地铁矿山法隧道下穿铁路有限元分析及自动化监测研究

何晓辉

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300123）

0 引言

近年来，随着我国轨道交通建设的快速发展，地铁隧道下穿国铁线路施工的案例也随之增多，隧道施工难免会对国铁线路产生影响。下穿铁路施工期间，如何保证国铁线路安全运行是必须解决的难题。以长春市地铁2 号线某区间矿山法隧道下穿京哈铁路为工程背景，通过收集、整理和分析地质、设计和现状调查方面的各种资料，采用数值模拟手段，模拟计算区间隧道施工引起的京哈铁路路基的变形和受力问题，对比铁路路基、轨道及接触网杆的变形程度得出变形规律，分析地铁矿山法区间隧道下穿国铁地面线采用的设计参数的合理性及保护措施的效果，对今后类似的工程具有很好的借鉴及参考意义。

1 工程概况

1.1 区间隧道概况

长春市地铁2 号线一期工程解放桥站～建设街站区间暗挖段西起解放桥站，沿解放大路东至区间竖井，隧道施工依次下穿西解放立交桥、轻轨3 号线、国铁京哈线等重要风险地带。下穿京哈线段隧道长度33.3m，隧道顶与国铁道床顶面的高差为15.5 ～16.5m，线间距为16.5m，施工影响范围内有4 个接触网杆，如图1 所示。

1.2 京哈铁路概况

京哈铁路始建于1898 年，2001 年8 月完成电气化改造并投入运营。下穿段的铁路路基形式为路堑，碎石道床共有上、下行两股股道，日客货运输量达260 余次，列车运行时速140 ～160km。

1.3 环境气候条件

场地位于长春市区解放桥附近，该区域属于温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温5.7℃，极端最高气温38℃，极端最低气温-36.5℃。平均风速3.9m/s（主导风向SW），年平均相对湿度84%，平均年降水量570.4mm，年最大积雪深度30cm，最大冻结深度169cm。

1.4 工程地质水文条件

本场地整体地势东高西低，地面高程240.48 ～244.15m。详勘揭示地层自上而下为第四系全新统人工填土层、第四系中更新统冲洪积黏性土层、白垩纪泥岩层。场内未发现明显的不良地质作用及地质灾害现象。

场地内及其附近没有与地下水有直接补排关系的湖泊、河流等地表水体。地下水埋深一般为2.90 ～4.50m，近5 年最高水位约为地表下1.50m，历史最高水位约为地表下1.00m。

2 保护措施

国铁京哈线运输压力大、社会关注度极高，为确保铁路的安全运行，区间双洞下穿京哈双线铁路采取了一系列保护措施：（1）全断面深孔注浆，进行止水加固；（2）三重管旋喷工艺加固；（3）对影响范围内的国铁线路进行扣轨+D 型梁保护；（4）施工过程中对国铁进行限速，使得通过时速小于45km/h；（5）对铁路股道、路基、接触网杆等结构进行自动化监测。

3 有限元模型分析

3.1 计算软件简介

本工程采用FLAC 软件进行有限元分析，FLAC 是一款基于连续介质理论和显式有限差分方法，广泛用于岩土、采矿工程分析和设计的三维高端数值分析程序，特别适合处理有限元方法（FEM）难以解决的复杂岩土体课题。

3.2 有限元模型建立

模型以区间隧道轴线方向为y轴，垂直于隧道轴线的方向为x轴，竖直方向为z轴，模型在y轴方向上长102m，在x轴方向上长80m，z轴方向上长50m，车站和铁路路基水平距离大约为17m，区间隧道和路基底面的垂直距离大约为13m，区间隧道中心间距约为16.5m。根据京哈铁路和解放桥站及区间隧道结构的空间位置关系，建立三维计算模型，计算模型网格划分效果如图2、图3 所示，模型共划分为221513 个单元、38648 个节点。

图2 模型示意图

图3 区间隧道结构-京哈铁路路基结构图

本项目计算基于施工处于良好的控制条件下，不考虑施工过程与地震工况的组合影响；区间隧道结构、京哈铁路路基结构为线弹性材料，土层为弹塑性材料；区间隧道结构、京哈铁路路基结构及土体之间符合变形协调原则[1]。

