何曉輝

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300123）

0 引言

近年來，隨著我國軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵隧道下穿國鐵線路施工的案例也隨之增多，隧道施工難免會對國鐵線路產(chǎn)生影響。下穿鐵路施工期間，如何保證國鐵線路安全運行是必須解決的難題。以長春市地鐵2 號線某區(qū)間礦山法隧道下穿京哈鐵路為工程背景，通過收集、整理和分析地質(zhì)、設(shè)計和現(xiàn)狀調(diào)查方面的各種資料，采用數(shù)值模擬手段，模擬計算區(qū)間隧道施工引起的京哈鐵路路基的變形和受力問題，對比鐵路路基、軌道及接觸網(wǎng)桿的變形程度得出變形規(guī)律，分析地鐵礦山法區(qū)間隧道下穿國鐵地面線采用的設(shè)計參數(shù)的合理性及保護措施的效果，對今后類似的工程具有很好的借鑒及參考意義。

1 工程概況

1.1 區(qū)間隧道概況

長春市地鐵2 號線一期工程解放橋站～建設(shè)街站區(qū)間暗挖段西起解放橋站，沿解放大路東至區(qū)間豎井，隧道施工依次下穿西解放立交橋、輕軌3 號線、國鐵京哈線等重要風(fēng)險地帶。下穿京哈線段隧道長度33.3m，隧道頂與國鐵道床頂面的高差為15.5 ～16.5m，線間距為16.5m，施工影響范圍內(nèi)有4 個接觸網(wǎng)桿，如圖1 所示。

1.2 京哈鐵路概況

京哈鐵路始建于1898 年，2001 年8 月完成電氣化改造并投入運營。下穿段的鐵路路基形式為路塹，碎石道床共有上、下行兩股股道，日客貨運輸量達260 余次，列車運行時速140 ～160km。

1.3 環(huán)境氣候條件

場地位于長春市區(qū)解放橋附近，該區(qū)域?qū)儆跍貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫5.7℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫-36.5℃。平均風(fēng)速3.9m/s（主導(dǎo)風(fēng)向SW），年平均相對濕度84%，平均年降水量570.4mm，年最大積雪深度30cm，最大凍結(jié)深度169cm。

1.4 工程地質(zhì)水文條件

本場地整體地勢東高西低，地面高程240.48 ～244.15m。詳勘揭示地層自上而下為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積黏性土層、白堊紀(jì)泥巖層。場內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的不良地質(zhì)作用及地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

場地內(nèi)及其附近沒有與地下水有直接補排關(guān)系的湖泊、河流等地表水體。地下水埋深一般為2.90 ～4.50m，近5 年最高水位約為地表下1.50m，歷史最高水位約為地表下1.00m。

2 保護措施

國鐵京哈線運輸壓力大、社會關(guān)注度極高，為確保鐵路的安全運行，區(qū)間雙洞下穿京哈雙線鐵路采取了一系列保護措施：（1）全斷面深孔注漿，進行止水加固；（2）三重管旋噴工藝加固；（3）對影響范圍內(nèi)的國鐵線路進行扣軌+D 型梁保護；（4）施工過程中對國鐵進行限速，使得通過時速小于45km/h；（5）對鐵路股道、路基、接觸網(wǎng)桿等結(jié)構(gòu)進行自動化監(jiān)測。

3 有限元模型分析

3.1 計算軟件簡介

本工程采用FLAC 軟件進行有限元分析，F(xiàn)LAC 是一款基于連續(xù)介質(zhì)理論和顯式有限差分方法，廣泛用于巖土、采礦工程分析和設(shè)計的三維高端數(shù)值分析程序，特別適合處理有限元方法（FEM）難以解決的復(fù)雜巖土體課題。

