盾构隧道下穿高速铁路路基沉降控制标准研究

刘建友， 赵振华， 韩 琳， 刘春晓

(1. 中铁工程设计咨询集团有限公司， 北京 100055； 2. 山东省地质矿产勘查开发局八0一水文地质工程地质大队， 山东 济南 250014)

0 引言

伴随着国家高速铁路大规模建设，我国已逐渐形成了四通八达的高速铁路网络。高速铁路带来交通便利的同时，也给铁路两侧人员的互联互通带来阻隔，后期的公路、铁路等通道的建设如何穿越既有的高速铁路线是今后必将碰到的技术难题。由于高速铁路的特殊性，原铁道部[2012]23号文件明确规定，新建公路和铁路与已建或在建高速铁路交叉跨越时，应优先选择公路或铁路下穿高速铁路方案。路基是高速铁路在平原地区的主要结构形式之一，就全国而言，路基约占高速铁路线路总长度的25.8%，因此，今后出现下穿高速铁路路基的工程将比较多见。由于高速铁路列车运行速度快，对轨道变形控制的要求高，而下穿工程施工必将扰动高速铁路的路基土层，引起土层应力调整和变形，威胁高速铁路的运营安全；因此，沉降控制是各种通道下穿高速铁路线时需解决的首要问题。

目前还没有一种科学合理的方法来制定隧道下穿高速铁路路基的沉降控制标准，国内多个下穿工程采用的控制标准均由专家经验确定，并且有越来越严格的趋势，有的下穿工程甚至提出了零沉降的控制要求。严格的控制标准有利于保障高速铁路列车的运营安全，但同时也大幅增加了下穿工程的建设成本。

国内外学者对盾构隧道下穿高速铁路开展了大量的研究工作。蔡向辉[1]、蔡小培等[2]采用数值模拟试验揭示了盾构开挖过程中既有高速铁路轨道结构的沉降规律。许有俊等[3]、柴雨芳[4]分析了路基横向沉降槽的形态，得到了隧道下穿路基的沉降规律。吕培林等[5]、邹浩等[6]根据现场监测数据分析了软土地区隧道下穿引起的路基变形规律，得到工后沉降在总沉降中所占比例相当大，且后期变形时间较长。刘莎莎[7]、魏婷[8]研究了下穿工程对路基稳定性和铁路安全性的影响。程雄志[9]、何卫[10]研究了各种路基加固技术对变形的影响规律。张鹏[11]假设沉降槽为圆曲线并建立了简化模型，提出了相应的路基沉降控制标准。目前，现有变形控制标准大都是根据经验法或者类比法确定，缺乏理论依据和数据支撑[12-13]。

本文通过调查下穿点轨道扣件的类型及其最大可调整量、当前已用调整量和当前平顺度等数据，提出轨道最大可允许变形的计算方法，并根据下穿点周边环境及列车实际运行速度来确定轨道的变形控制标准，再根据轨道和路基沉降槽的曲线特征，最终确定高速铁路路基的沉降控制标准。

1 轨道的变形控制标准

在下穿高速铁路路基工程中，变形的传递过程为：下穿通道开挖—围岩松弛—地层变形—路基变形—轨道变形。

根据下穿工程变形传递规律，轨道的变形是变形传递的最后阶段，制定轨道的变形控制标准是制定路基、桥梁、围岩等其他对象变形控制标准的基础。

轨道的变形控制标准

(1)

式中：s标为轨道的变形控制标准，一般为10 m弦长的变形值；smax为轨道的最大可允许变形；γ为安全系数。

安全系数γ取决于下穿点列车的实际运行速度、下穿点周边环境等因素，一般可取1.0～2.0，如表1所示。列车的运行速度越快，对轨道平顺性的要求越高，因此，列车运行速度是决定变形控制标准的关键指标之一。下穿点周边的环境条件包括人口密度、建筑物密度及重要性等，这些因素将决定一旦发生事故后的影响范围及严重程度。

