列车荷载对隧道下穿路基沉降的影响

陈养强，郑明新，张永伟，刘 林

列车荷载对隧道下穿路基沉降的影响

陈养强1，2，郑明新1，张永伟1，刘 林1

（1.华东交通大学岩土与道桥工程研究所，江西 南昌 330013；2.中土集团福州勘察设计研究院有限公司，福建 福州 350013）

以福建省九龙江北引水隧洞穿越鹰厦铁路、厦深高铁线路为研究对象，在路基加固前提下，采用换算土柱法转化的静荷载和类正弦形式列车荷载形式，采用软件FLAC3D分析了隧道单线贯通及双线贯通后的铁路路基变形情况。研究结果表明：类正弦形式列车荷载引起的路基沉降比换算土柱法转化的静荷载引起的路基沉降大0.4 mm，约5%；两种荷载引起的路基沉降槽形态均为“双峰”形态，峰值均出现在两隧道各自的中心线上；通过对比实测数据和两种工况的计算数据，得出静荷载计算结果与实测结果吻合较好。

引水隧道；静荷载；类正弦荷载；路基沉降

0 引言

近年来，随着中国国民经济的迅猛发展，铁路的建设规模不断扩大，铁路路基沉降问题也日益得到关注。目前，在铁路路基沉降方面的研究主要是以现场监测手段为主，在施工过程中监测关键位置处的沉降，进而对铁路运营提出安全评价和沉降控制措施［1］。基于各种数值模拟软件，列车荷载对铁路路基的影响的成果颇多［2－12］，主要是注重于分析采用土柱换算法得到的静荷载或激振荷载施加在铁路线上时引起的路基沉降。本文采用三维FLAC3D数值模拟软件，分析路基加固前提下，采用土柱换算法转化的静荷载、采用类正弦形式列车荷载这两种不同加载工况下，分析双线隧道下穿多条铁路线时隧道拱顶、铁路路基的沉降规律，并与实测数据进行对比来确定哪种简化方式更接近现实列车荷载。

1 工程概况

拟建工程系九龙江北引水左干渠改造二期工程的一部分，引水隧洞在大人庙段及西山铁路段与既有鹰厦铁路和在建厦深高铁线垂直交叉。上部鹰厦右线（已通车）、鹰厦左线（在建）、厦深客运专线（即将通车）呈近东西向，现有地面标高为17.45～22.95 m；其下穿引水隧道呈近南北向，设计洞底标高为1.00 m，洞顶标高为5.50 m（黄海高程）。引水隧道超前支护断面如图1所示。

图1 隧道超前支护断面图（单位：cm）

1.1 工程地质

根据场地详细的岩土工程勘察报告以及部分地质钻孔资料，岩土体自上而下分别为：灰黄色素填土、浅黄色粉质黏土、浅黄色残积砾质黏性土、浅黄色全风化辉石闪长岩～弱风化辉石闪长岩；隧道主要穿越浅黄色全风化和弱风化辉石闪长岩。场地断裂构造不发育，周边无全新世活动性断裂和发震断裂通过，属构造稳定地块。

场地所属地貌属剥蚀低丘及丘间谷地。根据地下水的埋藏条件，测区地下水可分为孔隙潜水和裂隙潜水两种。孔隙潜水分布在第四系松散的坡残积层、冲洪积层、人工填土及全风化岩体中，其水量小，且季节性变化明显；裂隙潜水分布于断层破碎带及基岩裂隙中。地下水位稳定埋深一般为3～8 m。地下水主要受大气降水补给，向河床、沟谷排泄。隧道洞身均处于地下水位以下，隧洞围岩多属于中等透水～微透水。地下水无侵蚀性。

1.2 地层加固

隧道采用φ108 mm、壁厚6 mm、每根长30 m、环向间距0.4 m的大管棚注浆，结合4.5 m长φ42.0 mm×3.5 mm超前小导管进行隧道开挖的超前支护；对隧道下穿影响铁路范围内采用φ800 mm双管高压旋喷桩进行路基加固；洞身两侧（洞顶4.5 m，洞底3.0 m）采用φ600 mm，桩距1.2 m的单管高压旋喷桩进行加固。衬砌采用C30混凝土，旋喷桩采用C25的混凝土。