3.2 有限元模型建立

模型以區(qū)間隧道軸線方向為y軸，垂直于隧道軸線的方向為x軸，豎直方向為z軸，模型在y軸方向上長102m，在x軸方向上長80m，z軸方向上長50m，車站和鐵路路基水平距離大約為17m，區(qū)間隧道和路基底面的垂直距離大約為13m，區(qū)間隧道中心間距約為16.5m。根據(jù)京哈鐵路和解放橋站及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系，建立三維計算模型，計算模型網(wǎng)格劃分效果如圖2、圖3 所示，模型共劃分為221513 個單元、38648 個節(jié)點。

圖2 模型示意圖

圖3 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)-京哈鐵路路基結(jié)構(gòu)圖

本項目計算基于施工處于良好的控制條件下，不考慮施工過程與地震工況的組合影響；區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、京哈鐵路路基結(jié)構(gòu)為線彈性材料，土層為彈塑性材料；區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、京哈鐵路路基結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則[1]。

3.3 計算參數(shù)、荷載及本構(gòu)模型

根據(jù)現(xiàn)場勘察成果資料，輸入模型地層材料計算參數(shù)。根據(jù)設(shè)計說明文件可以看出，模型計算荷載主要包括自重，按照粉質(zhì)黏土層的實際斷面尺寸，選擇容重為20kN/m3。模型的單元類型采用實體單元模擬；邊界條件為模型底部施加豎向位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面；破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。

3.4 模擬工況計算

（1）模擬工況

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，模擬以下4 種區(qū)間隧道施工的工況，各工況的主要荷載及施工階段見表1。

表1 模擬工況

（2）各工況計算結(jié)果

通過對區(qū)間隧道施工過程的數(shù)值模擬，可計算得到各工況下京哈鐵路路基及接觸網(wǎng)桿的變形值，如表2 所示。

表2 各工況鐵路路基和接觸網(wǎng)桿變形值(mm)

工況1：區(qū)間隧道施工前的初始狀態(tài)，京哈鐵路路基的結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，受力和變形滿足規(guī)范要求。

工況2：區(qū)間隧道第一段施工將引起地層及鐵路路基的應(yīng)力調(diào)整，并進一步導(dǎo)致鐵路路基發(fā)生豎直向和水平向的變形。通過數(shù)值模擬可以得到圍巖及鐵路路基的變形狀態(tài)。區(qū)間隧道第一段施工完成時，京哈鐵路路基結(jié)構(gòu)z方向最大變形值為-2.37mm，x方向最大水平變形值為-1.66mm，y方向最大水平變形為-3.75mm。

工況3：區(qū)間隧道第二段施工將引起地層及鐵路路基應(yīng)力調(diào)整，并進一步導(dǎo)致鐵路路基發(fā)生豎直向和水平向變形。通過數(shù)值模擬可以得到圍巖及鐵路路基的變形狀態(tài)。區(qū)間隧道第二段施工完成時，京哈鐵路路基結(jié)構(gòu)z方向最大變形值為-3.45mm，x方向最大水平變形值為-1.65mm，y方向最大水平變形值為-3.97mm。

工況4：區(qū)間隧道第三段施工將引起地層及鐵路路基的應(yīng)力調(diào)整，并進一步導(dǎo)致鐵路路基發(fā)生豎直向和水平向變形。通過數(shù)值模擬可以得到圍巖及鐵路路基的變形狀態(tài)。區(qū)間隧道第三段施工完成時，京哈鐵路路基結(jié)構(gòu)z方向最大變形值為-3.82mm，x方向最大水平變形值為-1.66mm，y方向最大水平變形值為-3.98mm。

4 自動化變形監(jiān)測

4.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)簡介

本工程采用徠卡TS60 磁懸浮式全站儀和監(jiān)測終端控制器等配套硬軟件實施自動化監(jiān)測（見圖4）。

圖4 自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備組成圖

4.2 監(jiān)測點布設(shè)

（1）軌道和路基監(jiān)測點布設(shè)

