地鐵礦山法隧道下穿鐵路有限元分析及自動化監測研究

何曉輝

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300123）

0 引言

近年來，隨著我國軌道交通建設的快速發展，地鐵隧道下穿國鐵線路施工的案例也隨之增多，隧道施工難免會對國鐵線路產生影響。下穿鐵路施工期間，如何保證國鐵線路安全運行是必須解決的難題。以長春市地鐵2 號線某區間礦山法隧道下穿京哈鐵路為工程背景，通過收集、整理和分析地質、設計和現狀調查方面的各種資料，采用數值模擬手段，模擬計算區間隧道施工引起的京哈鐵路路基的變形和受力問題，對比鐵路路基、軌道及接觸網桿的變形程度得出變形規律，分析地鐵礦山法區間隧道下穿國鐵地面線采用的設計參數的合理性及保護措施的效果，對今后類似的工程具有很好的借鑒及參考意義。

1 工程概況

1.1 區間隧道概況

長春市地鐵2 號線一期工程解放橋站～建設街站區間暗挖段西起解放橋站，沿解放大路東至區間豎井，隧道施工依次下穿西解放立交橋、輕軌3 號線、國鐵京哈線等重要風險地帶。下穿京哈線段隧道長度33.3m，隧道頂與國鐵道床頂面的高差為15.5 ～16.5m，線間距為16.5m，施工影響范圍內有4 個接觸網桿，如圖1 所示。

1.2 京哈鐵路概況

京哈鐵路始建于1898 年，2001 年8 月完成電氣化改造并投入運營。下穿段的鐵路路基形式為路塹，碎石道床共有上、下行兩股股道，日客貨運輸量達260 余次，列車運行時速140 ～160km。

1.3 環境氣候條件

場地位于長春市區解放橋附近，該區域屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫5.7℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫-36.5℃。平均風速3.9m/s（主導風向SW），年平均相對濕度84%，平均年降水量570.4mm，年最大積雪深度30cm，最大凍結深度169cm。

1.4 工程地質水文條件

本場地整體地勢東高西低，地面高程240.48 ～244.15m。詳勘揭示地層自上而下為第四系全新統人工填土層、第四系中更新統沖洪積黏性土層、白堊紀泥巖層。場內未發現明顯的不良地質作用及地質災害現象。

場地內及其附近沒有與地下水有直接補排關系的湖泊、河流等地表水體。地下水埋深一般為2.90 ～4.50m，近5 年最高水位約為地表下1.50m，歷史最高水位約為地表下1.00m。

2 保護措施

國鐵京哈線運輸壓力大、社會關注度極高，為確保鐵路的安全運行，區間雙洞下穿京哈雙線鐵路采取了一系列保護措施：（1）全斷面深孔注漿，進行止水加固；（2）三重管旋噴工藝加固；（3）對影響范圍內的國鐵線路進行扣軌+D 型梁保護；（4）施工過程中對國鐵進行限速，使得通過時速小于45km/h；（5）對鐵路股道、路基、接觸網桿等結構進行自動化監測。

3 有限元模型分析

3.1 計算軟件簡介

本工程采用FLAC 軟件進行有限元分析，FLAC 是一款基于連續介質理論和顯式有限差分方法，廣泛用于巖土、采礦工程分析和設計的三維高端數值分析程序，特別適合處理有限元方法（FEM）難以解決的復雜巖土體課題。

3.2 有限元模型建立

模型以區間隧道軸線方向為y軸，垂直于隧道軸線的方向為x軸，豎直方向為z軸，模型在y軸方向上長102m，在x軸方向上長80m，z軸方向上長50m，車站和鐵路路基水平距離大約為17m，區間隧道和路基底面的垂直距離大約為13m，區間隧道中心間距約為16.5m。根據京哈鐵路和解放橋站及區間隧道結構的空間位置關系，建立三維計算模型，計算模型網格劃分效果如圖2、圖3 所示，模型共劃分為221513 個單元、38648 個節點。

圖2 模型示意圖

圖3 區間隧道結構-京哈鐵路路基結構圖

本項目計算基于施工處于良好的控制條件下，不考慮施工過程與地震工況的組合影響；區間隧道結構、京哈鐵路路基結構為線彈性材料，土層為彈塑性材料；區間隧道結構、京哈鐵路路基結構及土體之間符合變形協調原則[1]。

