劉建友， 趙振華， 韓 琳， 劉春曉

(1. 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司， 北京 100055； 2. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八0一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊， 山東 濟南 250014)

0 引言

伴隨著國家高速鐵路大規(guī)模建設(shè)，我國已逐漸形成了四通八達的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)。高速鐵路帶來交通便利的同時，也給鐵路兩側(cè)人員的互聯(lián)互通帶來阻隔，后期的公路、鐵路等通道的建設(shè)如何穿越既有的高速鐵路線是今后必將碰到的技術(shù)難題。由于高速鐵路的特殊性，原鐵道部[2012]23號文件明確規(guī)定，新建公路和鐵路與已建或在建高速鐵路交叉跨越時，應(yīng)優(yōu)先選擇公路或鐵路下穿高速鐵路方案。路基是高速鐵路在平原地區(qū)的主要結(jié)構(gòu)形式之一，就全國而言，路基約占高速鐵路線路總長度的25.8%，因此，今后出現(xiàn)下穿高速鐵路路基的工程將比較多見。由于高速鐵路列車運行速度快，對軌道變形控制的要求高，而下穿工程施工必將擾動高速鐵路的路基土層，引起土層應(yīng)力調(diào)整和變形，威脅高速鐵路的運營安全；因此，沉降控制是各種通道下穿高速鐵路線時需解決的首要問題。

目前還沒有一種科學(xué)合理的方法來制定隧道下穿高速鐵路路基的沉降控制標準，國內(nèi)多個下穿工程采用的控制標準均由專家經(jīng)驗確定，并且有越來越嚴格的趨勢，有的下穿工程甚至提出了零沉降的控制要求。嚴格的控制標準有利于保障高速鐵路列車的運營安全，但同時也大幅增加了下穿工程的建設(shè)成本。

國內(nèi)外學(xué)者對盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路開展了大量的研究工作。蔡向輝[1]、蔡小培等[2]采用數(shù)值模擬試驗揭示了盾構(gòu)開挖過程中既有高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律。許有俊等[3]、柴雨芳[4]分析了路基橫向沉降槽的形態(tài)，得到了隧道下穿路基的沉降規(guī)律。呂培林等[5]、鄒浩等[6]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了軟土地區(qū)隧道下穿引起的路基變形規(guī)律，得到工后沉降在總沉降中所占比例相當大，且后期變形時間較長。劉莎莎[7]、魏婷[8]研究了下穿工程對路基穩(wěn)定性和鐵路安全性的影響。程雄志[9]、何衛(wèi)[10]研究了各種路基加固技術(shù)對變形的影響規(guī)律。張鵬[11]假設(shè)沉降槽為圓曲線并建立了簡化模型，提出了相應(yīng)的路基沉降控制標準。目前，現(xiàn)有變形控制標準大都是根據(jù)經(jīng)驗法或者類比法確定，缺乏理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐[12-13]。

本文通過調(diào)查下穿點軌道扣件的類型及其最大可調(diào)整量、當前已用調(diào)整量和當前平順度等數(shù)據(jù)，提出軌道最大可允許變形的計算方法，并根據(jù)下穿點周邊環(huán)境及列車實際運行速度來確定軌道的變形控制標準，再根據(jù)軌道和路基沉降槽的曲線特征，最終確定高速鐵路路基的沉降控制標準。

1 軌道的變形控制標準

在下穿高速鐵路路基工程中，變形的傳遞過程為：下穿通道開挖—圍巖松弛—地層變形—路基變形—軌道變形。

根據(jù)下穿工程變形傳遞規(guī)律，軌道的變形是變形傳遞的最后階段，制定軌道的變形控制標準是制定路基、橋梁、圍巖等其他對象變形控制標準的基礎(chǔ)。

軌道的變形控制標準

(1)

式中：s標為軌道的變形控制標準，一般為10 m弦長的變形值；smax為軌道的最大可允許變形；γ為安全系數(shù)。

安全系數(shù)γ取決于下穿點列車的實際運行速度、下穿點周邊環(huán)境等因素，一般可取1.0～2.0，如表1所示。列車的運行速度越快，對軌道平順性的要求越高，因此，列車運行速度是決定變形控制標準的關(guān)鍵指標之一。下穿點周邊的環(huán)境條件包括人口密度、建筑物密度及重要性等，這些因素將決定一旦發(fā)生事故后的影響范圍及嚴重程度。

表1 安全系數(shù)γ取值建議

軌道的最大可允許變形

smax=s1+s2-s3-s4-s5。

(2)