鐵路軌道和路基沉降/位移監(jiān)測點沿行車方向按斷面布設(shè)，主要影響區(qū)內(nèi)的測點間距為每10m 布設(shè)7 點（區(qū)間左右線隧道正上方各設(shè)置1 點），次要影響區(qū)內(nèi)的測點間距為每15m 布設(shè)6 點，即每個監(jiān)測斷面布設(shè)13 點，監(jiān)測范圍為隧道中心向外輻射65m 的范圍。4 個軌道監(jiān)測斷面埋設(shè)52 點，2 個路基監(jiān)測斷面埋設(shè)26 點。

（2）接觸網(wǎng)桿監(jiān)測點布設(shè)

每根接觸網(wǎng)桿布設(shè)1 個基礎(chǔ)沉降監(jiān)測點和1 組傾斜監(jiān)測點，共布設(shè)4 個基礎(chǔ)沉降監(jiān)測點和4 組傾斜監(jiān)測點[2]。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和處理

隧道下穿施工期間，監(jiān)測終端控制器遠程設(shè)置觀測模式、頻率、限差等參數(shù)，每2 小時自動觀測、記錄、發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象參數(shù)至監(jiān)測信息平臺；平臺軟件自動平差處理觀測數(shù)據(jù)、生成報表和變化曲線、發(fā)布預(yù)警。

4.4 監(jiān)測控制值

根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則(鐵運〔2001〕23 號)》中的要求，軌距、水平、高低、軌向等幾何尺寸容許偏差管理值為8mm；考慮到工程管理、測量誤差、旅客舒適性的要求，結(jié)合工程的實際特點，綜合考慮施工條件、運營安全、儀器測量精度等因素，確定工程鐵路軌道的豎向和水平變形控制值為5mm；考慮到穿越工程的整個施工過程可以劃分為若干個階段，可以在各個階段對路基碎石道床進行整修，填補道砟，恢復(fù)軌道的平順性，路基的累積水平變形和豎向變形控制值為10mm，單日平均(最大)變形控制值為1mm/d（2mm/d）（見表3）。

表3 監(jiān)測控制值

監(jiān)測預(yù)警采用分級管理，劃分為3 個級別。

黃色預(yù)警：實測累計值達到累計量控制值U01 的70%且未達到80%時；或日變化速率達到變化速率控制值U02 的70%且未達到80%時，應(yīng)發(fā)送預(yù)警快報，加密監(jiān)測并協(xié)助分析原因。

橙色預(yù)警：實測累計值達到累計量控制值U01 的80%且未達到100%時；或日變化速率達到變化速率控制值U02 的80%且未達到100%時，應(yīng)發(fā)送預(yù)警快報，加密監(jiān)測，啟動會商機制，并采取調(diào)整開挖進度、優(yōu)化支護參數(shù)、完善工藝方法等措施。

紅色預(yù)警：實測累計值達到累計量控制值U01 時；或日變化速率達到變化速率控制值U02 時；或日變化速率出現(xiàn)急劇增長時，應(yīng)發(fā)送預(yù)警快報，加密監(jiān)測，啟動會商機制和應(yīng)急預(yù)案，并立即采取必要的補強或停止開挖等措施[3]。

4.5 自動化實測變形與模擬結(jié)果對比分析

（1）鐵路路基沉降實測變形

京哈鐵路路基累計沉降變形如圖5 所示。地鐵區(qū)間隧道左右線中間上方LJ-7 測點位置的鐵路路基累計沉降值最大，上下行線路基累計沉降值分別為-59mm 和-56.3mm；LJ-6 和LJ-8 測點分別位于區(qū)間左右線隧道正上方，LJ-4至LJ-10 之間測點的累計沉降值較大，超過-30mm；兩邊緣的LJ-1 和LJ-13 測點略微上浮[4]。

