研究也是必要的。为了精确的得到铁路新建对既有铁路的影响，必须整合新建科学性，在确保研究目的的同时，结合模型内容进行简化。例如：在荷载计算时，我们可以结合影响因素，对变化规律进行总结。目前我国对于铁路荷载已经进行了研究，并且提出计算方式。在作用力下，钢轨的变形曲线、影响范围与钢轨、轮轨力、道床、轨枕、路基有直接关系，通常是5根轨深，5根轨枕承担轮轨力。另外，我们也可以参照日本计算方式，得到应力最大值和计算方法。

3 结语

铁路隧道下穿既有路基沉降研究作为近年来铁路运输新型的研究方面，对铁路运输以及建设具有重要影响。因此，在实际工作中，必须结合沉降规律和控制标准，从各方面推动铁路建设。

参考文献

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