双线隧道下穿施工对铁路路基沉降影响数值分析

刘远明,费富华,陈会宇,范育辉,李应肖

(1.贵州大学 土木工程学院, 贵州 贵阳 550025;2.中铁开发投资集团有限公司,云南 昆明 650500;3.中铁隧道局集团建设有限公司,广西 南宁 530006)

随着我国经济水平提高,山区城市轨道交通快速发展,轨道交通区间隧道下穿运营铁路工程也越来越多。区间隧道下穿施工对地层产生扰动,从而引起既有铁路路基的沉降变形,严重时可能危及既有线路的安全运营[1-4]。保证区间隧道下穿工程中既有线路的安全运营及隧道的安全顺利施工是一个关键问题[5]。

山区城市轨道交通区间隧道多采用双线形式,先行隧道和后行隧道施工之间,不可避免会对地层产生相互扰动[6-9]。随着双线隧道水平间距的增加,地表沉降不再符合正态分布规律,地表沉降曲线呈现多种型态[10-13]。

近年来,山区城市贵阳轨道交通建设发展较快,2017年,开通运营第一条线路,至今总计开通运营线路2条,总里程74.7 km[14-15]。目前,贵阳轨道交通1号线、2号线已经建成运营,3号线、S1、S2号线正在建设中。

贵阳轨道交通区间隧道多次下穿既有铁路。由于山区城市特殊的地质条件和周边复杂环境,轨道交通建设存在一定的困难,特别是区间隧道线路布置受到限制较多,左右线隧道的水平距离较近。左右线隧道的水平距离对下穿既有铁路引起铁路路基沉降影响规律尚不清楚,还需进一步研究。

本文采用有限元软件建立三维数值模型,分析贵阳轨道交通3号线某区间隧道下穿施工对既有铁路路基沉降变形的影响,探讨双线隧道下穿施工引起既有铁路路基的沉降变形规律,可为类似下穿既有铁路工程采取沉降控制措施提供依据。

1 工程概况

贵阳轨道交通3号线某区间隧道下穿运营的川黔铁路。该段铁路为普速铁路,时速75 km/h,碎石道床,线间距约为5 m,钢筋混凝土轨枕,60 kg/m钢轨,供电模式为接触网供电,穿越点位为双线2股道,平行布置,无道岔。

如图1,隧道下穿既有铁路,铁路里程为K422+050—K422+070,轨面高程为1 092.5 m;左线隧道里程ZDK29+325—ZDK29+335、右线隧道里程YDK29+325—YDK29+335,轨面高程为1 073.5～1 073.6 m。区间隧道与铁路交叉角度为69°。铁路路基底距离区间隧道竖向最小净距约10.3 m。

图1 位置关系图Fig.1 Location relationship diagram

地层地质特征和工程性质分述如下:

<1-2>杂填土,杂色,广泛分布于场地表层范围内,稍湿,主要由碎石、黏性土组成,分布无规律性,呈松散状态,层厚一般2.0～27.5 m,层底标高为 1 185.68～1 079.80 m。

<4-1-3>红黏土,褐黄色、褐红色等,可塑状,局部夹硬塑状透镜层,局部夹少量植物根系。层厚 1.6～10.8 m,层底标高为1 085.24～1 078.20 m,具有遇水软化、失水强烈收缩、易剥落的工程性质,局部具弱膨胀性。

<20—2—3>中风化石灰岩,青灰色,灰黑色,中层状构造,隐晶质结构,节理裂隙较发育,岩石较完整,岩芯呈柱状、短柱状,少许饼状,节长5～35 cm,局部溶蚀严重区域,岩石多呈碎块状。岩体较破碎,岩石基本质量等级为 IV 级。岩芯采取率约80%,RQD值约38%。

拟建场地地下水主要为潜水,即第四系松散岩类孔隙水和岩溶水。第四系松散岩类孔隙水主要赋存于第四系松散覆盖层中,水量总体较小,富水等级弱。

2 隧道施工引起地表沉降

PECK[16]认为在不排水的情况下,隧道开挖引起的地表沉降槽体积,与地层损失的体积相同,地表沉降槽沿垂直隧道轴向的横向分布近似为一条正态分布曲线,并提出了PECK经验公式来预测隧道施工引起地表沉降。

