试析铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准

王建林

（中铁二十四局福建铁路建设有限公司　福州）

试析铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准

王建林

（中铁二十四局福建铁路建设有限公司福州）

随着现代经济的不断发展，铁路作为重要的交通途径，影响着我国经济和贸易的往来，在经济和社会发展中发挥着重要的作用。但是铁路隧道施工具有一定的复杂性，易引起地表下沉等问题，只有掌握沉降规律，才能做好质量控制工作。下面本文分析隧道施工引起地表变形和下沉的规律，阐述路基沉降的相关影响因素，针对如何进行有效控制进行研究，提出相关的控制标准，以供参考。

铁路隧道下穿；路基沉降；沉降规律；控制标准

1　隧道施工引起地表变形和下沉的规律

方便的交通运输条件是城市发展的基本因素之一，铁路作为运输系统中的重要存在所起的作用有目共睹。城市前进步伐加快，人口涌向大城市铁路运输不适应国民经济和社会发展的问题日益严重。为解决发达城市旅客数量日益增长的问题，我国规划了各种城市快速客户系统，比如较有代表性的环渤海地区城际快速客运。同时在高速方面，到2020年底全国高速公路里程将达到260万～300万km，高速公路里程将达到7万km以上。

随着高速和铁路的不断发展，其相互之间的交叉影响越来越严重，当前城市交通与实际用地之间存在着矛盾，为解决这一现象，并且降低交通项目的施工成本，控制对周边环境和建筑物的影响，现代城市规划多半采用改造和新建相结合的方式修建隧道，而常见的工艺即为隧道下穿跨越既有铁路和高速公路。如在我国河北新建隧道下穿城市就体现该方式的具体实践应用。其主要的优势在于能解决城市有限土地和交通建设之间的矛盾，保证城市发展的重要交通渠道。非常方便地解决了客运专线穿越城市建筑密集的难题，在全国各地的工程数不胜数。隧道下穿跨越既有铁路或既有公路和的工程有非常大的优势，如节省成本，然而却对既有公路和铁路造成较大的地基干扰，所以利弊共存。引起既有铁路路基及既有公路路基面产生变形，对施工周围环境安全产生不利影响，自专家提出路基沉降的理论后，国内外对此影响的研究十分广泛，由于道路具有的结构性及不间断性，隧道施工对其影响也对交通负荷有特殊性质。我们调研分析各种影响下的破坏形式，大量地研究国内铁路工程方面隧道下穿施工引起路基沉降数据并进行分析，该研究具对沉降变形规律及合理制定标准具有积极意义。

2　路基沉降的相关影响因素

2.1工程土地地质影响

我国区域辽阔，地质分岩石地层、土地地层两类。我们以岩石地层影响为例，岩石地层分为硬岩和软岩两种，岩石地层一般能够满足沉降控制标准，如郑西铁路客运专线隧道所处地层可塑，地表沉降的大小和分布性教容易控制，隧道施工过程对既有道路的影响较小。而在地质条件较差的软土地区，如上海、深圳、宁波等地，前黄隧道为甬台温新建铁路宁波至温州南段隧道工程，位于宁海县境内，里程为DK85+860～DK90+360，隧道总长度为600m其中该隧道出口附近段下穿甬台温高速公路，两线相交中心里程为DK69+289，高速公路路面与隧道拱顶最小间距只有3.1mm，为甬台温全线施工难度最大的工程之一。为控制施工过程中的技术困难，需采用特殊的辅助施工措施。因此，土地地质，地下水质是路基沉降的关键因素之一。

2.2地下水质影响

铁路隧道下穿既有公路的实际施工过程中，隧道的涌、突水地段基本与预测的可能集中涌水突水地段相符。如太行山隧道DK56+420～DK85+310段地下水位较高，所以隧道通过该涌水地段时可能引起地下水位下降或洞庭坍塌，造成周围居民饮水井水浑浊，或供水井出水小等问题。

2.3施工方法影响

最常见的铁路隧道施工工艺，但是在实际施工中，会对周围土地造成变形或沉降等影响，且根据施工方法的不同，沉降变形程度也不同。所以，在具体施工中，应该具体情况具体分析。而为了控制施工造成的地表沉降问题，常采用台阶法，更加适合地层施工需求，其在小断面中完成隧道施工。例如山西江太铁路隧道下穿太旧高速公路路基的施工，隧道为单线隧道，施工过程中采用大管棚超前支护配合的方法开挖，减小高速公路的路面最大沉降。其他方法，如中隔墙法、眼镜法控制地表沉降优于台阶法。

