地铁盾构隧道穿越既有铁路影响分析

陈鼐基

摘 要：地铁盾构隧道穿越既有铁路路基工程中会引起路基的沉降，使得轨道结构产生额外的不平顺。利用Plaxis三维有限元软件模拟盾构掘进引起的路基沉降曲线，并进一步分析了在该沉降曲线下铁路行车安全性及舒适性。结果表明，盾构掘进引起的路基沉降小于6mm，最大高低不平顺和水平不平顺分别为0.19mm和0.20mm，行车时造成的第一轮对脱轨系数为0.47、第一轮对轮重减载率为0.34，横向加速度为0.36m/s2，竖向加速度为0.32m/s2，故建议施工期间对铁路实行限速运营。

关键词：盾构隧道；铁路路基；行车安全性；行车舒适性

随着城市化进程不断深入、交通设施不断完善，地铁隧道穿越既有铁路线路的工程不断涌现。地铁隧道多以盾构法施工，而盾构机在开挖土体时会破坏原有的土体结构、造成地层损失，进而引起地表沉降。而当盾构隧道需穿越既有铁路线路时，路基表层的沉降会造成上部轨道结构的额外不平顺，对铁路的行车安全造成影响。

结合南京宁和城际下穿宁芜铁路工程为背景，利用三维有限元分析软件模拟了下穿工程造成的路基表面沉降，并在此基础上进一步分析了该沉降曲线对铁路行车安全及舒适性的影响。

1 工程概况

南京都市圈城际轨道S3线，即宁和城际（南京南站至桥林段），线路全长37.745km，其中高架线23.245km，地下线14.40km，敞开段0.10km。共设18座车站。线路最大站间距12288m，为生态科技园站～滨江村站过江车站；最小站间距792m，为黄河路站～淮河路站车站。下穿宁芜铁路为华新路站～油坊桥站区间。

下穿节点处宁和城际为盾构隧道，处于曲线段，曲线半径为650m，与宁芜铁路的交角约为74°；距离左线盾构隧道7.6m以及右线盾构隧道13.9m各有一处道岔；距离宁芜铁路南侧约30m处设有一处联络通道。隧道顶部埋深约16.4m，所处土层为K2p-2强风化泥质砂岩、砂岩。隧道管片外径为6.2m，内径为5.5m，管片厚度为0.35m。

2 列车荷载布置形式

宁芜铁路为客货混运，计算列车荷载时，采用中-活载（2005）图式中客运线（ZK）和货运线（ZH）两个基本图式作为盾构推进施工过程中的铁路列车荷载。

客车设计时速为120km/h，货车为80km/h。计算时考虑动力冲击的影响，动力冲击系数为，为列车运行速度。将轨枕所受2个轮子的集中力等效为沿轨枕分布的均布荷载，轨枕考虑为全支承形式，接触应力沿轨枕均匀分布。

根据以上方法，考虑动力冲击系数的影响，计算出数值模拟中铁路上的列车荷载如图1所示。

由图1可知，客车、货车荷载轴距相同，而货车荷载图式中集中荷载和均布荷载都比客车荷载大，因此在计算盾构施工对宁芜铁路的影响时上方铁路荷载选用货车荷载进行分析。

此外，图1显示列车荷载形式包含集中荷载和均布荷载两类，且集中荷载量值较大。建立模型时，当集中荷载施加于盾构上方，由于隧道左线较右线先开挖，需分别计算荷载作用于左线盾构上方及右线盾构上方的情况；当集中荷载作用于城际线路中心线上方，由于计算模型左右对称（见下文），故仅计算隧道左线先开挖的情况。

3 有限元计算

3.1 有限元模型建立

根据下穿节点处的几何位置关系，建立三维有限元模型，采用数值模拟方法，研究列车荷载在地面上通过的受力情况。

模型总宽度为120m，纵向延伸100m，高度为40m，隧道顶部埋深16.38m，铁路线路与盾构隧道近似认为是正交。土体采用理想弹塑性模型、摩尔-库伦屈服准则，在几何模型底部施加完全固定约束，在四周施加水平约束，模型表面为自由边界。在计算最不利荷载时，应力释放系数取0.6（理由见3.3节）。

当荷载作用于盾构右线上方时，计算得到各工况铁路沉降曲线如图5所示。

将三种不同荷载布置形式下铁路中心最大沉降列于表1，由表中数据可知三种形式差别较小，当集中荷载施加于左线盾构上方时引起的铁路沉降量略大，最大值为5.40mm，故采用该种加载方式为最不利情况，本节余下的计算结果都是基于这一加载方式下得到的。