圖5 京哈鐵路路基沉降實測變形值

（2）鐵路軌道沉降實測變形

京哈鐵路軌道累計沉降變形如圖6 所示。上行線左右股軌道累計沉降最大值分別為-11.5mm 和-7.5mm，位于GD-10 測點位置；下行線軌道左右股累計沉降最大值分別為-11.9mm 和-12.9mm，位于GD-5 測點位置；區(qū)間隧道上方DG-5 ～DG-10 范圍內(nèi)軌道累計沉降值相對較大，超過-10mm。

（3）接觸網(wǎng)基礎(chǔ)沉降實測變形

京哈鐵路接觸網(wǎng)桿傾斜變形最大點092 的傾斜率為2.84‰，接觸網(wǎng)桿基礎(chǔ)沉降測點089、091、092 均上浮變形，最大點090 的累計變形值為9mm，沉降變形點091的累計沉降值為-5.9mm。

（4）模擬與實測結(jié)果對比分析[5]

鐵路路基及軌道沉降監(jiān)測實測結(jié)果最大值均超過模擬工況計算變形數(shù)值，尤其是鐵路路基沉降最大值遠超模擬計算結(jié)果，超出模型范圍的外側(cè)部分仍有明顯沉降和隆起變形。①現(xiàn)場實際變形范圍在3 ～11 測點之間，處于D型便梁施工的影響范圍，穿橫縱梁施工開挖破壞原有路基結(jié)構(gòu)，鐵路路基沉降變形較大；②路基沉降變形呈“V”字形，中間較大，向兩邊逐漸減?。虎郾O(jiān)測范圍邊緣少量隆起，這是由長春市地區(qū)嚴(yán)寒氣候下的季節(jié)性凍脹作用引起的[6]；④4 ～10 測點之間的路段為隧道施工下穿主要影響區(qū)，軌道沉降變形較為顯著；⑤上下行線的左右股道沉降差均不超過4mm，未超過鐵路檢修控制值指標(biāo)。

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)沉降實測結(jié)果超過變形控制值。①089、091、092 測點處于主要影響區(qū)外，受季節(jié)性凍脹作用的影響產(chǎn)生上??；②091 和092 傾斜率均超過控制值，對應(yīng)監(jiān)測斷面路基產(chǎn)生不均勻沉降變形，呈“下行低、上行高”的變形趨勢。

5 結(jié)語

結(jié)合工程實際，采用FLAC 軟件生成有限元分析模型，對礦山法隧道下穿京哈鐵路進行模擬變形計算，并與自動化實測變形進行對比，得出的分析和驗證結(jié)論如下。

（1）區(qū)間雙洞下穿京哈鐵路路基沉降變形呈“V”字形，中間較大，向兩邊逐漸減小，以兩隧道中間為中心，兩側(cè)30m 范圍內(nèi)是變形主要影響區(qū)，是施工過程控制變形的關(guān)鍵。區(qū)間隧道下穿施工期間，應(yīng)加強對鐵路路基結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和巡查，當(dāng)變形達到其預(yù)警值和報警值時，應(yīng)停止施工，分析變形過大的原因，采取合理措施控制變形的進一步發(fā)展。

（2）路基沉降受D 型便梁穿橫縱梁開挖施工的影響較大，D 型梁施工后應(yīng)加強路基及軌道振搗處理，控制后續(xù)變形；施工過程中應(yīng)根據(jù)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)及時整道，填補道砟，以恢復(fù)軌道的平順性；施工完成后，應(yīng)對鐵路路基結(jié)構(gòu)和軌道平順度進行檢查，如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應(yīng)及時進行相應(yīng)處理。

（3）下行線路基及接觸網(wǎng)沉降變形較上行線明顯，區(qū)間隧道下穿施工前應(yīng)預(yù)先考慮解放橋站基坑施工對鐵路路基、軌道和接觸網(wǎng)變形的影響，采取有效的注漿加固措施改良土質(zhì)，增強土體承載力，減小鐵路線路結(jié)構(gòu)的變形。