2 计算模型的建立

2.1 建立模型

采用大型数值计算软件FLAC3D建立三维数值模型，模拟台阶法隧道施工穿越铁路路基过程中地表变形情况。模拟过程中考虑的工程条件如下：

①隧道穿越的土层为水平层状均质土层；

②不考虑土体固结引起的长期沉降；

③采用无渗流模式；

④初始地应力模型计算只考虑土体自重应力，不考虑构造应力；

⑤假定既有铁路的路基及轨道结构变形一致［13］。

模型如图2所示，沿隧道纵向100 m，宽100 m，高40 m。隧道中心线距基床底部18.5 m，两隧道中心水平距离为20 m，隧道每次开挖5 m。土体采用摩尔－库仑本构模型，道砟层、衬砌材料和旋喷桩采用线弹性材料，土体、道砟层和旋喷桩采用实体单元模拟，衬砌采用壳单元模拟。模型共70 172个单元，73 660个节点。

图2 计算模型

铁路路基材料参数如表1所示。各层土体、衬砌和旋喷桩参数取值如表2所示。

表1 路基填料参数

表2 材料物理力学参数表

2.2 分析方案

本模型是直接分析铁路上有车辆荷载情况下，采用旋喷加固路基情况进行模拟。所施加的列车荷载皆均匀地分布在鹰厦右线和厦深铁路上，具体分两种工况。

工况1：列车动荷载采用换算土柱法转化为静荷载，荷载值根据《高速铁路设计规范》［14］取60 kPa均匀地分布在铁路路基上。

工况2：列车动荷载采用类正弦形式，该列车荷载由列车自身质量静荷载和一个正弦函数叠加而成的动荷载［15－16］，列车自身质量取100 t。

3 计算结果分析

由于引水隧道下穿鹰厦铁路和厦深铁路，为保证铁路的安全运营，防止由于隧道开挖造成的铁路路基沉降大变形，此处重点分析区间隧道开挖过程中，各铁路路基中线位置的竖向位移变形量以及隧道拱顶A位置的沉降。

右隧道的开挖造成土体的损失，使相邻土体间的应力发生重分布，这种应力重分布波及到地表，引起铁路路基的沉降。左线隧道的开挖进一步引起地层的移动，使地表的沉降范围增大，加大了铁路路基沉降。

3.1 沿着隧道开挖方向拱顶沉降

选取部分测点进行分析，分别采用字母R和L来表示右线隧道和左线隧道，其中，R49表示右线拱顶A位置与初始开挖面水平距离为49 m的测点，L49表示左线拱顶A位置与初始开挖面水平距离为49 m的测点。列车动荷载采用换算土柱法得到的静荷载作用下拱顶A位置沉降如图3所示，右线贯通时洞顶最大沉降为14.43 mm；左线也贯通（即双线贯通）后洞顶最大沉降为15.03 mm。

图3 工况1隧道开挖时拱顶监测点A沉降

列车荷载采用类正弦形式荷载隧道拱顶沉降如图4所示，右线贯通时洞顶A最大沉降为15.77 mm；左线也贯通（即双线贯通）后洞顶最大沉降为16.34 mm。

图4 工况2隧道开挖时拱顶监测点A沉降

3.2 垂直与隧道方向的路基沉降

不同顺序的隧道开挖必然对上部路基的沉降造成不同程度的影响。列车动荷载采用换算土柱法得到的静荷载作用下隧道开挖时路基监测点沉降如图5所示；列车荷载采用类正弦形式荷载时隧道开挖时路基监测点沉降如图6所示。两种荷载下造成的沉降见表3。

图5 工况1隧道开挖时路基监测点沉降

图6 工况2隧道开挖时路基监测点沉降

表3 两种荷载造成的沉降值mm

由图5和图6可知：右线贯通后，铁路路基最大沉降在右隧道中心线上（＋10 m位置）；左线也贯通后（即双线贯通后），铁路路基出现“双峰”形态的沉降槽，最大沉降值分别在各隧道的中心线上（－10 m和＋10 m位置）。

