巫裕斌，張夢(mèng)楠，漆泰岳，李 延

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著我國(guó)鐵路和城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，不同交通形式的空間交叉問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越多，地鐵隧道下穿既有鐵路的情況也會(huì)越來(lái)越常見(jiàn)，高速列車(chē)正常的運(yùn)行以及地鐵隧道下穿過(guò)程中的安全等問(wèn)題也會(huì)越來(lái)越突出。其中，關(guān)于加固方案和沉降控制的研究成果較多，徐干成等［1］通過(guò)數(shù)值模擬認(rèn)為對(duì)下穿段一定范圍內(nèi)土體進(jìn)行注漿加固可以有效地控制既有鐵路的沉降;霍軍帥等［2］分析了板樁組合結(jié)構(gòu)加固方案的適用性;許愷等［3］分析了列車(chē)速度對(duì)地鐵施工和地表沉降的影響并提出合理的列車(chē)限速值。

地鐵建成投入運(yùn)營(yíng)后，地表高鐵列車(chē)通過(guò)時(shí)仍然對(duì)該下穿段地鐵的圍巖和隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》，列車(chē)荷載采用擬靜力法進(jìn)行簡(jiǎn)化，即在靜荷載作用的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)放大系數(shù)用來(lái)模擬動(dòng)荷載。但是根據(jù)目前的發(fā)展?fàn)顩r，高速鐵路列車(chē)速度越來(lái)越快，擬靜力法的適用性越來(lái)越差。因此，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究移動(dòng)荷載對(duì)地基的影響。張學(xué)鋼等［4］研究了地鐵移動(dòng)荷載作用下軟土地基的沉降特性并進(jìn)行了動(dòng)力分析;張玉娥等［5］根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出列車(chē)激振荷載表達(dá)式。本文以實(shí)際工程為背景，采用MIDAS/GTS建立地鐵隧道下穿高速鐵路路基的有限元模型進(jìn)行動(dòng)力分析，分析高鐵列車(chē)以不同速度通過(guò)時(shí)對(duì)地表的動(dòng)力響應(yīng)和變形情況，通過(guò)對(duì)比分析給出列車(chē)通過(guò)該段的建議時(shí)速。

1 工程概況

廣州某地鐵下穿廣州火車(chē)北站段，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)穿越鐵路下方隧道長(zhǎng)度約100 m，其間下穿武廣客專2條股道，隧道與軌道間的平面夾角大致為70°，其位置關(guān)系如圖1。下穿段地鐵區(qū)間隧道埋深約為7.8～9.0 m。為滿足工后沉降需求，對(duì)區(qū)間隧道上方一定范圍進(jìn)行注漿加固，加固區(qū)域?qū)?3.5 m，高4.5 m，其頂部距地表4 m。注漿孔布置為縱向間距6 m，排距6 m，梅花形布置。根據(jù)武廣客專廣州北站部分地質(zhì)鉆孔資料，該地段地貌上屬于河流沖洪積平原，地勢(shì)平坦寬廣，局部為剝蝕壟狀殘丘，揭露第四系地層為人工填土，沖洪積砂層和黏性土層及殘積層，基巖為石炭系灰?guī)r。

廣州北站作為武廣客專的中途站，絕大部分列車(chē)將按照設(shè)計(jì)速度約300 km/h越行通過(guò)。而路基、軌道平整度直接影響高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全，加之下穿淺埋地鐵盾構(gòu)隧道條件復(fù)雜，有必要先通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)列車(chē)通過(guò)速度對(duì)路基、地鐵隧道的影響以及該設(shè)計(jì)通過(guò)速度是否合理進(jìn)行討論。

2 數(shù)值模型建立

本文使用MIDAS/GTS建立該下穿段的三維有限元模型。建模過(guò)程中做如下幾點(diǎn)考慮:

1)軌道板、支撐層視為一個(gè)整體，軌道板、土體、注漿體采用實(shí)體單元模擬，采用摩爾—庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則;管片通過(guò)析取隧道單元獲得，視為彈性單元。

2)列車(chē)移動(dòng)荷載簡(jiǎn)化為作用在軌道板中心線上隨時(shí)間變化的均布荷載，假設(shè)兩軌道板上列車(chē)荷載移動(dòng)方向相同，即模擬兩列車(chē)同向通過(guò)時(shí)的情況，列車(chē)通過(guò)速度分別取80，120，200 和300 km/h。

3)日本《板式軌道用路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工手冊(cè)》中規(guī)定，新干線采用的路基撓曲量為L(zhǎng)/1600(L為按照簡(jiǎn)支梁的撓曲假設(shè)時(shí)的假設(shè)跨度)，撓曲曲面為半正弦波形。根據(jù)此規(guī)定，當(dāng)L=20 m時(shí)，其不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為 12.5 mm/20 m［6］。

