雙線隧道下穿施工對鐵路路基沉降影響數值分析

劉遠明,費富華,陳會宇,范育輝,李應肖

(1.貴州大學 土木工程學院, 貴州 貴陽 550025;2.中鐵開發投資集團有限公司,云南 昆明 650500;3.中鐵隧道局集團建設有限公司,廣西 南寧 530006)

隨著我國經濟水平提高,山區城市軌道交通快速發展,軌道交通區間隧道下穿運營鐵路工程也越來越多。區間隧道下穿施工對地層產生擾動,從而引起既有鐵路路基的沉降變形,嚴重時可能危及既有線路的安全運營[1-4]。保證區間隧道下穿工程中既有線路的安全運營及隧道的安全順利施工是一個關鍵問題[5]。

山區城市軌道交通區間隧道多采用雙線形式,先行隧道和后行隧道施工之間,不可避免會對地層產生相互擾動[6-9]。隨著雙線隧道水平間距的增加,地表沉降不再符合正態分布規律,地表沉降曲線呈現多種型態[10-13]。

近年來,山區城市貴陽軌道交通建設發展較快,2017年,開通運營第一條線路,至今總計開通運營線路2條,總里程74.7 km[14-15]。目前,貴陽軌道交通1號線、2號線已經建成運營,3號線、S1、S2號線正在建設中。

貴陽軌道交通區間隧道多次下穿既有鐵路。由于山區城市特殊的地質條件和周邊復雜環境,軌道交通建設存在一定的困難,特別是區間隧道線路布置受到限制較多,左右線隧道的水平距離較近。左右線隧道的水平距離對下穿既有鐵路引起鐵路路基沉降影響規律尚不清楚,還需進一步研究。

本文采用有限元軟件建立三維數值模型,分析貴陽軌道交通3號線某區間隧道下穿施工對既有鐵路路基沉降變形的影響,探討雙線隧道下穿施工引起既有鐵路路基的沉降變形規律,可為類似下穿既有鐵路工程采取沉降控制措施提供依據。

1 工程概況

貴陽軌道交通3號線某區間隧道下穿運營的川黔鐵路。該段鐵路為普速鐵路,時速75 km/h,碎石道床,線間距約為5 m,鋼筋混凝土軌枕,60 kg/m鋼軌,供電模式為接觸網供電,穿越點位為雙線2股道,平行布置,無道岔。

如圖1,隧道下穿既有鐵路,鐵路里程為K422+050—K422+070,軌面高程為1 092.5 m;左線隧道里程ZDK29+325—ZDK29+335、右線隧道里程YDK29+325—YDK29+335,軌面高程為1 073.5～1 073.6 m。區間隧道與鐵路交叉角度為69°。鐵路路基底距離區間隧道豎向最小凈距約10.3 m。

圖1 位置關系圖Fig.1 Location relationship diagram

地層地質特征和工程性質分述如下:

<1-2>雜填土,雜色,廣泛分布于場地表層范圍內,稍濕,主要由碎石、黏性土組成,分布無規律性,呈松散狀態,層厚一般2.0～27.5 m,層底標高為 1 185.68～1 079.80 m。

<4-1-3>紅黏土,褐黃色、褐紅色等,可塑狀,局部夾硬塑狀透鏡層,局部夾少量植物根系。層厚 1.6～10.8 m,層底標高為1 085.24～1 078.20 m,具有遇水軟化、失水強烈收縮、易剝落的工程性質,局部具弱膨脹性。

<20—2—3>中風化石灰巖,青灰色,灰黑色,中層狀構造,隱晶質結構,節理裂隙較發育,巖石較完整,巖芯呈柱狀、短柱狀,少許餅狀,節長5～35 cm,局部溶蝕嚴重區域,巖石多呈碎塊狀。巖體較破碎,巖石基本質量等級為 IV 級。巖芯采取率約80%,RQD值約38%。

擬建場地地下水主要為潛水,即第四系松散巖類孔隙水和巖溶水。第四系松散巖類孔隙水主要賦存于第四系松散覆蓋層中,水量總體較小,富水等級弱。

2 隧道施工引起地表沉降

PECK[16]認為在不排水的情況下,隧道開挖引起的地表沉降槽體積,與地層損失的體積相同,地表沉降槽沿垂直隧道軸向的橫向分布近似為一條正態分布曲線,并提出了PECK經驗公式來預測隧道施工引起地表沉降。