3.3 計算參數、荷載及本構模型

根據現場勘察成果資料，輸入模型地層材料計算參數。根據設計說明文件可以看出，模型計算荷載主要包括自重，按照粉質黏土層的實際斷面尺寸，選擇容重為20kN/m3。模型的單元類型采用實體單元模擬；邊界條件為模型底部施加豎向位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面；破壞準則采用Mohr-Coulomb 準則。

3.4 模擬工況計算

（1）模擬工況

根據現場實際情況，模擬以下4 種區間隧道施工的工況，各工況的主要荷載及施工階段見表1。

表1 模擬工況

（2）各工況計算結果

通過對區間隧道施工過程的數值模擬，可計算得到各工況下京哈鐵路路基及接觸網桿的變形值，如表2 所示。

表2 各工況鐵路路基和接觸網桿變形值(mm)

工況1：區間隧道施工前的初始狀態，京哈鐵路路基的結構狀態良好，受力和變形滿足規范要求。

工況2：區間隧道第一段施工將引起地層及鐵路路基的應力調整，并進一步導致鐵路路基發生豎直向和水平向的變形。通過數值模擬可以得到圍巖及鐵路路基的變形狀態。區間隧道第一段施工完成時，京哈鐵路路基結構z方向最大變形值為-2.37mm，x方向最大水平變形值為-1.66mm，y方向最大水平變形為-3.75mm。

工況3：區間隧道第二段施工將引起地層及鐵路路基應力調整，并進一步導致鐵路路基發生豎直向和水平向變形。通過數值模擬可以得到圍巖及鐵路路基的變形狀態。區間隧道第二段施工完成時，京哈鐵路路基結構z方向最大變形值為-3.45mm，x方向最大水平變形值為-1.65mm，y方向最大水平變形值為-3.97mm。

工況4：區間隧道第三段施工將引起地層及鐵路路基的應力調整，并進一步導致鐵路路基發生豎直向和水平向變形。通過數值模擬可以得到圍巖及鐵路路基的變形狀態。區間隧道第三段施工完成時，京哈鐵路路基結構z方向最大變形值為-3.82mm，x方向最大水平變形值為-1.66mm，y方向最大水平變形值為-3.98mm。

4 自動化變形監測

4.1 自動化監測系統簡介

本工程采用徠卡TS60 磁懸浮式全站儀和監測終端控制器等配套硬軟件實施自動化監測（見圖4）。

圖4 自動化監測系統設備組成圖

4.2 監測點布設

（1）軌道和路基監測點布設

鐵路軌道和路基沉降/位移監測點沿行車方向按斷面布設，主要影響區內的測點間距為每10m 布設7 點（區間左右線隧道正上方各設置1 點），次要影響區內的測點間距為每15m 布設6 點，即每個監測斷面布設13 點，監測范圍為隧道中心向外輻射65m 的范圍。4 個軌道監測斷面埋設52 點，2 個路基監測斷面埋設26 點。

（2）接觸網桿監測點布設

每根接觸網桿布設1 個基礎沉降監測點和1 組傾斜監測點，共布設4 個基礎沉降監測點和4 組傾斜監測點[2]。

4.3 監測數據采集和處理

隧道下穿施工期間，監測終端控制器遠程設置觀測模式、頻率、限差等參數，每2 小時自動觀測、記錄、發送監測數據和氣象參數至監測信息平臺；平臺軟件自動平差處理觀測數據、生成報表和變化曲線、發布預警。

4.4 監測控制值

根據《鐵路線路修理規則(鐵運〔2001〕23 號)》中的要求，軌距、水平、高低、軌向等幾何尺寸容許偏差管理值為8mm；考慮到工程管理、測量誤差、旅客舒適性的要求，結合工程的實際特點，綜合考慮施工條件、運營安全、儀器測量精度等因素，確定工程鐵路軌道的豎向和水平變形控制值為5mm；考慮到穿越工程的整個施工過程可以劃分為若干個階段，可以在各個階段對路基碎石道床進行整修，填補道砟，恢復軌道的平順性，路基的累積水平變形和豎向變形控制值為10mm，單日平均(最大)變形控制值為1mm/d（2mm/d）（見表3）。

表3 監測控制值

監測預警采用分級管理，劃分為3 個級別。

黃色預警：實測累計值達到累計量控制值U01 的70%且未達到80%時；或日變化速率達到變化速率控制值U02 的70%且未達到80%時，應發送預警快報，加密監測并協助分析原因。