3.3 隧道开挖对线路变形的影响

按照荷载最不利布置方式施加荷载，根据隧道所穿越土层工程性质可知，盾构隧道全断面穿越K2p-2强风化泥质砂岩，压缩模量为35MPa，工程性质较好，故采用应力释放的方法模拟计算盾构下穿铁路造成的影响。

根据相关文献资料，隧道开挖周边的应力释放系数可按下式计算：

本隧道中心平均埋深16.38m，计算得β=0.41。考虑到安全预留，本报告分别计算了β=0.4、0.5、0.6的情况下隧道开挖对铁路的影响。

根据上节的计算发现，盾构施工过程中，在双线贯通后引起的沉降量最大，故在只列出双线贯通后的计算的结果，如图6所示，结果见表2。

根据表2中的结果，盾构隧道下穿宁芜铁路，在40%的应力释放率（应力释放系数为0.4）情况下宁芜铁路发生的最大沉降为2.79mm，最大高低不平顺为0.06mm，最大水平不平顺为0.12mm，满足《铁路线路维修规则》中对铁路不平顺的要求。即使是在60%应力释放率（应力释放系数为0.6）的情况下，高低偏差依然远小于规范中的6mm限值。

4 行车安全性及舒适性分析

4.1 模型建立

通过simpack建立车辆-轨道耦合动力模型，分析行车的安全性和舒适性。国内的理论和实践均表明，货物列车、尤其是空载货车较易脱轨。由于本工点为客货混运线路，因此对本工点处的列车运行安全性和舒适性分析时，分别选取时速120km/h的客运列车和时速80km/h的空载货车车辆进行。

4.2 计算结果分析

由盾构掘进引起的轨面变形采用4.3节计算结果，两者叠加之后得到轨面不平顺。

表3为计算得到结果，分析以上数据可以发现，脱轨系数及轮重减载率的最大值均出现在线路变形范围之内，盾构隧道施工对列车运行安全性有一定影响。空载货车在时速80km/h时，第一轮对脱轨系数为0.47、第一轮对轮重减载率为0.34，客车的脱轨系数则更小，即使在运行速度120km/h的情况下，客车的脱轨系数和轮重减载率也远小于规定限值。另外，三种速度下的客车最大加速度为0.36m/s2，其结果满足铁路规范中对客车车体平稳性的要求。

综上所述，盾构隧道施工引起的线路变形对列车运行的安全性和舒适性影响很小，不需要采取主动加固措施，但为了进一步提高列车运行的安全性及舒适性，可在盾构隧道施工期间适当地限制列车运行的速度。

5 结论

根据有限元计算结果，宁和城际盾构隧道下穿施工对宁芜铁路的影响如下：（1）采用最不利荷载布置方式，当应力释放率在40%时，盾构隧道和联络通道的开挖使得宁芜铁路发生的最大沉降为2.80mm，线路最大高低不平顺为0.07mm，最大水平不平顺为0.12mm，最大高低不平顺为0.03，最大水平不平顺为0.04，满足规范要求，即使应力释放率达到了60%，线路沉降变形和道岔区变形也同样满足要求，且有一定富余。（2）空载货车和客车在时速80km/h或120km/h时，第一轮对脱轨系数、轮重减载率均小于限值，客车车体的横向加速和竖向加速度也同样满足要求，盾构隧道开挖对宁芜铁路行车安全性和舒适性造成的影响较小。（3）结合对线路沉降和行车安全性、舒适性的影响，盾构隧道对宁芜铁路的影响较小，铁路下方无需加固处理，盾构施工时可对宁芜铁路进行限速，从而进一步保证其运行的安全。

参考文献

[1] 韩丽萍.我国城市化进程中新农村建设问题研究[D].哈尔滨师范大学，2010.

[2] 王晓兰.江苏省交通建设与区域经济协调发展的实证研究[D].南京理工大学，2007.

[3] 王俊生.地铁盾构隧道施工与运营对城际铁路路基沉降的影响[D].北京交通大学，2010.

[4] 李兆平，李铭凯，黄庆华.南京地铁车站下穿既有铁路站场施工技术研究[J].岩石力学与工程学报，2005，06：1061-1066.

[5] 马伟斌，付兵先，杜晓燕，郭小雄，史存林.地铁隧道下穿铁路桥施工变形分析及处理措施[J].地下空间与工程学报，2013，04：896-901.

[6] 刘建航，侯学渊编著.盾构法隧道[M].中国铁道出版社，1991

[7] 孙钧，周健，龚晓南，张弥.受施工扰动影响土体环境稳定理论与变形控制[J].同济大学学报（自然科学版），2004，10：1261-1269.

[8] 庄丽.散粒体的加卸载与应力释放特性[D].同济大学，2009.