地铁隧道下穿既有铁路基础变形控制标准研究

摘 要：地铁隧道下穿既有铁路施工时，线路基础变形会引起轨道几何尺寸发生变化，从而影响运营安全。首先，基于地铁隧道下穿既有有砟轨道线路路基的工程实际，建立有限元模型对地铁隧道下穿既有铁路变形规律进行分析。然后，以既有线路的轨道高低容许偏差管理值为依据，制定不同速度等级、不同埋深条件下铁路基础变形的控制标准和下穿施工时的沉降速率控制标准，为类似工程沉降控制标准的制定和施工安全管理提供参考。

关键词：地铁隧道;下穿既有铁路;有砟轨道;基础变形;控制标准

中图分类号：U231+.3

地铁隧道下穿既有铁路有砟轨道线路时，隧道开挖会对周围土体造成扰动和破坏，引起上覆土层损失，造成既有线路基础沉降变形，从而导致既有线路轨道几何尺寸发生变化，影响运营安全。因此，研究地铁隧道下穿施工时的线路基础沉降变形规律，合理制定满足地铁运营管理规定的沉降控制标准，避免因下穿施工而引起运营安全事故，对既有线路运营安全管理和现场施工安全控制具有重要的意义。

1 下穿施工模型建立与材料参数

采用ABAQUS数值分析软件，对地铁隧道下穿有砟轨道线路施工过程进行模拟，重点研究隧道在不同埋深条件下下穿施工引起的既有线路轨道和基础变形规律，为下穿施工沉降控制标准的制定提供理论基础。

1.1 模型建立

参考下穿工程实例，地铁隧道按单线隧道下穿考虑，隧道断面为马蹄形，外径为6.2 m，最大开挖高度为6.5 m，C25混凝土初期支護（支护厚度为25cm）。按单线铁路路基考虑模型横断面尺寸，路基面宽度为7.8 m，基床表层、底层的高度分别为0.6 m和1.9m。

下穿施工开挖方向与既有线路走向垂直，采用两台阶施工，上台阶开挖高度为3.0 m，下台阶开挖高度为3.5 m。为减小边界影响，模型沿既有线路方向取100m，沿隧道开挖方向取40 m，地表以下土体厚度取50m。

以地铁隧道下穿既有线路的路基为出发点，路基以下土层为多层层状体系，各层均由各向同性的均质材料组成;以路基顶面中心线网格单元节点代替既有铁路中心线各节点单元;以路基中心线两侧网格单元节点代替左右两根钢轨的节点单元;以路基底部地表顶面单元代替地表各节点单元。沿既有线路方向为对称结构，为提高计算速度，数值分析建模时取结构的一半，按半对称考虑对称面处限制Z方向（沿既有线路方向）的位移（图 1）。本模型分别选取埋深为10 m、15 m、20 m和25 m进行计算。

1.2 材料参数

（1）土体参数。取在建城市地铁隧道下穿既有线路施工时的土体参数（表1），为简化计算，忽略地下水的影响。

（2）轨道结构参数。轨道结构参数如表2所示。

（3）隧道结构参数。隧道支护结构采用C25素混凝土，其重力密度为2 400 kg/m3，弹性模量为2 000 MPa，泊松比为0.3。

2 地铁隧道下穿施工时既有线路变形规律分析

地铁隧道下穿施工会引起有砟轨道线路路基的沉降与变形，进而引起轨道几何发生变化，从而影响列车运营安全。轨道几何变化包括高低、水平、轨距、轨向等变化，以及轨道与路基之间脱空等，基床本体及其以下土层的变形是既有线路轨道几何发生变化的基础。

2.1 竖向和水平位移分析

不同埋深条件下土体的竖向和水平位移分别如图2～图 5所示。计算结果表明，下穿施工时隧道掌子面掘进引起的地表中心点竖向位移和线路中心竖向位移变形规律基本一致，两者竖向位移差很小，可近似认为地表竖向位移与线路竖向位移一致。隧道掌子面在到达既有线路中心1倍洞径以及通过线路中心2倍洞径范围内，地表中心和线路中心产生的竖向位移值较大，当埋深分别为10m、15 m、20 m和25 m时，该施工阶段线路中心竖向位移占总位移值的比例分别为53.2%、76.7%、72.4%和71%。下穿施工的最终竖向位移值与隧道埋深有较大关系：埋深较小时，最终竖向位移值较大;随着埋深的增加，最终竖向位移值逐渐减小并趋于缓和。