(1)

(2)

當雙線隧道距離較近時,地表沉降曲線仍符合正態分布規律;當雙線隧道距離較遠時,地表沉降曲線呈現不同的形態,PECK公式不再適用。

雙線隧道水平間距不同,地表沉降曲線的形態也有所差異。當雙線隧道距離較近時,地表沉降曲線呈單峰的形式;當雙線隧道距離較遠時,地表沉降曲線呈雙峰的形式,如圖2和圖3所示。

圖2 雙線隧道距離較近時地表沉降槽Fig.2 Surface settlement trough when double track tunnel is near

圖3 雙線隧道距離較遠時地表沉降槽Fig.3 Surface settlement trough when double track tunnel is far away

3 數值模型

3.1 模型建立

采用ABAQUS三維有限元軟件建立三維數值模型,如圖4所示。

圖4 三維數值模型Fig.4 Three-dimensional numerical model

雙線隧道模型尺寸為80 m×50 m×40 m,即與隧道垂直方向為80 m,模型高度為50 m,沿隧道軸線方向為40 m。區間隧道埋深為10.3 m,單線隧道為跨度6.52 m的馬蹄形隧道斷面。有砟軌道鐵路路基道床面寬3.4 m,道床厚0.3 m,路基面寬7.7 m,基床表層0.6 m,基床底層1.9 m。

模型前后左右施加水平約束,模型底部施加水平和豎向約束,模型頂面和路基面為自由面。圍巖材料采用Mohr-Coulomb屈服準則,初期支護采用彈性模型。雙線隧道下穿既有鐵路隧道工程,水平間距是影響既有鐵路路基沉降變形的重要因素之一。水平間距L分別取10、15、20、25、30 m 5種不同工況。

區間隧道采用上下臺階法開挖,左線隧道先行開挖,每循環開挖進尺為2 m,開挖過程共分80個開挖步完成。

3.2 計算參數

根據地質勘查報告和設計資料,地層和初期支護力學參數如表1所示。鐵路路基力學參數性質如表2所示。

表1 地層和初期支護力學參數Tab.1 Calculation parameters of stratum and initial support

表2 鐵路路基力學參數Tab.2 Calculation parameters of railway subgrade

4 路基沉降分析

4.1 路基沉降與施工開挖關系分析

為研究不同水平間距的雙線隧道下穿施工工況下鐵路路基測點沉降值隨開挖步變化的時空分布規律,分別對左線隧道中線對應路基測點A、雙線隧道中心線對應路基測點B、右線隧道中線對應路基測點C三個監測點進行分析。路基沉降監測點如圖5所示。

圖5 沉降測點示意圖Fig.5 Schematic diagram of settlement measuring points

雙線隧道開挖共分80個開挖步進行。左線隧道先行開挖,第40開挖步左線隧道貫通;然后進行右線隧道開挖,第80開挖步雙線貫通。整理路基沉降測點沉降曲線如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知:

圖6 B測點沉降曲線Fig.6 Settlement curve of measuring point B

圖7 A和C測點沉降曲線Fig.7 Settlement curve of measuring points A and C

1)當雙線隧道水平間距較小時(L=10 m、15 m),左右線隧道開挖對地層的擾動影響區重疊,使得路基最大沉降值出現在雙線隧道中心線對應鐵路路基測點B位置。

2)隨著雙線隧道水平間距的增加(L=20 m),雙線隧道中心線測點B的沉降值逐漸減小,路基最大沉降值逐漸由測點B向測點A、測點C轉移。

3)隨著雙線隧道水平間距進一步增加(L=25 m、30 m),左右線隧道開挖對地層的擾動影響區逐漸分離,最大沉降值出現在左右線隧道中線上的路基測點位置。

4.2 鐵路路基橫向沉降曲線分析

不同工況下穿施工既有鐵路引起鐵路路基中線的位移云圖如圖8所示。

圖8 路基橫向沉降云圖Fig.8 Cloud chart of lateral subgrade settlement

由圖8可知,隨著雙線隧道水平間距增加,路基最大沉降值逐漸減小,沉降槽范圍逐漸增大。

路基橫向沉降曲線如圖9所示。由圖9可知:

圖9 橫向沉降曲線Fig.8 Transverse settlement curve

1)隨著雙線隧道水平間距的增加,路基橫向沉降曲線也呈現出不同的形式。雙線隧道水平間距對既有鐵路路基最大沉降值、沉降影響范圍均有影響。

2)當隧道水平間距較小時(L=10 m),路基橫向沉降曲線為單峰形式,即V型。雙線貫通后路基沉降值最大值出現在雙線隧道中心線對應鐵路路基位置A。

3)當隧道水平間距增大時(L=15 m),路基橫向沉降曲線為U型。雙線隧道中心線、左線隧道中心線、右線隧道中心線各自對應位置A、B、C點路基位置沉降基本相同。

4)隨著雙線隧道水平間距增加(L≥20 m),路基橫向沉降曲線逐漸呈雙峰形式,最大沉降值逐漸減小,峰值點逐漸向左線隧道中心線對應鐵路路基位置B、右線隧道中心線對應鐵路路基位置C移動,對路基的沉降影響范圍也逐漸變大。

5)隨著雙線隧道水平間距增加,路基橫向沉降曲線形式逐漸呈V型-U型-W型變化。

以上路基變形規律是由于左線、右線隧道開挖相互影響產生的。分析原因如下:

1)當雙線隧道水平間距較小時,先行隧道開挖已經對隧道圍巖產生了擾動,后行隧道開挖繼續對那一部分圍巖產生擾動,使得圍巖產生較大變形,進而傳遞給既有鐵路路基。

2)當雙線隧道水平間距較大時,先行隧道和后行隧道開挖對圍巖的擾動區域已經分離開來,相當于兩條獨立的單線隧道開挖對既有鐵路路基產生影響。

4.3 左右線隧道先后下穿引起路基最大沉降比較

雙線隧道下穿施工既有鐵路,不同水平間距工況左線、右線隧道先后下穿既有鐵路引起的鐵路路基最大沉降值如圖10所示。由圖10可知:

圖10 路基沉降值比較Fig.10 Comparison of subgrade settlement values

1)雙線隧道水平間距L=10 m時,雙線下穿鐵路引起的鐵路路基最大沉降值1.53 mm比左線下穿引起的沉降值0.5 mm增加了177%;當L=15 m時,雙線下穿鐵路引起的路基最大沉降值0.86 mm比左線下穿引起的最大沉降值0.69 mm增加了25%;當L=20 m時,雙線下穿鐵路引起的路基最大沉降值0.71 mm比左線下穿引起的最大沉降值0.68 mm增加了4%;當L=25 m時,雙線下穿鐵路引起的鐵路路基最大沉降值0.69 mm比左線下穿鐵路引起的最大沉降值0.67 mm增加了3%;當L=30 m時,雙線下穿鐵路引起的路基最大沉降值與左線下穿鐵路引起的路基最大沉降值相同,都為0.69 mm。

2)雙線貫通時,后行右線隧道開挖對既有鐵路沉降值的影響存在疊加效應,影響程度隨左右線隧道的水平間距增加而逐漸減小。

3)左右線隧道水平間距L大于20 m,左線、右線隧道先后下穿既有鐵路引起的鐵路路基基本相同。

從數值模擬結果來看,當隧道水平間距小于15 m時,應加強支護措施,減小后行隧道開挖對既有鐵路路基沉降產生疊加效應的影響。

5 結論

通過建立三維數值模擬分析模型,研究了山區城市軌道交通雙線區間隧道下穿施工對既有鐵路路基變形的影響。主要結論如下:

1)雙線隧道水平間距對路基沉降值和沉降范圍影響較大。路基最大沉降值隨雙線隧道水平間距增大而逐漸減小,沉降槽范圍隨水平間距增大而增大。

2)雙線隧道水平間距影響鐵路路基沉降最大值的位置。隨著雙線隧道水平間距的增加,鐵路路基沉降最大值位置由雙線隧道中心線對應路基向左線隧道、右線隧道中心線向對應的路基位置轉移。

3)雙線隧道水平間距影響鐵路路基沉降曲線形狀。隨著雙線隧道水平間距的增加,路基橫向沉降曲線呈V型-U型-W型變化。

4)當隧道水平間距小于15 m時,應加強支護措施,減小后行隧道開挖對既有鐵路路基沉降產生疊加效應的影響。