3.3 计算参数、荷载及本构模型

根据现场勘察成果资料，输入模型地层材料计算参数。根据设计说明文件可以看出，模型计算荷载主要包括自重，按照粉质黏土层的实际断面尺寸，选择容重为20kN/m3。模型的单元类型采用实体单元模拟；边界条件为模型底部施加竖向位移约束，模型四周约束为各面的法向位移约束，地表为自由面；破坏准则采用Mohr-Coulomb 准则。

3.4 模拟工况计算

（1）模拟工况

根据现场实际情况，模拟以下4 种区间隧道施工的工况，各工况的主要荷载及施工阶段见表1。

表1 模拟工况

（2）各工况计算结果

通过对区间隧道施工过程的数值模拟，可计算得到各工况下京哈铁路路基及接触网杆的变形值，如表2 所示。

表2 各工况铁路路基和接触网杆变形值(mm)

工况1：区间隧道施工前的初始状态，京哈铁路路基的结构状态良好，受力和变形满足规范要求。

工况2：区间隧道第一段施工将引起地层及铁路路基的应力调整，并进一步导致铁路路基发生竖直向和水平向的变形。通过数值模拟可以得到围岩及铁路路基的变形状态。区间隧道第一段施工完成时，京哈铁路路基结构z方向最大变形值为-2.37mm，x方向最大水平变形值为-1.66mm，y方向最大水平变形为-3.75mm。

工况3：区间隧道第二段施工将引起地层及铁路路基应力调整，并进一步导致铁路路基发生竖直向和水平向变形。通过数值模拟可以得到围岩及铁路路基的变形状态。区间隧道第二段施工完成时，京哈铁路路基结构z方向最大变形值为-3.45mm，x方向最大水平变形值为-1.65mm，y方向最大水平变形值为-3.97mm。

工况4：区间隧道第三段施工将引起地层及铁路路基的应力调整，并进一步导致铁路路基发生竖直向和水平向变形。通过数值模拟可以得到围岩及铁路路基的变形状态。区间隧道第三段施工完成时，京哈铁路路基结构z方向最大变形值为-3.82mm，x方向最大水平变形值为-1.66mm，y方向最大水平变形值为-3.98mm。

4 自动化变形监测

4.1 自动化监测系统简介

本工程采用徕卡TS60 磁悬浮式全站仪和监测终端控制器等配套硬软件实施自动化监测（见图4）。

图4 自动化监测系统设备组成图

4.2 监测点布设

（1）轨道和路基监测点布设

铁路轨道和路基沉降/位移监测点沿行车方向按断面布设，主要影响区内的测点间距为每10m 布设7 点（区间左右线隧道正上方各设置1 点），次要影响区内的测点间距为每15m 布设6 点，即每个监测断面布设13 点，监测范围为隧道中心向外辐射65m 的范围。4 个轨道监测断面埋设52 点，2 个路基监测断面埋设26 点。

（2）接触网杆监测点布设

每根接触网杆布设1 个基础沉降监测点和1 组倾斜监测点，共布设4 个基础沉降监测点和4 组倾斜监测点[2]。

4.3 监测数据采集和处理

隧道下穿施工期间，监测终端控制器远程设置观测模式、频率、限差等参数，每2 小时自动观测、记录、发送监测数据和气象参数至监测信息平台；平台软件自动平差处理观测数据、生成报表和变化曲线、发布预警。

4.4 监测控制值

根据《铁路线路修理规则(铁运〔2001〕23 号)》中的要求，轨距、水平、高低、轨向等几何尺寸容许偏差管理值为8mm；考虑到工程管理、测量误差、旅客舒适性的要求，结合工程的实际特点，综合考虑施工条件、运营安全、仪器测量精度等因素，确定工程铁路轨道的竖向和水平变形控制值为5mm；考虑到穿越工程的整个施工过程可以划分为若干个阶段，可以在各个阶段对路基碎石道床进行整修，填补道砟，恢复轨道的平顺性，路基的累积水平变形和竖向变形控制值为10mm，单日平均(最大)变形控制值为1mm/d（2mm/d）（见表3）。

表3 监测控制值

监测预警采用分级管理，划分为3 个级别。

黄色预警：实测累计值达到累计量控制值U01 的70%且未达到80%时；或日变化速率达到变化速率控制值U02 的70%且未达到80%时，应发送预警快报，加密监测并协助分析原因。