由于水平位移较小，可不考虑其影响。

2.2 轨道高低影响分析

计算结果表明，对于同一隧道埋深，沿线路方向的沉降宽度在整个施工过程中基本保持不变。埋深较小时，沿线路方向的沉降曲线表现为深而窄的沉降槽;随着埋深的增加，沿线路方向的沉降曲线逐渐表现为浅而宽的沉降槽，此时线路中心及两条钢轨沿线路方向的沉降变形曲线基本符合高斯曲线分布。埋深分别为10m、15 m、20 m和25 m时，线路中心的沉降槽反弯点（拟合曲线反弯点）距隧道中线的距离分别为9.75 m、10.41m、12.60 m和14.94 m。

沉降槽的深度和范围对既有线路的轨道高低偏差有直接的影响。当沉降槽深而窄时，对既有线路的影响范围较窄，但在该范围内的竖向位移变化较大，由此引起的轨道高低偏差较大，因此对既有线路的运营安全有较大影响。当沉降槽浅而宽时，对既有线路的影响范围较宽，但在该范围内的竖向位移变化较小，由此引起的轨道高低偏差较小，因此对既有线路的运营安全影响相对较小。

通过数值分析，得到不同埋深时沉降槽反弯点与隧道埋深近似呈线性关系，如图6所示。它们的关系为：

式（1）中， i为沉降槽反弯点值，m; H为隧道埋深，m。

2.3 轨道水平影响分析

计算结果表明，下穿施工时因隧道掌子面掘进而引起的线路中心、两条钢轨的最终沉降值基本一致，但基床和下部土层的沉降变形会对既有线路的轨道水平产生一定的影响。隧道掌子面达到既有线路中心1倍洞径以及通过线路中心2倍洞径范围内，轨道水平偏差呈现出先增大再逐步减小的规律，如埋深为10m时，施工过程中既有线路的最大轨道水平偏差为0.18mm，开挖完成后轨道水平偏差为0.01 mm。另外，埋深分别为15m、20 m和25 m时，施工过程中既有线路的最大轨道水平偏差对应为0.11 mm、0.03 mm和0.04mm，均远小于现行维修规则中的要求。由此可见，下穿施工对既有线路轨道水平偏差的影响可以忽略不计。

2.4 轨道轨距影响分析

计算结果表明，下穿施工时会使钢轨产生一定的水平位移，从而使既有线路的轨距发生变化。在下穿隧道掌子面到达既有线路中心前，轨距偏差达到最大，随着掌子面的不断掘进并远离既有线路中心，轨距偏差逐渐减小，最后趋于一个很小的值。计算工况下、不同埋深时引起的轨距偏差最大值为0.04 mm，均远小于现行维修规则中的轨距偏差允许值。因此可得，地铁隧道下穿施工对既有线路轨道轨距偏差的影响可以忽略不计。

3 地铁隧道下穿施工沉降控制标准的确定

由上述下穿施工时既有线路变形规律分析可知，地表沉降变形与既有线路沉降变形基本一致。地铁隧道下穿施工时，既有线路轨道的高低、水平、轨向、轨距等在施工过程中均发生一定的偏差，但轨道水平、轨向、轨距的偏差值均远小于现行维修规则中的要求。由此可知，地铁隧道下穿施工对既有线路的影响主要取决于轨道高低的偏差。

3.1 轨道高低偏差容许偏差管理值的确定

TG/GW 102-2019《普速铁路线路修理规则》（以下简称《修理规则》）中按不同速度等级将既有线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值分为作业验收、计划维修、临时修补和限速4类维护保养模式，将轨道动态几何不平顺容许偏差管理值分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级4类维护保养模式;铁运[2013]29号《高速铁路有砟轨道线路维修规则（试行）》（以下简称《维修规则（试行）》）按不同速度等级将线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值分为作业验收、经常保养、临时修补和限速4类维护保养模式，将轨道动态质量容许偏差管理值分为经常保养、舒适度、临时补修和限速4维护保养模式。既有线路运营期间，铁路相关部门按规定定期对线路进行检查和保养，因此，对于普速和高速铁路，其轨道高低静态容许偏差管理值分别取计划维修和经常保养时的偏差限值，轨道高低动态容许偏差管理值分别取Ⅰ级和经常保养时的偏差限值。

