盾构隧道下穿既有铁路对轨道结构的影响研究

徐向明

深圳市龙岗区城市建设投资有限公司

盾构隧道下穿既有铁路对轨道结构的影响研究

徐向明

深圳市龙岗区城市建设投资有限公司

引言

随着我国经济发展，城市规模不断扩大，地下空间得到开发利用。城市地铁隧道施工会对地表及地表以上建筑造成一定的影响。当隧道埋深较浅时且周围建筑见多时，隧道施工会对地表造成不均匀沉降。当地铁隧道下穿既有铁路线路时，隧道施工会引起运营铁路路基的不均匀沉降，过大的地表沉降变形会导致事故发生。此外，位于地铁隧道上方的线路运营荷载一般较大，对于修建中的地铁隧道而言相当于施加了很大压力，会对地铁隧道施工产生不良影响。对于控制下穿隧道施工对既有建筑物的影响，许多学者提出了多种解决措施。本文通过数值模拟对地铁隧道下穿既有铁路线路时造成的影响这常见问题进行分析。通过对关键点的轨道变形进行研究，并结合相应的规范要求提出相应的控制指标。

1 国内外研究现状

目前，对盾构区间下铁路既有线变形影响主要研究手段有经验公式法、实验方法和数值模拟方法。许多学者认为由于隧道施工开挖引起的地表横向沉降槽可以用一曲线函数表示出来，据施工现场的实际情况对经验公式法进行了修正。根据相应的的地质情况以及施工方法确定函数参数的取值，但是该方法具有较大局限性[1~3]。实验分析也是常用方法之一，目前该方法在国内高校中用得较多。数值分析也是常用方法之一。在数值模拟分析中可以综合考虑影响地层变形的各个方面因素，模拟隧道施工开挖引起地表沉降变形以及其地表沉降范围。在实际施工前能较好预测地表的沉降，并根据地表沉降的值机器范围提出了相应的控制地表沉降措施。丁锐等[4]根据沿海地区软土地区的浅埋暗挖隧道施工的实际情况，进行了相应数值模拟分析。其得到结果表明，在开挖过程中，群洞效应的作用和施工方案有密切关系，并提出了相应控制地表沉降的措施。招伟等[5]以广州地铁二号线现场监测数据为基础，总结了地表沉降规律，发现造成地表沉降的因素有：初始应力状态的改变、地层的地质条件、隧道开挖掌子面的受力和变形等。

从目前已有成果来看，国内对地铁隧道施工对周围环境影响的研究，主要是研究地表沉降，而且一般停留在平面计算，三维计算研究较少。因此，对于地铁隧道施工对下穿既有铁路影响的研究方法虽然较多，但是缺乏对其原理的深入研究。确定地铁隧道施工下穿既有线路的控制标准，选择合理的施工参数，及采取有效的必要的保护措施，从而很好地控制地层的变形，是目前需要深入研究的。

2 数值模拟技术

2.1 建模概况

地铁10号线某区间在里程约DK28+972.300~DK29+024.700处下穿广深铁路，隧道与铁路交叉角约为78°，被穿越长度分别为48.5m、49.3m。区间线路纵断面在下穿广深铁路处左、右线坡度均为10‰，区间隧道主要处于土、块状强风化砂岩层中，上覆素填土、粘性土、下方为中风化砂岩。轨面埋深14.090m~14.720m。

广深铁路平湖站站中心里程为K126+685。平湖站内共8股道，轨道道床为碎石道床，其中正线4条，辅线2条；货运线2条，中间站台3座。区间影响及加固范围K126+659.2~K126+628.7。

以该区段实际情况为依据建立三维数值计算模型，模型上边界为地表路基及轨道，底边界取到隧道底以下15m(约为2.5D，D为区间隧道直径)，宽度隧道两侧外各取20m(约为3.5D)，线路纵向考虑边界效应取90m。建立的计算模型网格如图1所示。

图1 盾构隧道下穿铁路计算模型图

计算模型范围内分布的地层主要有素填土、粘性土、强风化砂岩、中风化砂岩。计算模型中土层、盾构管片、注浆加固圈、碎石道床均采用实体单元进行模拟，列车轨道采用梁单元进行模拟，列车荷载和盾构推力分别采用线荷载和面荷载进行模拟。模型边界采用法向位移约束，地面为自由面。在盾构隧道开挖模拟中，岩土体都采用弹塑性本构模型，Mohr-Coulomb屈服准则；混凝土结构则采用弹性本构模型。