表1 安全系数γ取值建议

轨道的最大可允许变形

smax=s1+s2-s3-s4-s5。

(2)

式中：s1为轨道扣件的最大可调整量；s2为轨道平顺性的控制要求；s3为轨道扣件目前已用调整量；s4为轨道当前的平顺度；s5为轨道预留变形量，预留给之后其他工程、工后沉降、降水施工等。

应调查下穿点今后是否还有其他工程在此邻近施工，合理设置轨道预留变形量。

1.1 轨道扣件的最大可调整量

轨道扣件的最大可调整量由扣件类型决定。有砟轨道扣件类型主要有弹条Ⅳ型、弹条Ⅴ型和FC型，无砟轨道扣件类型主要有WJ-7型、WJ-8型、W300-1型、SFC型和SKL12型，根据对各扣件生产厂商的调研，各类扣件的可调整量如表2所示。

表2 高速铁路轨道扣件的可调整量

1.2 轨道平顺性的控制要求

轨道平顺性的控制要求由《高速铁路无砟/有砟轨道线路维修规则》确定。铁路线路维修分为综合维修、经常保养和临时补修。1)综合维修是按周期有计划地对线路进行综合性修理。通过综合维修，改善轨道弹性，调整轨道几何尺寸，整修和更换设备零部件，以恢复线路完好的技术状态。2)经常保养是根据线路变化情况，在全年度和线路全长范围内，进行有计划有重点的养护，以保持线路质量经常处于均衡状态。3)临时补修主要是及时整修超过临时补修容许误差限度的轨道几何尺寸及其他不良处所，以保证行车平稳和安全。下穿高速铁路工程可按照临时补修的容许误差限度设置轨道平顺性的控制要求，即时速200～250 km线路，高低容许偏差管理值不超过8 mm，如表3所示；时速250(不含)～350 km线路，高低容许偏差管理值不超过7 mm，如表4所示。

表3时速200～250km线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

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

项目轨距/mm水平/mm高低/mm轨向(直线)/mm扭曲/(mm/3 m)轨距变化率作业验收+1/-122221/1 500经常保养+4/-255441/1 000临时补修+6/-48876限速(160 km/h)+8/-6101198

注： 1) 高低和轨向偏差为10 m及以下弦长测量的最大矢度值。2) 扭曲偏差不含曲线超高顺坡造成的扭曲量。下同。

表4时速250(不含)～350km线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

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

项目轨距/mm水平/mm高低/mm轨向(直线)/mm扭曲/(mm/3 m)轨距变化率作业验收+1/-122221/1 500经常保养+4/-244431/1 000临时补修+5/-36755限速(200 km/h)+6/-47866

2 路基的变形控制标准

路基的变形控制标准根据轨道的变形控制标准确定。根据变形的传递规律，如图1所示，隧道引起的沉降变形从围岩、路基传递至轨道的过程中，变形逐渐减小，即轨道的变形s轨道小于或等于路基的变形S路基，其最大值不超过路基的变形，即

S路基≥s轨道。

(3)

为偏于安全，不考虑轨道板自身的承载力，则路基的变形控制标准可按轨道的变形控制标准制定，即

(4)

下穿高速铁路工程引起的路基沉降不同于路基的工后沉降。路基的工后沉降多为均匀沉降，而下穿工程引起的路基沉降呈U形漏斗状，如图2所示。

图2 盾构隧道施工地面沉降槽

针对盾构隧道施工引起的地层变形，Peck[14]通过对大量隧道施工引起的地面沉降实测数据进行分析，提出隧道开挖后引起的地面沉降是在不排水条件下发生的，沉降槽体积应该等于地层损失的体积，地面沉降的横向分布用正态分布曲线来描述，如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

式(5)—(6)中：S(x)为距隧道中线x处的地面沉降量；Smax为横向地面最大沉降；x为计算点与隧道中线的距离；i为沉降槽的宽度系数，即沉降曲线反弯点横坐标；Vs为盾构隧道单位长度的地层损失量，m3/m。