参考《修理规则》和《维修规则（试行）》，不同速度等级条件下轨道高低静、动态容许偏差管理值分别如表3和表4所示。通过对不同速度等级轨道高低静、动态容许偏差管理值进行对比，可知静态容许偏差管理值比动态容许偏差管理值更为严格，因此，以轨道高低静态容许偏差管理值作为容许偏差管理值。

轨道高低静态容许偏差管理值为10 m及以下弦测量的最大矢度值，由此可得不同速度等级条件下轨道高低倾斜值的控制标准（[K]），如表5所示。

3.2 沉降控制标准的确定

根据高斯正态曲线分布规律和沉降槽反弯点的数学含义，反弯点处的地表沉降值为最大沉降值的61%，且该处斜率最大。若该处斜率不大于[K]，则能保证其他各处的倾斜均小于[K]，由此可得：

式（2）中， S max为线路中心最大沉降值，mm。

将式（1）代入式（2）并整理，可得下穿施工时线路中心最大沉降值为：

利用表5和式（3），可得到下穿施工时地表沉降控制标准与隧道埋深H的关系式，如表6所示。

不同埋深、不同速度等级条件下，下穿施工时的地表沉降控制标准如表7所示。

3.3 沉降速率控制标准的确定

地铁隧道下穿施工时，地表最大沉降值是隧道施工各阶段沉降的累计变形值，是最终控制结果。实践表明，隧道施工过程中，在地表最大沉降值小于控制标准时沉降速率过大也容易引起施工安全事故，从而影响既有线路运营安全。因此，在施工过程中，对沉降速率进行控制十分有必要。

由前述分析可知，下穿施工过程中，在下穿隧道掌子面到达既有线路中心1倍洞径以及通过线路中心2倍洞径范围内地表沉降值约占总沉降值的70%，因此，应对该区段施工过程中的沉降速率进行适当控制。

若下穿该区段施工期间每日开挖进度为 L（m），隧道下穿施工开挖外径为D（m），联合式（3），则得日沉降速率控制标准（mm/天）为：

下穿地铁隧道的外径按6.2 m计算，利用表5和式 （4）可得不同埋深、不同速度等级条件下地表沉降速率控制标准，具体如表8所示。

4 结论

（1）地铁隧道下穿有砟轨道线路施工时，基础变形和既有线路变形基本一致，可不考虑基础与线路的脱空现象，下穿隧道掌子面到达线路中心1倍洞径以及通过线路中心2倍洞径范围内竖向位移较大，约占下穿施工总沉降值得70%。

（2）下穿施工引起的有砟轨道线路轨道水平、轨距、轨向偏差均远小于现行相关维修规程中的要求，可以忽略不计。由下穿施工引起的轨道高低偏差对线路安全运营影响较大，沿线路方向沉降曲线基本符合高斯正态曲线分布，沉降槽反弯点与隧道埋深近似呈线性关系。

（3）参考《修理规则》和《维修规则（试行）》，以既有有砟轨道线路轨道高低偏差容许值为控制标准，建立了下穿施工时沉降控制标准与隧道埋深的线性关系，得出了不同埋深、不同速度等级条件下既有有砟轨道线路的基础沉降控制标准。

（4）以日沉降速率为控制标准，建立了沉降速率控制标准与下穿隧道日开挖进尺的关系式，可为类似工程施工过程中的安全控制提供参考。

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收稿日期 2019-02-20

责任编辑 党选丽

Study on control standard of foundation deformation of subway tunnel of ballasted track

Zhang Wei

Abstract： When the subway tunnel passes through the existing railway construction， the deformation of the line foundation will cause the change of the track geometry， thus affecting the operation safety. Firstly， based on the engineering practice of subway tunnel passing through the existing track of ballast subgrade， a finite element model is established to analyze the construction foundation and line deformation patterns of subway tunnel passing through. Secondly， based on the allowable deviation management value of the existing track， the control standard of foundation deformation and settlement rate in control standard of underpass construction under different speed levels and buried depth conditions are formulated， so as to provide reference for the establishment of settlement control standard and construction safety management of similar projects.

Keywords： subway， tunnel， underpass， ballasted track， foundation deformation， control standard

作者簡介：张伟（1979—），男，高级工程师