2.2 施工过程模拟

根据盾构施工流程，数值分析中对盾构各施工步序进行了模拟。下面是模拟的具体施工过程：

(1)初始地应力场的分析模拟；

(2)列车轨道荷载施加，位移清零；

(3)第一环隧道土体开挖、第一环管片施工，同时施加盾构推力，施加相应盾构机荷载，如图2所示；

(4)第二环隧道土体开挖、第二环管片施工，同时施加盾构推力及对应部位盾构机重力荷载；

(5)第三环隧道土体开挖、第三环管片施工，同时施加盾构推力及对应部位盾构机重力荷载；

(6)最后一环隧道土体开挖、最后一环管片施工，隧道贯通。

3 铁路线路加固及变形控制标准

3.1 铁路线路加固

目前国内对线路加固主要采用三种方法：D型梁扣轨加固、钢轨束扣轨、地面注浆加固。D型梁刚度大、沉降小，但人工挖孔桩施工期间可能带来较大沉降，且对既有线运营带来较大影响，本案例处于运营车站内，两侧站台限制使作业空间受限，因此，D型梁方案不可行。钢轨束采用3-5-3形式，可较大程度上，提升轨道刚度，减少小范围内产生较大变形的可能，作业空间较D型梁更加灵活，因此，对于正线及影响范围内的站线采用钢轨束扣轨对线路进行架空保护。其余线路采用地面袖阀管跟踪注浆加固，尽量减少对铁路运营影响。

3.2 变形控制标准

据调查国内与已运营铁路线路发生干扰的地下工程已经有多处已成功实施，其工程特点及控制标准如表1：

根据《铁路线路修理规则》要求，1435mm标准轨距和线路允许速度为200km／h及以下的线路，线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值如表2所示：

综合国内下穿铁路经验和深圳等我国沿海地区地层条件，制定以下控制标准：(见表3)

4 盾构隧道下穿铁路既有线变形影响分析

新修建的地铁隧道会扰动周围的地层从而导致地表变形，造成周边建筑物的不均匀沉降。在实际隧道施工中，需要严格施工引起的地表以及地表以上建筑物沉降。控制新建地铁隧道下穿既有铁路线路时对线路结构影响的特点主要表现在两方面：一是：铁路线路结构附于地表之上，应该与一般隧道施工引起的地表沉降具有类似规律；二是：相对于普通地表面来说，铁路线路结构因为有其上部列车荷载的作用，其沉降规律有自己的特殊性。因此，为了更深入地研究其沉降机理，需要研究隧道下穿对既有线路的影响及其引起的沉降变形规律。

表1 工程特征及控制标准

表2 线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值(mm)

表3 线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值(mm)

表4 轨道高程差差值表

图2 右线隧道上方轨道沉降值

图3 两隧道中间上方轨道沉降值

图4 左线隧道上方轨道沉降值

4.1 钢轨高程差分析

高低不平顺是指轨道沿钢轨的长度方向在垂向上的高低不平。图2~图4为三个典型断面的轨道沉降值，利用该断面的轨道沉降值，分析相邻钢轨高程差。(见表4)

从上述计算结果可知：三个典型断面中，轨道相邻观察点的最大高程差为1.2mm，属于左线已经开挖完毕，右线还未开挖的断面，盾构开挖对相应地面钢轨沉降影响较大。钢轨的钢轨沉降差均小于控制值5mm，满足2.2中对相邻钢轨高程差的控制值5mm/10m的控制值要求。

4.2 钢轨水平差分析

水平误差主要是由于左右两股钢轨下沉量不同所造成的。钢轨维修规则中对其大小及变化幅度有着严格限制。水平误差较小情况下只是引起车辆的摇晃和两股钢轨的不均匀受力及磨耗。但水平误差较大情况下会出现三角坑的，有可能使转向架某个车轮减载甚至悬空，甚至可能爬上钢轨，危及行车安全。

图5 相邻钢轨沉降图

从数值模拟结果来看，盾构开挖对应上部的沉降较大，但左右轨高低的变化趋势基本一致。施工过程中沉降变化与开挖同步，最大水平沉降差为0.6mm，满足4mm的沉降控制值。