式中：s1為軌道扣件的最大可調(diào)整量；s2為軌道平順性的控制要求；s3為軌道扣件目前已用調(diào)整量；s4為軌道當前的平順度；s5為軌道預(yù)留變形量，預(yù)留給之后其他工程、工后沉降、降水施工等。

應(yīng)調(diào)查下穿點今后是否還有其他工程在此鄰近施工，合理設(shè)置軌道預(yù)留變形量。

1.1 軌道扣件的最大可調(diào)整量

軌道扣件的最大可調(diào)整量由扣件類型決定。有砟軌道扣件類型主要有彈條Ⅳ型、彈條Ⅴ型和FC型，無砟軌道扣件類型主要有WJ-7型、WJ-8型、W300-1型、SFC型和SKL12型，根據(jù)對各扣件生產(chǎn)廠商的調(diào)研，各類扣件的可調(diào)整量如表2所示。

表2 高速鐵路軌道扣件的可調(diào)整量

1.2 軌道平順性的控制要求

軌道平順性的控制要求由《高速鐵路無砟/有砟軌道線路維修規(guī)則》確定。鐵路線路維修分為綜合維修、經(jīng)常保養(yǎng)和臨時補修。1)綜合維修是按周期有計劃地對線路進行綜合性修理。通過綜合維修，改善軌道彈性，調(diào)整軌道幾何尺寸，整修和更換設(shè)備零部件，以恢復(fù)線路完好的技術(shù)狀態(tài)。2)經(jīng)常保養(yǎng)是根據(jù)線路變化情況，在全年度和線路全長范圍內(nèi)，進行有計劃有重點的養(yǎng)護，以保持線路質(zhì)量經(jīng)常處于均衡狀態(tài)。3)臨時補修主要是及時整修超過臨時補修容許誤差限度的軌道幾何尺寸及其他不良處所，以保證行車平穩(wěn)和安全。下穿高速鐵路工程可按照臨時補修的容許誤差限度設(shè)置軌道平順性的控制要求，即時速200～250 km線路，高低容許偏差管理值不超過8 mm，如表3所示；時速250(不含)～350 km線路，高低容許偏差管理值不超過7 mm，如表4所示。

表3時速200～250km線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

Table 3 Allowable deviation management value for static geometric dimension of line track at speed of 200～250 km/h

項目軌距/mm水平/mm高低/mm軌向(直線)/mm扭曲/(mm/3 m)軌距變化率作業(yè)驗收+1/-122221/1 500經(jīng)常保養(yǎng)+4/-255441/1 000臨時補修+6/-48876限速(160 km/h)+8/-6101198

注： 1) 高低和軌向偏差為10 m及以下弦長測量的最大矢度值。2) 扭曲偏差不含曲線超高順坡造成的扭曲量。下同。

表4時速250(不含)～350km線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

Table 4 Allowable deviation management value for static geometric dimension of line track at speed of 250～350 km/h

項目軌距/mm水平/mm高低/mm軌向(直線)/mm扭曲/(mm/3 m)軌距變化率作業(yè)驗收+1/-122221/1 500經(jīng)常保養(yǎng)+4/-244431/1 000臨時補修+5/-36755限速(200 km/h)+6/-47866

2 路基的變形控制標準

路基的變形控制標準根據(jù)軌道的變形控制標準確定。根據(jù)變形的傳遞規(guī)律，如圖1所示，隧道引起的沉降變形從圍巖、路基傳遞至軌道的過程中，變形逐漸減小，即軌道的變形s軌道小于或等于路基的變形S路基，其最大值不超過路基的變形，即

S路基≥s軌道。

(3)

為偏于安全，不考慮軌道板自身的承載力，則路基的變形控制標準可按軌道的變形控制標準制定，即

(4)

下穿高速鐵路工程引起的路基沉降不同于路基的工后沉降。路基的工后沉降多為均勻沉降，而下穿工程引起的路基沉降呈U形漏斗狀，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道施工地面沉降槽

針對盾構(gòu)隧道施工引起的地層變形，Peck[14]通過對大量隧道施工引起的地面沉降實測數(shù)據(jù)進行分析，提出隧道開挖后引起的地面沉降是在不排水條件下發(fā)生的，沉降槽體積應(yīng)該等于地層損失的體積，地面沉降的橫向分布用正態(tài)分布曲線來描述，如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

式(5)—(6)中：S(x)為距隧道中線x處的地面沉降量；Smax為橫向地面最大沉降；x為計算點與隧道中線的距離；i為沉降槽的寬度系數(shù)，即沉降曲線反彎點橫坐標；Vs為盾構(gòu)隧道單位長度的地層損失量，m3/m。

