陳鼐基

摘 要：地鐵盾構隧道穿越既有鐵路路基工程中會引起路基的沉降，使得軌道結構產生額外的不平順。利用Plaxis三維有限元軟件模擬盾構掘進引起的路基沉降曲線，并進一步分析了在該沉降曲線下鐵路行車安全性及舒適性。結果表明，盾構掘進引起的路基沉降小于6mm，最大高低不平順和水平不平順分別為0.19mm和0.20mm，行車時造成的第一輪對脫軌系數為0.47、第一輪對輪重減載率為0.34，橫向加速度為0.36m/s2，豎向加速度為0.32m/s2，故建議施工期間對鐵路實行限速運營。

關鍵詞：盾構隧道；鐵路路基；行車安全性；行車舒適性

隨著城市化進程不斷深入、交通設施不斷完善，地鐵隧道穿越既有鐵路線路的工程不斷涌現。地鐵隧道多以盾構法施工，而盾構機在開挖土體時會破壞原有的土體結構、造成地層損失，進而引起地表沉降。而當盾構隧道需穿越既有鐵路線路時，路基表層的沉降會造成上部軌道結構的額外不平順，對鐵路的行車安全造成影響。

結合南京寧和城際下穿寧蕪鐵路工程為背景，利用三維有限元分析軟件模擬了下穿工程造成的路基表面沉降，并在此基礎上進一步分析了該沉降曲線對鐵路行車安全及舒適性的影響。

1 工程概況

南京都市圈城際軌道S3線，即寧和城際（南京南站至橋林段），線路全長37.745km，其中高架線23.245km，地下線14.40km，敞開段0.10km。共設18座車站。線路最大站間距12288m，為生態(tài)科技園站～濱江村站過江車站；最小站間距792m，為黃河路站～淮河路站車站。下穿寧蕪鐵路為華新路站～油坊橋站區(qū)間。

下穿節(jié)點處寧和城際為盾構隧道，處于曲線段，曲線半徑為650m，與寧蕪鐵路的交角約為74°；距離左線盾構隧道7.6m以及右線盾構隧道13.9m各有一處道岔；距離寧蕪鐵路南側約30m處設有一處聯絡通道。隧道頂部埋深約16.4m，所處土層為K2p-2強風化泥質砂巖、砂巖。隧道管片外徑為6.2m，內徑為5.5m，管片厚度為0.35m。

2 列車荷載布置形式

寧蕪鐵路為客貨混運，計算列車荷載時，采用中-活載（2005）圖式中客運線（ZK）和貨運線（ZH）兩個基本圖式作為盾構推進施工過程中的鐵路列車荷載。

客車設計時速為120km/h，貨車為80km/h。計算時考慮動力沖擊的影響，動力沖擊系數為，為列車運行速度。將軌枕所受2個輪子的集中力等效為沿軌枕分布的均布荷載，軌枕考慮為全支承形式，接觸應力沿軌枕均勻分布。

根據以上方法，考慮動力沖擊系數的影響，計算出數值模擬中鐵路上的列車荷載如圖1所示。

由圖1可知，客車、貨車荷載軸距相同，而貨車荷載圖式中集中荷載和均布荷載都比客車荷載大，因此在計算盾構施工對寧蕪鐵路的影響時上方鐵路荷載選用貨車荷載進行分析。

此外，圖1顯示列車荷載形式包含集中荷載和均布荷載兩類，且集中荷載量值較大。建立模型時，當集中荷載施加于盾構上方，由于隧道左線較右線先開挖，需分別計算荷載作用于左線盾構上方及右線盾構上方的情況；當集中荷載作用于城際線路中心線上方，由于計算模型左右對稱（見下文），故僅計算隧道左線先開挖的情況。

3 有限元計算

3.1 有限元模型建立

根據下穿節(jié)點處的幾何位置關系，建立三維有限元模型，采用數值模擬方法，研究列車荷載在地面上通過的受力情況。

模型總寬度為120m，縱向延伸100m，高度為40m，隧道頂部埋深16.38m，鐵路線路與盾構隧道近似認為是正交。土體采用理想彈塑性模型、摩爾-庫倫屈服準則，在幾何模型底部施加完全固定約束，在四周施加水平約束，模型表面為自由邊界。在計算最不利荷載時，應力釋放系數取0.6（理由見3.3節(jié)）。