(1)

(2)

当双线隧道距离较近时,地表沉降曲线仍符合正态分布规律;当双线隧道距离较远时,地表沉降曲线呈现不同的形态,PECK公式不再适用。

双线隧道水平间距不同,地表沉降曲线的形态也有所差异。当双线隧道距离较近时,地表沉降曲线呈单峰的形式;当双线隧道距离较远时,地表沉降曲线呈双峰的形式,如图2和图3所示。

图2 双线隧道距离较近时地表沉降槽Fig.2 Surface settlement trough when double track tunnel is near

图3 双线隧道距离较远时地表沉降槽Fig.3 Surface settlement trough when double track tunnel is far away

3 数值模型

3.1 模型建立

采用ABAQUS三维有限元软件建立三维数值模型,如图4所示。

图4 三维数值模型Fig.4 Three-dimensional numerical model

双线隧道模型尺寸为80 m×50 m×40 m,即与隧道垂直方向为80 m,模型高度为50 m,沿隧道轴线方向为40 m。区间隧道埋深为10.3 m,单线隧道为跨度6.52 m的马蹄形隧道断面。有砟轨道铁路路基道床面宽3.4 m,道床厚0.3 m,路基面宽7.7 m,基床表层0.6 m,基床底层1.9 m。

模型前后左右施加水平约束,模型底部施加水平和竖向约束,模型顶面和路基面为自由面。围岩材料采用Mohr-Coulomb屈服准则,初期支护采用弹性模型。双线隧道下穿既有铁路隧道工程,水平间距是影响既有铁路路基沉降变形的重要因素之一。水平间距L分别取10、15、20、25、30 m 5种不同工况。

区间隧道采用上下台阶法开挖,左线隧道先行开挖,每循环开挖进尺为2 m,开挖过程共分80个开挖步完成。

3.2 计算参数

根据地质勘查报告和设计资料,地层和初期支护力学参数如表1所示。铁路路基力学参数性质如表2所示。

表1 地层和初期支护力学参数Tab.1 Calculation parameters of stratum and initial support

表2 铁路路基力学参数Tab.2 Calculation parameters of railway subgrade

4 路基沉降分析

4.1 路基沉降与施工开挖关系分析

为研究不同水平间距的双线隧道下穿施工工况下铁路路基测点沉降值随开挖步变化的时空分布规律,分别对左线隧道中线对应路基测点A、双线隧道中心线对应路基测点B、右线隧道中线对应路基测点C三个监测点进行分析。路基沉降监测点如图5所示。

图5 沉降测点示意图Fig.5 Schematic diagram of settlement measuring points

双线隧道开挖共分80个开挖步进行。左线隧道先行开挖,第40开挖步左线隧道贯通;然后进行右线隧道开挖,第80开挖步双线贯通。整理路基沉降测点沉降曲线如图6、图7所示。由图6、图7可知:

图6 B测点沉降曲线Fig.6 Settlement curve of measuring point B

图7 A和C测点沉降曲线Fig.7 Settlement curve of measuring points A and C

1)当双线隧道水平间距较小时(L=10 m、15 m),左右线隧道开挖对地层的扰动影响区重叠,使得路基最大沉降值出现在双线隧道中心线对应铁路路基测点B位置。

2)随着双线隧道水平间距的增加(L=20 m),双线隧道中心线测点B的沉降值逐渐减小,路基最大沉降值逐渐由测点B向测点A、测点C转移。

3)随着双线隧道水平间距进一步增加(L=25 m、30 m),左右线隧道开挖对地层的扰动影响区逐渐分离,最大沉降值出现在左右线隧道中线上的路基测点位置。

4.2 铁路路基横向沉降曲线分析

不同工况下穿施工既有铁路引起铁路路基中线的位移云图如图8所示。

图8 路基横向沉降云图Fig.8 Cloud chart of lateral subgrade settlement

由图8可知,随着双线隧道水平间距增加,路基最大沉降值逐渐减小,沉降槽范围逐渐增大。

路基横向沉降曲线如图9所示。由图9可知:

图9 横向沉降曲线Fig.8 Transverse settlement curve

1)随着双线隧道水平间距的增加,路基横向沉降曲线也呈现出不同的形式。双线隧道水平间距对既有铁路路基最大沉降值、沉降影响范围均有影响。

2)当隧道水平间距较小时(L=10 m),路基横向沉降曲线为单峰形式,即V型。双线贯通后路基沉降值最大值出现在双线隧道中心线对应铁路路基位置A。

3)当隧道水平间距增大时(L=15 m),路基横向沉降曲线为U型。双线隧道中心线、左线隧道中心线、右线隧道中心线各自对应位置A、B、C点路基位置沉降基本相同。

4)随着双线隧道水平间距增加(L≥20 m),路基横向沉降曲线逐渐呈双峰形式,最大沉降值逐渐减小,峰值点逐渐向左线隧道中心线对应铁路路基位置B、右线隧道中心线对应铁路路基位置C移动,对路基的沉降影响范围也逐渐变大。

5)随着双线隧道水平间距增加,路基横向沉降曲线形式逐渐呈V型-U型-W型变化。

以上路基变形规律是由于左线、右线隧道开挖相互影响产生的。分析原因如下:

1)当双线隧道水平间距较小时,先行隧道开挖已经对隧道围岩产生了扰动,后行隧道开挖继续对那一部分围岩产生扰动,使得围岩产生较大变形,进而传递给既有铁路路基。

2)当双线隧道水平间距较大时,先行隧道和后行隧道开挖对围岩的扰动区域已经分离开来,相当于两条独立的单线隧道开挖对既有铁路路基产生影响。

4.3 左右线隧道先后下穿引起路基最大沉降比较

双线隧道下穿施工既有铁路,不同水平间距工况左线、右线隧道先后下穿既有铁路引起的铁路路基最大沉降值如图10所示。由图10可知:

图10 路基沉降值比较Fig.10 Comparison of subgrade settlement values

1)双线隧道水平间距L=10 m时,双线下穿铁路引起的铁路路基最大沉降值1.53 mm比左线下穿引起的沉降值0.5 mm增加了177%;当L=15 m时,双线下穿铁路引起的路基最大沉降值0.86 mm比左线下穿引起的最大沉降值0.69 mm增加了25%;当L=20 m时,双线下穿铁路引起的路基最大沉降值0.71 mm比左线下穿引起的最大沉降值0.68 mm增加了4%;当L=25 m时,双线下穿铁路引起的铁路路基最大沉降值0.69 mm比左线下穿铁路引起的最大沉降值0.67 mm增加了3%;当L=30 m时,双线下穿铁路引起的路基最大沉降值与左线下穿铁路引起的路基最大沉降值相同,都为0.69 mm。

2)双线贯通时,后行右线隧道开挖对既有铁路沉降值的影响存在叠加效应,影响程度随左右线隧道的水平间距增加而逐渐减小。

3)左右线隧道水平间距L大于20 m,左线、右线隧道先后下穿既有铁路引起的铁路路基基本相同。

从数值模拟结果来看,当隧道水平间距小于15 m时,应加强支护措施,减小后行隧道开挖对既有铁路路基沉降产生叠加效应的影响。

5 结论

通过建立三维数值模拟分析模型,研究了山区城市轨道交通双线区间隧道下穿施工对既有铁路路基变形的影响。主要结论如下:

1)双线隧道水平间距对路基沉降值和沉降范围影响较大。路基最大沉降值随双线隧道水平间距增大而逐渐减小,沉降槽范围随水平间距增大而增大。

2)双线隧道水平间距影响铁路路基沉降最大值的位置。随着双线隧道水平间距的增加,铁路路基沉降最大值位置由双线隧道中心线对应路基向左线隧道、右线隧道中心线向对应的路基位置转移。

3)双线隧道水平间距影响铁路路基沉降曲线形状。随着双线隧道水平间距的增加,路基横向沉降曲线呈V型-U型-W型变化。

4)当隧道水平间距小于15 m时,应加强支护措施,减小后行隧道开挖对既有铁路路基沉降产生叠加效应的影响。