4.3 相邻钢轨轨距差分析

图6 隧道上方轨道水平位移图

图6为盾构隧道开挖引起轨道水平位移图，利用该典型断面的水平位移值，分析相邻钢轨的轨距差，从上述计算结果可知：

轨道最大水平位移值为1.44mm，由于盾构开挖距离地面较远，地面钢轨发生的水平位移同向且差值较小，处于-0.2mm~0.2mm，满足2.2中相邻钢轨轨距差的控制值+4~-2mm的控制。

通过计算可知，下穿铁路采用盾构法引起的地面及轨道变形较小，安全可控；钢轨束扣轨的加固方式可以有效的控制钢轨的不均匀沉降；盾构施工轨道变形受竖向沉降差控制；钢轨水平差及轨距差受盾构开挖影响较小。

5 结语

本文通过结合深圳轨道交通十号线工程实例，进行三维数值模拟计算分析，对地铁隧道下穿运营铁路时，线路结构影响、控制方法及控制标准进行了研究。

(1) 在安全、合理、经济的基础上，根据国内相关城市下穿铁路的经验总结并结合《铁路线路维修规则》制定了隧道下穿运营线路变形控制标准；

(2)由于钢轨束扣轨增强了轨道的刚度，且路基土体较一般地层填筑密实，在长期列车荷载作用下，列车动应力影响范围内土体物理力学强度参数有一定量的提高，从而有效限制了土层沉降的发展，减小了轨道发生有害变形的趋势；(3) 在列车荷载作用下，双线盾构隧道下穿运营线路事，盾构施工轨道变形受竖向沉降差控制；钢轨水平差及轨距差受盾构开挖影响较小。

[1] Peck R. B， Deep excavation and tunneling in soft ground， State of the Art Report. Proc. 7Int. Conf. On Soil Mechanics and Foundation Engineering， Mexico City， 1969： 225~290.

[2] ROWE R.K， LO K.Y， KACK G J. A method of estimating surface settlement above tunnels constructed in soft ground[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1983， 20(8)：11~22.

[3] LEE K.M， ROWE R.K. Subsidence due to tunnelling：Part II—Evaluation of a prediction technique[J]. Canadian Geotechnical Journal，1992， 29(5)： 941~954.

[4] 丁锐，范鹏，焦苍等.不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析[J].铁道工程学报，2005，(5)： 62~65.

[5] 刘招伟，王梦恕，董新平.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J].岩石力学与工程学报，2003， 22(8)：1297~1301.

Study on Influences on Railway Structure caused by Shield Tunnel undergoing through Existing Lines

Xu xiangming

(longgang city construction investment co.ltd.，Shenzhen 518100，China)

对深圳市城市轨道交通十号线某盾构区间隧道下穿广深铁路建立三维数值模型，通过数值模拟计算手段研究盾构隧道影响下轨道变形规律及控制技术。通过研究可知：钢轨束扣轨增强了轨道的刚度，减小了轨道发生不利变形的趋势；盾构隧道开挖引起的地表位移主要结果为沉降，双线盾构隧道开挖引起的轨道沉降整体呈现出“w”形，两盾构隧道上方地面沉降最大，其它地方沉降相对较小；盾构隧道下穿运营线路时，盾构施工轨道变形受竖向沉降差控制，钢轨水平差及轨距差受盾构开挖影响较小。研究结果对城市轨道交通盾构区间下穿有砟铁路轨道的设计与施工具有重要意义，为类似工程提供借鉴。

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Based on construction of a certain section which under Guangshen Railway in Shenzhen rail transit line 10， it is researched which include track deformation and control technology under the influence of shield tunnel through three-dimensional numerical simulation model. The results show that： multiple track beam rail girder reduced the trend of harmful deformation through reinforce track stiffness; surface settlement is the main displacement caused by shield tunnel excavation; the deformation of the track caused by the excavation of the two-line shield is W shape; the settlement which on the top of the tunnel is largest; when the shield tunnel underpass the railway ，the track deformation is controlled by the difference of track vertical settlement; the result is important to the design and construction of the shield tunnel which underpass the rail track， and can be taken for example on similar project.

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