橙色预警：实测累计值达到累计量控制值U01 的80%且未达到100%时；或日变化速率达到变化速率控制值U02 的80%且未达到100%时，应发送预警快报，加密监测，启动会商机制，并采取调整开挖进度、优化支护参数、完善工艺方法等措施。

红色预警：实测累计值达到累计量控制值U01 时；或日变化速率达到变化速率控制值U02 时；或日变化速率出现急剧增长时，应发送预警快报，加密监测，启动会商机制和应急预案，并立即采取必要的补强或停止开挖等措施[3]。

4.5 自动化实测变形与模拟结果对比分析

（1）铁路路基沉降实测变形

京哈铁路路基累计沉降变形如图5 所示。地铁区间隧道左右线中间上方LJ-7 测点位置的铁路路基累计沉降值最大，上下行线路基累计沉降值分别为-59mm 和-56.3mm；LJ-6 和LJ-8 测点分别位于区间左右线隧道正上方，LJ-4至LJ-10 之间测点的累计沉降值较大，超过-30mm；两边缘的LJ-1 和LJ-13 测点略微上浮[4]。

图5 京哈铁路路基沉降实测变形值

（2）铁路轨道沉降实测变形

京哈铁路轨道累计沉降变形如图6 所示。上行线左右股轨道累计沉降最大值分别为-11.5mm 和-7.5mm，位于GD-10 测点位置；下行线轨道左右股累计沉降最大值分别为-11.9mm 和-12.9mm，位于GD-5 测点位置；区间隧道上方DG-5 ～DG-10 范围内轨道累计沉降值相对较大，超过-10mm。

（3）接触网基础沉降实测变形

京哈铁路接触网杆倾斜变形最大点092 的倾斜率为2.84‰，接触网杆基础沉降测点089、091、092 均上浮变形，最大点090 的累计变形值为9mm，沉降变形点091的累计沉降值为-5.9mm。

（4）模拟与实测结果对比分析[5]

铁路路基及轨道沉降监测实测结果最大值均超过模拟工况计算变形数值，尤其是铁路路基沉降最大值远超模拟计算结果，超出模型范围的外侧部分仍有明显沉降和隆起变形。①现场实际变形范围在3 ～11 测点之间，处于D型便梁施工的影响范围，穿横纵梁施工开挖破坏原有路基结构，铁路路基沉降变形较大；②路基沉降变形呈“V”字形，中间较大，向两边逐渐减小；③监测范围边缘少量隆起，这是由长春市地区严寒气候下的季节性冻胀作用引起的[6]；④4 ～10 测点之间的路段为隧道施工下穿主要影响区，轨道沉降变形较为显著；⑤上下行线的左右股道沉降差均不超过4mm，未超过铁路检修控制值指标。

接触网基础沉降实测结果超过变形控制值。①089、091、092 测点处于主要影响区外，受季节性冻胀作用的影响产生上浮；②091 和092 倾斜率均超过控制值，对应监测断面路基产生不均匀沉降变形，呈“下行低、上行高”的变形趋势。

5 结语

结合工程实际，采用FLAC 软件生成有限元分析模型，对矿山法隧道下穿京哈铁路进行模拟变形计算，并与自动化实测变形进行对比，得出的分析和验证结论如下。

（1）区间双洞下穿京哈铁路路基沉降变形呈“V”字形，中间较大，向两边逐渐减小，以两隧道中间为中心，两侧30m 范围内是变形主要影响区，是施工过程控制变形的关键。区间隧道下穿施工期间，应加强对铁路路基结构的监测和巡查，当变形达到其预警值和报警值时，应停止施工，分析变形过大的原因，采取合理措施控制变形的进一步发展。

（2）路基沉降受D 型便梁穿横纵梁开挖施工的影响较大，D 型梁施工后应加强路基及轨道振捣处理，控制后续变形；施工过程中应根据自动化监测数据及时整道，填补道砟，以恢复轨道的平顺性；施工完成后，应对铁路路基结构和轨道平顺度进行检查，如发现异常现象，应及时进行相应处理。

（3）下行线路基及接触网沉降变形较上行线明显，区间隧道下穿施工前应预先考虑解放桥站基坑施工对铁路路基、轨道和接触网变形的影响，采取有效的注浆加固措施改良土质，增强土体承载力，减小铁路线路结构的变形。