何建峰

（中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410000）

0 引言

新建隧道開挖會導(dǎo)致既有隧道周圍土體應(yīng)力重分布，從而導(dǎo)致既有隧道及周圍土體產(chǎn)生沉降變形，而既有隧道中的列車動荷載也會對隧道結(jié)構(gòu)及周圍土體造成沉降變形，當(dāng)隧道沉降過大時會嚴(yán)重影響軌道的運(yùn)營，因此在新建隧道的施工背景下研究列車動荷載對既有隧道及周圍土體動響應(yīng)影響是有工程意義的。

目前針對列車動荷載下隧道結(jié)構(gòu)及周圍土體的動響應(yīng)規(guī)律國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。葛世平[1]等以上海地鐵9 號線三期工程為背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測和理論分析相結(jié)合的方法，分析了軟黏土在列車長期循環(huán)動荷載下的變形特征；田甜[2]等通過現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元數(shù)值模型計(jì)算的方式，研究了襯砌在速度300km/h 列車荷載作用下的加速度響應(yīng)規(guī)律；王海龍[3]等采用數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，以京廣高速鐵路草帽山隧道下穿唐呼鐵路北草帽山隧道為工程背景，研究了不同施工方法、不同夾層厚度、不同列車軸重對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降變形、振動加速度和振動速度的影響規(guī)律；馬龍祥[4]等采用數(shù)值模擬的方法，通過建立軌道-隧道-地層系統(tǒng)的耦合2.5 維數(shù)值模型，分析了列車荷載對黏土與粉土復(fù)合地層及其中地鐵隧道的長期影響；王曉睿[5]等采用有限元軟件MIDAS 開展數(shù)值分析，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)研究了列車振動荷載下隧道周邊土層動力響應(yīng)變化規(guī)律。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，以往研究多集中于既有隧道內(nèi)的列車荷載引起既有隧道結(jié)構(gòu)及周圍土體的動力響應(yīng)，而較少考慮在新建隧道施工背景下列車荷載對既有隧道結(jié)構(gòu)及周圍土體造成的動力響應(yīng)?；诖耍疚囊蚤L沙地鐵六號線水農(nóng)區(qū)間上跨京廣高速鐵路瀏陽河段隧道為例，研究了在水農(nóng)區(qū)間左線隧道施工完成，右線隧道在瀏陽河段隧道正上方施工的背景下，列車動荷載對既有隧道結(jié)構(gòu)及地表的動位移、動加速度的影響，并通過數(shù)值模擬研究了列車動荷載對新建盾構(gòu)隧道的動位移及動加速度影響。

1 工程概況

長沙市軌道交通6 號線水稻博物館站～農(nóng)科院農(nóng)大站區(qū)間左線隧道長度1629.917m，右線隧道長度1629.4m。根據(jù)工程安排，兩臺土壓盾構(gòu)機(jī)從農(nóng)科院農(nóng)大站始發(fā)，掘進(jìn)約1.2km 后在DK42+100 處上跨京廣高鐵瀏陽河隧道，相交位置位于京珠高速與人民東路交口東側(cè)、杉木路與人民東路交口西側(cè)。上跨段長約15m，地鐵隧道線路中心線與京廣高鐵瀏陽河隧道線路中心線交角約為81°，瀏陽河隧道埋深約15.5m，地鐵隧道結(jié)構(gòu)底距京廣高鐵瀏陽河隧道結(jié)構(gòu)頂垂直凈距約為16.86m，均處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中，地鐵隧道上跨京廣高鐵瀏陽河隧道示意圖如圖1。

圖1 水農(nóng)區(qū)間盾構(gòu)隧道上跨京廣高鐵瀏陽河隧道平面示意圖

京廣高鐵瀏陽河隧道采用暗挖法施工，為單洞雙線暗挖斷面，襯砌采用Ⅳ級深埋2 型（Ⅳs2）襯砌，斷面寬14.74m，高13.1m，初支采用C25 網(wǎng)噴改性聚酯纖維混凝土，二襯采用C35 防水鋼筋混凝土。拱部、邊墻初支厚度0.22m，二襯厚度0.5m；仰拱初支厚度0.1m，二襯厚度0.7m。在水農(nóng)區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)施工時京廣高鐵不限速。

2 隧道周圍土體監(jiān)測布置

2.1 地表沉降監(jiān)測

地鐵盾構(gòu)穿越既有線路或建筑物時，每10m 布設(shè)一條監(jiān)測斷面，每5m 布設(shè)3 個隧道中線點(diǎn)。監(jiān)測工具為Leica DNA03 電子水準(zhǔn)儀、銦瓦水準(zhǔn)尺。

2.2 管片變形監(jiān)測

地鐵盾構(gòu)穿越既有線路區(qū)段時，每10m 布設(shè)一條監(jiān)測斷面，每5m 加密一個隧道拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)采用粘貼固定Leica 測量反射片的方式進(jìn)行埋設(shè)布置。監(jiān)測工具為Leica TCRP1201+R400 全站儀、徠卡反射片。