Peck公式有2個參數(shù)Vs和i，這2個參數(shù)確定后橫斷面沉降便可以直接獲取。地層損失Vs通?？杀硎緸椋?/p>

(7)

式中：Vl為地層體積損失率，即單位長度地層損失占單位長度盾構(gòu)體積的百分比；r0為盾構(gòu)外徑，m。

Vl的取值與地質(zhì)條件及施工條件密切相關(guān)，主要依賴于工程經(jīng)驗。

地面沉降槽寬度B≈2.5i，i可由式(8)或查Peck圖表得到。

(8)

式中：φ為隧道周圍地層內(nèi)摩擦角；Z為隧道埋深，即地表到隧道中心的距離。

對于Peck公式，有如下特點：

1)沉降曲線反彎點處的地面沉降量等于隧道中心線上方地面最大沉降的60%，即Peck公式中，將x=i代入得反彎點處的沉降量

(9)

2)地面最大沉降坡度與隧道中心線上方最大地面沉降量Smax成正比，即對Peck公式求導(dǎo)，可得最大曲率半徑點的沉降量

(10)

3)對沉降曲線進行積分，得沉陷斷面面積

(11)

4)根據(jù)Peck公式，可計算得到地面沉降槽中10 m弦長的最大沉降

(12)

5)根據(jù)式(12)可計算得到地面沉降槽最大沉降Smax的控制標準

(13)

3 工程應(yīng)用

以北京地鐵14號線馬家堡東路站—永定門外大街站區(qū)間下穿京津城際鐵路路基為例進行計算。

3.1 軌道變形控制標準計算

京津城際鐵路采用 WJ-8 型扣件系統(tǒng)，高低調(diào)整量為-4～+26 mm，軌距調(diào)整量為-5～+5 mm，則軌道扣件的最大可調(diào)整量s1為26 mm，軌道平順性的控制要求s2根據(jù)《高速鐵路無砟/有砟軌道線路維修規(guī)則》臨時補修高低限制取7 mm，軌道扣件當前已用調(diào)整量s3為10～15 mm，軌道當前的平順度s4為2～3 mm，不考慮今后其他工程再次穿越本路基段，考慮工后沉降2 mm，即s5取2 mm，則軌道的最大可允許變形smax為13 mm。下穿點位于市區(qū)，周邊人口密集，列車實際運行時速為200～300 km，安全系數(shù)γ取1.8，則軌道的控制標準s標約為7.2 mm。

由于軌道扣件的調(diào)整只能在夜間高速鐵路停運的天窗點進行，因此，必須控制軌道每天的沉降量，即軌道的沉降速率。白天高速鐵路運行時不能整理扣件，此時s1=0；計算沉降速率時可不考慮預(yù)留的工后沉降，即s5=0，則最大允許沉降smax=4 mm，安全系數(shù)γ仍取1.8，則單日沉降控制標準為2.2 mm/d。

3.2 路基變形控制標準計算

既有鐵路與新建地鐵的位置關(guān)系如圖3所示。本段地鐵隧道覆土深度約17.6 m，隧道直徑為6 m，隧道中心點埋深20.6 m，區(qū)間盾構(gòu)主要穿越粉質(zhì)黏土及粉土地層，地層主要指標如表5所示。

圖3 既有鐵路與新建地鐵縱斷面位置關(guān)系(單位： m)

Fig. 3 Relationship between existing railway and newly-built metro (unit： m)

表5 土層參數(shù)表

(14)

根據(jù)軌道單日沉降的控制標準為2.2 mm/d，則同理可計算出路基單日沉降的控制標準為2.4 mm/d。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文提出了一種路基沉降控制標準的計算方法，該方法通過調(diào)查下穿點軌道扣件的類型及其最大可調(diào)整量、當前已用調(diào)整量和當前平順度等數(shù)據(jù)，確定了軌道最大可允許變形，并根據(jù)下穿點周邊環(huán)境及列車實際運行速度選取合適的安全系數(shù)，從而確定軌道變形的控制標準，再根據(jù)軌道和路基沉降槽的曲線特征，最終確定高速鐵路路基的沉降變形控制標準。該方法提出的軌道變形控制標準適用于高速鐵路無砟軌道，軌道和路基之間的變形關(guān)系采用了Peck經(jīng)驗公式，因此，路基變形控制標準適用于土質(zhì)地層盾構(gòu)隧道引起的路基變形。

4.2 討論

高速鐵路的地基經(jīng)過加固處理后，會影響路基沉降曲線的分布，因此，需要根據(jù)地基處理情況，對Peck 曲線進行修正或者根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)研究提出一種新的路基沉降分布曲線，再根據(jù)沉降分布曲線，重新修正路基沉降控制標準的計算公式。