2.4列车运行速度对隧道中线最大沉降值影响

随着铁路事业的高度发展近年来火车速度有大幅提升，因为列车在高速前进过程中对轨道的结构和路基有非常严格的要求，列车的平稳高速运行关系着轨面的变形大小。如列车以不同的速度等效静荷载的大小以集中荷载的方式进行施加，经过有限元计算得出不同列车速度情况下路基产生的沉降变化，可以得出列车速度与路基最大沉降值的关系图。以数据列举为例，假设列车行驶在既有路线上，速度从90km/h增加到400km/h，单线隧道施工时路基最大沉降值从11mm增加到13mm，则比没有列车荷载作用到的情况增大了2mm和4mm；而双线隧道施工时路基最大沉降值从16mm增加到了21mm。从上述论述中可知，在隧道下穿施工中，影响既有铁路路线沉降的主要因素即列车运营情况，当列车的荷载增大时，路基沉降也越明显；反之，依然，两者呈一种正相关性。

3　有效控制标准及建议

3.1安全、科学的原则

铁路隧道下穿要优先保证施工安全，在此基础上进一步考虑相关行业部门的规定要求及达到工艺水平措施的经济成本。保证安全包括两方面∶在满足道路安全的前提下，考虑施工技术的实际情况，充分借鉴以成功完成的项目；以标准的科学数据为依据，以计算结果为凭证。

3.2“双重指标、综合控制”的技术原则

首先以不破坏公路路面结构和铁路轨道结构为前提，保证线路的安全运营，并且结合不同部门的管理规定，制定相应的控制标准和控制原则（主要包括沉降、起降、差异起降），采取双重指标、综合控制的技术方针，即总沉降值和沉降速率控制。根据不同的情况，需要分析出相应的解决方案，如确认出相应的预警数据、报警数据、控制数据作为应急情况下的警示数据。控制数据即控制标准，其他数据的设定以这几个数据做参考，预警数据引起警戒的开始数据，报警数据是报警时设定的数据，一般预警数据已控制数据的65%为依据，报警数据以控制数据的75%为参考。

3.3便于维修养护的原则

铁路运输作为目前国内最主要的运输形式，其具有不可间断的特殊性，因此在维修养护上要遵循规则。一般参照公路部门的养护维修管理和铁路部门的养护维修指南，其指出了既有公路路基路面的沉降允许值和既有铁路轨道结构变形的极限值。因此在施工期间需要维修部门每天进行检查和养护以便收集准确数据。然而考虑到每天的保养维修量增大，维修一般取轨道结构累计变形控制的30～50%作为日变形控制值，在不影响运输的情况下同时做到维修方便。

3.4实施技术要求

在针对实际施工上我们根据已有的成功案例总结一些控制标准。尽管在不同的下穿过程中，隧道根据结构形式的不同。断面各种类型、实际开挖方法及开挖步骤各不相同，但隧道下穿和路基沉降规律基本一致，综合资料统计结果可以看出，华东、华南等沿海地区因降雨量大土层含水量大，北方地区为干旱地区，其土质含水量少，则土层的强度很高，自身的承受能力和抗变形能力比南方强。所以引起沉降的主要原因还包括开挖时地层内应力场变化及土地中地下水的流失引起的土体排水固结。

对于软弱铁路隧道下穿的施工时，根据已有的成功经验采用大管棚提前超前保护，它能很好地稳定及控制隧道的整体变形。隧道开始开挖后要考虑到公路级别的载荷，在隧道纵向不同开挖步下公路路面的沉降值近似倒漏斗型分布，要满足路面的行车要求，需公路路面最大累计沉降为7.9mm。除了对土层的研究，隧道开挖时以现场监测手段为主。同时开挖顺序也可对工程造成影响。施工中每一步开挖的同时需要注意封闭掌子面，同时施作隧道内相信位置处的喷混凝土、支护钢架、临时横撑等。

4　结束语

综上所述，本文针对铁路隧道下穿既有路基沉降等问题，通过国内施工工程资料的收集与调研及理论分析做了全面、深入地研究。

（1）对下穿既有铁路隧道施工过程进行分析研究了既有铁路引起路基的变形规律及对列车安全运营的影响，研究分析了轨道结构的变形特点。

（2）既有路基沉降变形规律遵循地质的分布，与地表的沉降变形存在差异，路基的沉降受到地下水、土层结构、施工方法、路面结构等多种影响。

（3）国内既有铁路隧道下穿中所采购的数据为公路部门定制的标准数据，公路最大沉降数据为55mm，铁路数据为25mm。

（4）地表最大沉降量与弹性模量约为对数关系。考虑多种地质条件，隧道埋深和隧道结构等因素，采用公式回归分析方法，推导出地表最大沉降量与地层弹性模量的关系。提出了新建铁路隧道下穿不同等级的地表沉降控制标准。

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U213.1

A

1673-0038（2015）11-0141-02

∶2015-2-20

∶王建林（1981-），男，工程师，大学本科，主要从事隧道、桥梁工程工作。