2.3 深層土體水平及豎向位移監(jiān)測

深層水平位移與豎向位移采用同孔聯(lián)測法，測點(diǎn)布置于盾構(gòu)試掘進(jìn)段及京廣高鐵瀏陽河隧道段影響區(qū)域內(nèi)，沿左線隧道掘進(jìn)方向每10m 布設(shè)一個斷面，共4 個斷面，每個斷面6 個測孔，隧道正上方孔深12m，其余22m，共24 個。

3 列車動荷載對周圍隧道結(jié)構(gòu)及土體的影響

3.1 盾構(gòu)施工過程中列車動荷載對瀏陽河隧道的影響

盾構(gòu)施工過程中列車動荷載對瀏陽河隧道沉降的附加影響，擬考慮為以下不利工況：地鐵左線隧道施工完畢，地鐵右線隧道施工至瀏陽河隧道正上方。

列車時速為300km/h 時，瀏陽河隧道豎向位移、動加速度如圖2-圖4。

圖2 瀏陽河隧道拱頂豎向位移時程曲線（m）

由圖2、圖3 可以看出，在列車荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)豎向動位移最大幅值約為0.2mm，并隨著列車運(yùn)行逐漸趨于相對穩(wěn)定，波動相對較小，動位移逐漸穩(wěn)定于0.17mm左右。隧道道床與拱頂豎向動位移趨勢大致相同，最大幅值約為0.22mm，并隨著列車運(yùn)行逐漸趨于相對穩(wěn)定，動位移逐漸穩(wěn)定于0.14mm 左右。

圖3 瀏陽河隧道道床豎向位移時程曲線（m）

由圖4 可以看出，在列車荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)較為明顯，動荷載作用初期較為強(qiáng)烈，后逐漸趨于穩(wěn)定。瀏陽河隧道拱頂最大豎向加速度為4.45cm/s2。

圖4 瀏陽河隧道拱頂豎向豎向加速度時程曲線（m/s2）

3.2 動力效應(yīng)隨上覆土層的衰減

由圖5 可以看出，在列車荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)豎向動位移最大幅值約為0.20mm，并逐漸穩(wěn)定于0.17mm 左右；地面沉降最大幅值約為0.11mm，并逐漸穩(wěn)定于0.08mm 左右。由此可知，列車動力效應(yīng)從隧道內(nèi)傳遞至地表時衰減約45%。

圖5 瀏陽河隧道拱頂豎向位移與地面沉降時程曲線

由圖6 可知，隨著上覆土層的增加，列車動力效應(yīng)迅速衰減，至15m 覆土?xí)r，豎向最大動力加速度趨于穩(wěn)定。拱頂最大豎向動加速度為5.3cm/s2，地面最大豎向動加速度為1.59cm/s2。列車以300km/h 的速度行駛，其動力效應(yīng)對盾構(gòu)施工的影響很小。

圖6 動力加速度隨上覆土層厚度的衰減線

3.3 列車動力效應(yīng)對新建盾構(gòu)隧道的影響

由于瀏陽河隧道與地鐵隧道凈距約16.8m，且主要為中風(fēng)化巖層，列車動荷載傳遞至地鐵隧道范圍內(nèi)時已衰減。通過計(jì)算，在列車動荷載作用下，新建地鐵隧道最大豎向動位移為0.0978mm，最大動加速度為1.6cm/s2。列車荷載引起的地鐵隧道附加內(nèi)力很小，不影響新建盾構(gòu)隧道安全。

4 結(jié)論

以長沙地鐵六號線水農(nóng)區(qū)間跨越京廣高速鐵路瀏陽河段為工程背景，研究了列車動荷載對既有隧道、地面及新建盾構(gòu)隧道的動位移與動加速度，結(jié)論如下：①既有隧道在列車動荷載作用下，隧道拱頂與道床的動位移、動加速度起伏波動大，隧道道床的動位移起伏波動大，新建盾構(gòu)隧道的施工會加大列車動荷載造成的既有隧道拱頂?shù)膭游灰?，隨著列車運(yùn)行，隧道既有結(jié)構(gòu)的動位移與動加速度均趨于平穩(wěn)。②列車動荷載造成的隧道拱頂最大位移幅值與穩(wěn)定位移值均隨著上覆土層的增大而減小，列車動力效應(yīng)從隧道內(nèi)傳遞至地表時衰減約45%。隨著上覆土層的增加，豎向最大動力加速度逐漸減小，至15m 覆土?xí)r，豎向最大動力加速度趨于穩(wěn)定。③列車動荷載在新建隧道與既有隧道相距16.8m，且均處于中風(fēng)化巖層的尺度上，列車動荷載對新建隧道造成的附加應(yīng)力不對新建隧道安全造成影響。