砂质浅埋隧道近距离下穿既有营业线列车时速控制数值模拟分析

张 济

(中铁一局集团有限公司第三工程分公司, 陕西宝鸡 721006)

新建结构邻近既有结构物施工，并对既有结构物的稳定性产生影响的工程成为近接工程[1],伴随着我国经济飞速发展，铁路隧道建设愈发普遍，交通近接工程也随之，其常见类型多为在建隧道与既有营业隧道的交错，隧道下穿既有铁路、公路路基、市政天然气管道、输油管道等情况。

在考虑隧道开挖对临近结构物影响时通常采用两种方法：一种是两阶段法[2-3]，将隧道开挖对临近结构物的影响而产生的地表移动与变形施加到结构物上，分析结构物的内力变化；二是整体法[4-5]，将隧道周围土体、结构物基础以及上部结构作为一个整体，通过接触来考虑它们相互之间的连接问题，多用有限元方法计算。本文采用整体法，将隧道围岩与南疆铁路路轨看作整体，其上运行列车以动荷载的形式作用在模型上[6]，借助有限差分软件FLAC3D计算轨面在列车通行时的高低值。

库尔勒全隧道浅埋单线，最大埋深约22 m，最小埋深约6 m，洞顶覆盖层为砂层。其中DYK1215+019-DYK1215+124段下穿南疆铁路，为减少对既有线的干扰现对边坡加强稳定并利用D便梁形成的简支梁结构支撑既有线钢轨及列车荷载。

1 工程概述

库尔勒隧道DYK1215+019-DYK1215+124段，长度105 m，以暗挖形式下穿南疆铁路既有营业线。为保证该线正常运行，本文根据近年来国内近接工程经验，参考《穿越既有交通基础设施工程技术要求》[5]使用整体法，将线上通行列车等效为动荷载，利用英国铁路技术中心所建议的人工激振力[7-8]施加在模型整体上，利用有限差分软件FLAC 3D得出轨面关键点在列车荷载作用下的高低值，并与《铁路线路修理规则》[9]中轨道几何尺寸容许偏差值对比，最终依据《线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值》给出在此条件下，列车通过速须低于75 km/h。

2 工程概况

库尔勒隧道位于库尔勒火车站东侧库尔勒市开发区境内，起讫里程为DYK1211+700～DYK1216+250，全长4 550 m，全线浅埋单线隧道，其中明挖段2 340 m，暗挖段2 210 m,为Ⅱ级风险隧道。

DYK1215+019-DYK1215+124段下穿南疆铁路，其与南疆铁路线路平面关系见图1，此段暗挖通过，围岩级别V级，洞身该段最小埋深约7 m，最大埋深约9 m,拱部位于粉质粘土、细砂、砂岩互层中，围岩稳定性差洞身为复合式衬砌(初期支护与二次整体模筑衬砌)，弹性支撑块式无砟轨道。

图1 下穿南疆线平面关系

为确保隧道施工安全，对南疆线采用D型便梁加固防护。架空加固纵梁分别采用2根D24型便梁，左线右线加固共计4根，便梁设置方式为乙式，便梁端头置于挖孔桩上(直径125 cm，每侧4根)。隧道拱部180°范围采用双层水平旋喷桩加固地层如图2，为增强旋喷桩刚度内插φ108管棚，旋喷桩长L=30m，环向间距0.4 m，外插角1°，纵向搭接不小于3.5 m。

图2 水平旋转桩加固南疆线横断面(单位：mm)

3 模型建立

3.1 控制标准

根据《铁路线路修理规则》中参照轨道几何尺寸容许偏差值见表1，取作业验收高低偏差为4 mm，纵向距离为10 m。

表1 线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

由人工数定轴数结合规范而确定的荷载可以得出不同速度时，轨面受到的激振力荷载，可在差分软件FLAC 3D中计算得轨面在不同列车时速下的高低偏差值。

3.2 计算模型建立

由库尔勒隧道与南疆铁路的相对位置并考虑水平旋转桩对穿越影响段地层的加固，借助有限差分软件FLAC 3D建立长25 m，宽35 m，高32 m模型，选取C20混凝土模拟铁路道床具体模型参数设置见表2。

表2 计算参数

数值模型建立如图3。

图3 数值计算模型

根据轨面静态几何容许偏差管理值，在线路的纵向长度上每10 m设置一个监测点，模型上轨面监测点位置如图4，从左到右，1～13号监测点间距离为2 m，13～14号监测点间距为1 m。

图4 轨面监测关键点布置

4 计算与分析

通过提取并分析各个监测点不同时刻的位移，可以得到各监测点位移最大值，并且各个位移最大值见表3。

表3 各监测点位移最大值

由线路静态几何尺寸容许偏差管理值，检测线路高低偏差，沿线路纵向上长度取10 m。

在各监测点中选择间距为10 m的监测点，并以表3中位移最大值为基本数据，计算两监测点的位移差值，并将该差值和表1中Vmax≤120km/h正线及到发线作业验收高低偏差值进行对比(表4)。

表4 监测点差值绝对值与规范比较

依据表4中数据，可以得到4号与9号监测点位移差值最大，为2.88 mm，并绘制4号，9号监测点的位移时程图见图5，将该值作为数值计算中线路的高低偏差基准值。

图5 4号、9号监测点位移时程

采用相同的方法，可以得到在不同速度下，监测点间高低偏差值见表5。

表5 不同速度下的线路高低偏差值

按照控制条件高低偏差4 mm,得到图6。

图6 不同列车运行速度下线路高低偏差值

由图6可见，在时速达到40 km/h之前轨面高低偏差值随时速增加不断变大，在40～60 km/h时速区间内高低偏差值随速度增大而略微减当时速超过60 km/h时高低偏差值随时速增大而增大。依据《线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值》，给出在此工况条件下，列车通过时的速度须不大于75 km/h。

5 结束语

由人工数定轴数结合规范而确定的荷载可以得出不同速度时，轨面受到的激振力荷载，最后借助有限差分软件FLAC 3D得出了不同时速条件下列车荷载作用于路面监测点的位移，并参照相关设计规范给出了列车通过时的限制速度为75 km/h以下。

现场实施措施采取将列车通行速度限制为45 km/h以下并对线路轨道几何尺寸进行监测，当列车行近时，对列车提示慢行并测速，由两人进行，在来车方向800 m处发信号,实测得在列车通行速度为45 km/h以下时轨面高低偏差值为3.3 mm，与图6中曲线所得轨面高低偏差值基本一致。