地铁隧道近距离下穿铁路路基安全评估

石鹏飞

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

新建地铁隧道下穿既有铁路时，既要保证隧道的施工安全，又要保证既有铁路的运营安全。大量的地铁隧道工程实践表明，城市隧道施工势必会引起地层沉降和变形[1-3]。这种施工变形可在较短时间、地表一定范围内形成不均匀的沉降凹槽，而沉降槽对铁路功能及运营安全将产生较大影响[4]。通过三维数值模拟，分析下方地铁区间隧道施工对铁路路基的影响，根据分析结果进行安全性评价，提出规避风险的建议。

1 工程概况

乌鲁木齐地铁2号线乌鲁木齐站站-华山街站区间隧道从既有兰新线、在建兰新二线铁路路基下穿过，平面交角45°，埋深36.7～39.5m。既有兰新线设计速度120km/h，是新疆通往内地的唯一铁路运输干线。在建兰新二线设计速度200km/h，下穿区段位于半径R=800m的左偏曲线上，限速120km/h。采用60kg/m钢轨，碎石道床。

新建地铁区间隧道为双洞单线，采用矿山法施工，隧道断面为马蹄形，尺寸为7.28m(宽)×7.7m(高)，左右线间距13m。左右洞之间设置横通道作为施工通道，城门洞形断面，尺寸为6m(宽)×8.98m(高)。隧道及横通道穿越的地层主要为第四系中更新统冲洪积圆砾层及侏罗系强风化、中风化泥岩层。地下水为松散层孔隙潜水，主要埋藏于第四系中更新统圆砾土中，含水层厚度3～17m。水位埋深12.3～26.2m，地下水主要接受大气降水和绿化灌溉的补给。隧道设计支护参数见表1。

表1 隧道支护参数表

2 隧道开挖对铁路路基的影响

(1)铁路股道整体沉降

隧道施工会导致地层移动，从而在地表引起沉降。对于既有铁路来说，当土体发生沉降时，轨枕的支撑面会随之下沉，轨道的多支座超静定系统也遭到破坏。在列车的动荷载作用下，这些支撑面下沉的轨枕带着轨道产生较大的变形量，导致轨道中的应力大大升高。土体沉降过大时可使轨道断裂，甚至会造成出轨事故[5]。铁路正常运营要求地面沉降或隆起不超过10mm，否则可能带来较大风险[6]。

(2)铁轨间差异沉降

隧道施工不但会造成整体沉降，在向前施工过程中，可能在隧道纵向产生不均匀的变形。这种变形对于火车股道的影响是可能导致两股钢轨之间的差异沉降，轻微的可引起车辆摇晃和两股钢轨的受力不均，导致钢轨的不均匀磨损；严重的可导致车轮减载或悬空，甚至发生脱轨事故。

(3)轨道纵向的不均匀沉降

由于隧道施工影响地层的应力和变形，必将导致地表发生沉降。地表变形在三维上表现为一个凹槽，而在隧道横截面上，稳定后的沉降曲线为一个类似于正态分布的Ganss曲线。这种横向变形将会导致股道的纵向产生不均匀沉降，列车通过这些地方时，冲击动力可能成倍增加，加速道床变形，从而更进一步扩大轨道的不平顺，加剧机车车辆对轨道的破坏，形成恶性循环。

(4)控制标准

根据铁路的运营速度，结合规范及地铁施工经验，采用如下沉降控制标准：铁路路基、地面最大沉降值不超过10mm；两股轨道之间最大差异沉降不超过4mm；单轨10m差异沉降值不超过4mm。

3 数值模型

(1)计算范围

利用MIDAS-GTS软件建立三维有限元模型，计算区域根据隧道和铁路平立面相对位置关系确定，沿隧道纵向取46m，隧道横断面方向取70m，土体深度65m，能够满足边界效应的要求。网格划分采用四节点四面体单元，整个模型共有单元77351个，节点12827个，其中隧道单元13507个，节点2746个，横通道单元16232个，节点3057个，整个计算模型见图1。

(2)岩土材料物理力学参数

根据地质勘察资料及有关规范，确定在有限元模型中采用的岩土材料物理力学参数如表2所示。铁路路基表面荷载采用25kN/m的均布荷载施加在铁路路基上。

(3)支护结构模拟

支护采用初衬喷混支护，在隧道实体上析取单元生成，共生成2880个单元，1512个节点。隧道衬砌结构采用板单元模拟，初期支护和二次衬砌总厚度为650mm。

表2 岩土材料物理力学参数

横通道采用模筑混凝土与喷射混凝土支护，在横通道实体上析取单元生成，共生成2828个单元，1440个节点。横通道支护结构采用板单元模拟，模筑混凝土与喷射混凝土总厚度为750mm。

(4)边界条件

计算土体的底面约束竖直方向z的自由度；计算土体的侧面约束侧向x、y方向的自由度；地表为自由面。

(5)施工步骤

隧道及横通道采用台阶法开挖，采用以下步骤仿真模拟施工过程：开挖横通道→开挖左线隧道→待应力稍微释放后施加左线隧道衬砌结构→开挖右线隧道→待应力稍微释放后施加右线隧道衬砌结构。

4 数值分析

4.1 横通道开挖对上部铁路的影响

对横通道开挖过程中的围岩及结构的力学行为特征进行重点研究，获取了最终状态下隧道中部的围岩位移及应力云图(见图2、图3)。通过计算得出:横通道开挖完成后，铁路路基表面的地表最大沉降为4.98mm，横通道周边最大沉降值为21.8mm，最大隆起值为2.35mm。

4.2 隧道开挖对上部铁路的影响

对隧道开挖过程中的围岩及结构的力学行为特征进行重点研究，获取了最终状态下Y=23m处的围岩位移及应力云图(见图4、图5)。

由以上计算结果可知，隧道施工完成之后，铁路路基表面地表最大沉降9.01mm，水平位移1.94mm，不超过10mm的控制标准；铁路两轨道之间的差异沉降为3.14mm，不超过4mm的控制标准。

隧道开挖所导致的L=10m内的最大竖向沉降不超过4mm，满足铁路控制标准，沿着铁路纵向的竖向位移曲线如图6所示。

5 结论及建议

(1)根据数值分析的结果能够得出：地铁隧道施工完成后，铁路路基地表最大沉降为9.01mm，铁路两轨道间的差异沉降为3.14mm，隧道开挖所导致的L=10m内的最大竖向沉降不超过4mm，均满足铁路控制标准。

(2)隧道第一主应力最大值是0.068MPa，第三主应力最大值是0.133MPa，均小于素混凝土C45的轴心抗拉强度设计值1.8MPa和抗压强度设计值21.1MPa。

(3)为减小地铁隧道施工导致围岩变形和地层损失给铁路带来不利影响，建议初期支护钢架间距由0.75m调整为0.5m，采用CD法开挖，循环进尺按1榀钢架间距控制。