橙色預警：實測累計值達到累計量控制值U01 的80%且未達到100%時；或日變化速率達到變化速率控制值U02 的80%且未達到100%時，應發送預警快報，加密監測，啟動會商機制，并采取調整開挖進度、優化支護參數、完善工藝方法等措施。

紅色預警：實測累計值達到累計量控制值U01 時；或日變化速率達到變化速率控制值U02 時；或日變化速率出現急劇增長時，應發送預警快報，加密監測，啟動會商機制和應急預案，并立即采取必要的補強或停止開挖等措施[3]。

4.5 自動化實測變形與模擬結果對比分析

（1）鐵路路基沉降實測變形

京哈鐵路路基累計沉降變形如圖5 所示。地鐵區間隧道左右線中間上方LJ-7 測點位置的鐵路路基累計沉降值最大，上下行線路基累計沉降值分別為-59mm 和-56.3mm；LJ-6 和LJ-8 測點分別位于區間左右線隧道正上方，LJ-4至LJ-10 之間測點的累計沉降值較大，超過-30mm；兩邊緣的LJ-1 和LJ-13 測點略微上浮[4]。

圖5 京哈鐵路路基沉降實測變形值

（2）鐵路軌道沉降實測變形

京哈鐵路軌道累計沉降變形如圖6 所示。上行線左右股軌道累計沉降最大值分別為-11.5mm 和-7.5mm，位于GD-10 測點位置；下行線軌道左右股累計沉降最大值分別為-11.9mm 和-12.9mm，位于GD-5 測點位置；區間隧道上方DG-5 ～DG-10 范圍內軌道累計沉降值相對較大，超過-10mm。

（3）接觸網基礎沉降實測變形

京哈鐵路接觸網桿傾斜變形最大點092 的傾斜率為2.84‰，接觸網桿基礎沉降測點089、091、092 均上浮變形，最大點090 的累計變形值為9mm，沉降變形點091的累計沉降值為-5.9mm。

（4）模擬與實測結果對比分析[5]

鐵路路基及軌道沉降監測實測結果最大值均超過模擬工況計算變形數值，尤其是鐵路路基沉降最大值遠超模擬計算結果，超出模型范圍的外側部分仍有明顯沉降和隆起變形。①現場實際變形范圍在3 ～11 測點之間，處于D型便梁施工的影響范圍，穿橫縱梁施工開挖破壞原有路基結構，鐵路路基沉降變形較大；②路基沉降變形呈“V”字形，中間較大，向兩邊逐漸減小；③監測范圍邊緣少量隆起，這是由長春市地區嚴寒氣候下的季節性凍脹作用引起的[6]；④4 ～10 測點之間的路段為隧道施工下穿主要影響區，軌道沉降變形較為顯著；⑤上下行線的左右股道沉降差均不超過4mm，未超過鐵路檢修控制值指標。

接觸網基礎沉降實測結果超過變形控制值。①089、091、092 測點處于主要影響區外，受季節性凍脹作用的影響產生上浮；②091 和092 傾斜率均超過控制值，對應監測斷面路基產生不均勻沉降變形，呈“下行低、上行高”的變形趨勢。

5 結語

結合工程實際，采用FLAC 軟件生成有限元分析模型，對礦山法隧道下穿京哈鐵路進行模擬變形計算，并與自動化實測變形進行對比，得出的分析和驗證結論如下。

（1）區間雙洞下穿京哈鐵路路基沉降變形呈“V”字形，中間較大，向兩邊逐漸減小，以兩隧道中間為中心，兩側30m 范圍內是變形主要影響區，是施工過程控制變形的關鍵。區間隧道下穿施工期間，應加強對鐵路路基結構的監測和巡查，當變形達到其預警值和報警值時，應停止施工，分析變形過大的原因，采取合理措施控制變形的進一步發展。

（2）路基沉降受D 型便梁穿橫縱梁開挖施工的影響較大，D 型梁施工后應加強路基及軌道振搗處理，控制后續變形；施工過程中應根據自動化監測數據及時整道，填補道砟，以恢復軌道的平順性；施工完成后，應對鐵路路基結構和軌道平順度進行檢查，如發現異常現象，應及時進行相應處理。

（3）下行線路基及接觸網沉降變形較上行線明顯，區間隧道下穿施工前應預先考慮解放橋站基坑施工對鐵路路基、軌道和接觸網變形的影響，采取有效的注漿加固措施改良土質，增強土體承載力，減小鐵路線路結構的變形。