4 与实际监测对比分析

选取具有完整数据的典型断面进行分析，测点布置如图7所示。将监测结果和两种工况模拟结果进行对比分析，如图8和图9所示，得到静荷载模拟值与实际监测数据规律一致，吻合较好。模拟值比监测值略大，一方面与数值模拟参数的选

取有关；另一方面是由于实测点是设置在路基边缘，而模拟值的监测点是设置在铁路中心线上。

图7 测点布置图

图8 静荷载模拟值与实测值对比

图9 正弦荷载模拟值与实测值对比

5 结论

（1）通过对双线隧道开挖的数值模拟，得出当双线隧道全部贯通以后，上部3条铁路路基在两种列车荷载形式的作用下的最大沉降值在7.363～8.958 mm，符合《高速铁路设计规范》中规定的最大沉降值控制在15 mm以内。

（2）通过对比两种工况，单线（右线）贯通后工况2造成的路基最大沉降比工况1造成的路基最大沉降大5%左右；双线（左右线）同时贯通后，工况2造成的路基最大沉降比工况1造成的路基最大沉降大5.2%左右。故可得两种列车荷载形式对路基的影响基本一致，采用正弦形式加载会稍微大5%左右。

（3）双线贯通后沉降槽形态为双峰形态，主要是因为两隧道间距大于3倍隧道开挖直径；双线隧道左、右线施工引起的沉降叠加分布，沉降槽形态为双峰形态，两个峰值分别在各隧道的中心线上。

（4）通过模拟值与现场监测值的对比可得：采用换算土柱法转化得到的静荷载引起的铁路路基沉降更接近现实列车荷载引起的铁路路基沉降。

［1］ 肖立，张庆贺.铁路轨道下盾构施工所致地面沉降的数值模拟［J］.同济大学学报，2011，5（2）：23－27.

［2］ 王启云，张家生，孟飞，等.高速铁路路基模型列车振动荷载模拟［J］.振动与冲击，2013，32（6）：43－46.

［3］ 杨赳，庄丽，宫全美.铁路列车荷载对下穿盾构隧道结构的影响［J］.城市轨道交通研究，2019，12（3）：23－27.

［4］ 汪杰，宋瑞刚，袁天辰，等.地铁列车荷载的仿真模拟［J］.上海工程技术大学学报，2011，25（3）：220－225.

［5］ 娄国充.铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准研究［D］.北京：北京交通大学，2012.

［6］ 梁波，罗红，孙常新.高速铁路振动荷载的模拟研究［J］.铁道学报，2006，28（4）：89－94.

［7］ 曾二贤.交通动荷载引起的软土地基长期沉降［D］.杭州：浙江大学，2008.

［8］ 许有俊，陶连金，李文博，等.地铁双线盾构隧道下穿高速铁路路基沉降分析［J］.北京工业大学学报，2010，36（12）：1618－1623.

［9］ 常利武，徐艳杰，边亚东.动荷载作用下高温冻土路基的动力响应分析［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2012，33（2）：43－46.

［10］ 刘银伟，梁斌，李明，等.盾构穿越既有铁路的地表沉降分析［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2012，33（1）：49－53.

［11］ 朱得华，梁斌，李治国.软岩隧道掌子面挤出与拱顶沉降变形相关性［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2013，34（3）：68－73.

［12］ 樊友景，高始慧.竖向荷载作用下的框架结构内力计算的分跨法［J］.郑州大学学报：理学版，2013，45（2）：121－124.

［13］ 徐希磊.某地铁盾构穿越国铁天津站影响及施工控制研究［D］.北京：北京交通大学，2012.

［14］ 铁道部.TB10020—2009高速铁路设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2009.

［15］ 梁波，蔡英.不平顺条件下高速铁路路基的动力分析［J］.铁道学报，1999，21（2）：84－88.

［16］ 张娜，姚君华.城市地下隧道穿越既有车站的影响与监测研究［J］.地下空间与工程学报，2013（S1）：35－41.

U216.421

A

1672－6871（2014）04－0059－05

国家自然科学基金项目（51068006）；江西省研究生创新项目（YC2013－S169）

陈养强（1989－），男，福建福州人，硕士生；郑明新（1966－），男，陕西渭南人，教授，博士生导师，主要从事路基与边坡工程研究.

2013－11－17