當荷載作用于盾構右線上方時，計算得到各工況鐵路沉降曲線如圖5所示。

將三種不同荷載布置形式下鐵路中心最大沉降列于表1，由表中數據可知三種形式差別較小，當集中荷載施加于左線盾構上方時引起的鐵路沉降量略大，最大值為5.40mm，故采用該種加載方式為最不利情況，本節(jié)余下的計算結果都是基于這一加載方式下得到的。

3.3 隧道開挖對線路變形的影響

按照荷載最不利布置方式施加荷載，根據隧道所穿越土層工程性質可知，盾構隧道全斷面穿越K2p-2強風化泥質砂巖，壓縮模量為35MPa，工程性質較好，故采用應力釋放的方法模擬計算盾構下穿鐵路造成的影響。

根據相關文獻資料，隧道開挖周邊的應力釋放系數可按下式計算：

本隧道中心平均埋深16.38m，計算得β=0.41。考慮到安全預留，本報告分別計算了β=0.4、0.5、0.6的情況下隧道開挖對鐵路的影響。

根據上節(jié)的計算發(fā)現，盾構施工過程中，在雙線貫通后引起的沉降量最大，故在只列出雙線貫通后的計算的結果，如圖6所示，結果見表2。

根據表2中的結果，盾構隧道下穿寧蕪鐵路，在40%的應力釋放率（應力釋放系數為0.4）情況下寧蕪鐵路發(fā)生的最大沉降為2.79mm，最大高低不平順為0.06mm，最大水平不平順為0.12mm，滿足《鐵路線路維修規(guī)則》中對鐵路不平順的要求。即使是在60%應力釋放率（應力釋放系數為0.6）的情況下，高低偏差依然遠小于規(guī)范中的6mm限值。

4 行車安全性及舒適性分析

4.1 模型建立

通過simpack建立車輛-軌道耦合動力模型，分析行車的安全性和舒適性。國內的理論和實踐均表明，貨物列車、尤其是空載貨車較易脫軌。由于本工點為客貨混運線路，因此對本工點處的列車運行安全性和舒適性分析時，分別選取時速120km/h的客運列車和時速80km/h的空載貨車車輛進行。

4.2 計算結果分析

由盾構掘進引起的軌面變形采用4.3節(jié)計算結果，兩者疊加之后得到軌面不平順。

表3為計算得到結果，分析以上數據可以發(fā)現，脫軌系數及輪重減載率的最大值均出現在線路變形范圍之內，盾構隧道施工對列車運行安全性有一定影響。空載貨車在時速80km/h時，第一輪對脫軌系數為0.47、第一輪對輪重減載率為0.34，客車的脫軌系數則更小，即使在運行速度120km/h的情況下，客車的脫軌系數和輪重減載率也遠小于規(guī)定限值。另外，三種速度下的客車最大加速度為0.36m/s2，其結果滿足鐵路規(guī)范中對客車車體平穩(wěn)性的要求。

綜上所述，盾構隧道施工引起的線路變形對列車運行的安全性和舒適性影響很小，不需要采取主動加固措施，但為了進一步提高列車運行的安全性及舒適性，可在盾構隧道施工期間適當地限制列車運行的速度。

5 結論

根據有限元計算結果，寧和城際盾構隧道下穿施工對寧蕪鐵路的影響如下：（1）采用最不利荷載布置方式，當應力釋放率在40%時，盾構隧道和聯絡通道的開挖使得寧蕪鐵路發(fā)生的最大沉降為2.80mm，線路最大高低不平順為0.07mm，最大水平不平順為0.12mm，最大高低不平順為0.03，最大水平不平順為0.04，滿足規(guī)范要求，即使應力釋放率達到了60%，線路沉降變形和道岔區(qū)變形也同樣滿足要求，且有一定富余。（2）空載貨車和客車在時速80km/h或120km/h時，第一輪對脫軌系數、輪重減載率均小于限值，客車車體的橫向加速和豎向加速度也同樣滿足要求，盾構隧道開挖對寧蕪鐵路行車安全性和舒適性造成的影響較小。（3）結合對線路沉降和行車安全性、舒適性的影響，盾構隧道對寧蕪鐵路的影響較小，鐵路下方無需加固處理，盾構施工時可對寧蕪鐵路進行限速，從而進一步保證其運行的安全。

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