Peck公式有2个参数Vs和i，这2个参数确定后横断面沉降便可以直接获取。地层损失Vs通常可表示为：

(7)

式中：Vl为地层体积损失率，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比；r0为盾构外径，m。

Vl的取值与地质条件及施工条件密切相关，主要依赖于工程经验。

地面沉降槽宽度B≈2.5i，i可由式(8)或查Peck图表得到。

(8)

式中：φ为隧道周围地层内摩擦角；Z为隧道埋深，即地表到隧道中心的距离。

对于Peck公式，有如下特点：

1)沉降曲线反弯点处的地面沉降量等于隧道中心线上方地面最大沉降的60%，即Peck公式中，将x=i代入得反弯点处的沉降量

(9)

2)地面最大沉降坡度与隧道中心线上方最大地面沉降量Smax成正比，即对Peck公式求导，可得最大曲率半径点的沉降量

(10)

3)对沉降曲线进行积分，得沉陷断面面积

(11)

4)根据Peck公式，可计算得到地面沉降槽中10 m弦长的最大沉降

(12)

5)根据式(12)可计算得到地面沉降槽最大沉降Smax的控制标准

(13)

3 工程应用

以北京地铁14号线马家堡东路站—永定门外大街站区间下穿京津城际铁路路基为例进行计算。

3.1 轨道变形控制标准计算

京津城际铁路采用 WJ-8 型扣件系统，高低调整量为-4～+26 mm，轨距调整量为-5～+5 mm，则轨道扣件的最大可调整量s1为26 mm，轨道平顺性的控制要求s2根据《高速铁路无砟/有砟轨道线路维修规则》临时补修高低限制取7 mm，轨道扣件当前已用调整量s3为10～15 mm，轨道当前的平顺度s4为2～3 mm，不考虑今后其他工程再次穿越本路基段，考虑工后沉降2 mm，即s5取2 mm，则轨道的最大可允许变形smax为13 mm。下穿点位于市区，周边人口密集，列车实际运行时速为200～300 km，安全系数γ取1.8，则轨道的控制标准s标约为7.2 mm。

由于轨道扣件的调整只能在夜间高速铁路停运的天窗点进行，因此，必须控制轨道每天的沉降量，即轨道的沉降速率。白天高速铁路运行时不能整理扣件，此时s1=0；计算沉降速率时可不考虑预留的工后沉降，即s5=0，则最大允许沉降smax=4 mm，安全系数γ仍取1.8，则单日沉降控制标准为2.2 mm/d。

3.2 路基变形控制标准计算

既有铁路与新建地铁的位置关系如图3所示。本段地铁隧道覆土深度约17.6 m，隧道直径为6 m，隧道中心点埋深20.6 m，区间盾构主要穿越粉质黏土及粉土地层，地层主要指标如表5所示。

图3 既有铁路与新建地铁纵断面位置关系(单位： m)

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

表5 土层参数表

(14)

根据轨道单日沉降的控制标准为2.2 mm/d，则同理可计算出路基单日沉降的控制标准为2.4 mm/d。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文提出了一种路基沉降控制标准的计算方法，该方法通过调查下穿点轨道扣件的类型及其最大可调整量、当前已用调整量和当前平顺度等数据，确定了轨道最大可允许变形，并根据下穿点周边环境及列车实际运行速度选取合适的安全系数，从而确定轨道变形的控制标准，再根据轨道和路基沉降槽的曲线特征，最终确定高速铁路路基的沉降变形控制标准。该方法提出的轨道变形控制标准适用于高速铁路无砟轨道，轨道和路基之间的变形关系采用了Peck经验公式，因此，路基变形控制标准适用于土质地层盾构隧道引起的路基变形。

4.2 讨论

高速铁路的地基经过加固处理后，会影响路基沉降曲线的分布，因此，需要根据地基处理情况，对Peck 曲线进行修正或者根据经验数据研究提出一种新的路基沉降分布曲线，再根据沉降分布曲线，重新修正路基沉降控制标准的计算公式。