德國(guó)鐵路技術(shù)規(guī)范對(duì)路基沉降量也作出了相應(yīng)的規(guī)定。對(duì)于無(wú)砟軌道工后總沉降SR不允許超過(guò)最大調(diào)整量減去5 mm，當(dāng)路基長(zhǎng)度＞20 m且為均勻沉降時(shí)，可以將工后沉降量提高為折減調(diào)整量的2倍，控制標(biāo)準(zhǔn)為30 mm/20 m，其中扣除的5 mm是預(yù)留的由通車(chē)后列車(chē)荷載引起的常規(guī)基礎(chǔ)沉降［7］。

我國(guó)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》及《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》規(guī)定，無(wú)砟軌道路基工后沉降一般不應(yīng)超過(guò)扣件允許調(diào)整的沉降調(diào)高量15 mm。對(duì)于長(zhǎng)度＞20 m且均勻沉降的路基，如果調(diào)整軌面高程后(軌面為圓順的豎曲線)，允許將最大工后沉降調(diào)至30 mm［8］。

在已有下穿工程中，北京地鐵14號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿京津城際高速鐵路的路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為15 mm。由于下穿淺埋隧道工程實(shí)例較少并且本文進(jìn)行動(dòng)力分析，工程條件相對(duì)復(fù)雜，結(jié)合上述數(shù)據(jù)并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)條文規(guī)范，擬定路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為20 mm。

2.1 幾何尺寸擬定

模型擬采用尺寸:寬×高×長(zhǎng)=60 m×90 m×25 m。圓形隧道半徑為3 m，襯砌厚度為0.3 m，拱頂距地表9 m;左右線間距為12 m，距模型邊界均為18 m;軌道板寬×高=2.8 m×0.24 m。

2.2 力學(xué)參數(shù)擬定

根據(jù)該段巖土地質(zhì)勘察報(bào)告，模型計(jì)算所需材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示［9］。表中土層分布按照從地表向下的順序排列。

2.3 荷載擬定

在缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，參考現(xiàn)有的研究成果及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論，主要根據(jù)參考文獻(xiàn)［10］確定列車(chē)激振荷載表達(dá)式為

式中:P0為列車(chē)車(chē)輪靜載;Pi為相應(yīng)頻率的震動(dòng)荷載幅值，Pi=M0αiω2i，M0為列車(chē)簧下質(zhì)量，αi為相應(yīng)于不平穩(wěn)控制條件下的幾何不平順矢高(鋼軌基本振動(dòng)振幅)，ωi為振動(dòng)圓頻率，ωi=2πvi/L，vi為列車(chē)的行車(chē)速度，L為鋼軌幾何不平順曲線的波長(zhǎng)。

取單邊靜輪載 P0為125 kN，簧下質(zhì)量 M0為750 kg，矢高αi為14 mm，波長(zhǎng)L為2 m。以列車(chē)通過(guò)速度v=80 km/h為例，由式(1)求得列車(chē)荷載前10 s的列車(chē)激振荷載的時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 列車(chē)荷載時(shí)程曲線(v=80 km/h)

2.4 約束條件擬定

根據(jù)動(dòng)力計(jì)算相關(guān)理論，首先要先計(jì)算模型的特征值，然后選擇模態(tài)較大的頻率作為基準(zhǔn)計(jì)算模型的瑞利阻尼系數(shù)。因此，用彈性吸收邊界模擬模型約束條件。約束邊界計(jì)算公式如下［11-12］

3 計(jì)算結(jié)果

列車(chē)高速通過(guò)必然會(huì)引起地表及以下一定范圍內(nèi)土層的振動(dòng)而產(chǎn)生變形，并且有可能影響隧道結(jié)構(gòu)和高鐵行車(chē)安全，有必要關(guān)注沿軌道板軸線地表的最大沉降和地鐵隧道拱頂?shù)淖畲笪灰埔约皠?dòng)力響應(yīng)。

3.1 最大位移

列車(chē)通過(guò)后地表沉降的最大位置均位于模型地表中部軌道板沿線上。v=80 km/h時(shí)，軌道板下方路基最大沉降值為18.5 mm;v=120 km/h時(shí)，最大沉降值為20.4 mm;v=200 km/h時(shí)，最大沉降值為26.5 mm;v=300 km/h時(shí)，最大沉降值為28.8 mm。根據(jù)本文前述所擬定的沉降標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)列車(chē)速度＞200 km/h時(shí)沉降值已超限。列車(chē)高速通過(guò)下穿段時(shí)會(huì)造成地表部分區(qū)域隆起，當(dāng)車(chē)速為300 km/h時(shí)，隆起的區(qū)域距離軌道板較近，隆起最大值為19.2 mm。

列車(chē)以不同速度通過(guò)時(shí)沿軌道板軸線方向地表的最大總沉降如圖3所示。

圖3 地表最大位移曲線

3.2 位移時(shí)程結(jié)果

模型地表中部的位移隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。由圖4可以明顯看出地表最大瞬時(shí)沉降值隨列車(chē)通過(guò)速度的增加而增大;位移衰減程度隨著列車(chē)通過(guò)速度的增大而減小。

圖4 地表沉降時(shí)程結(jié)果曲線

4 結(jié)論

1)高鐵列車(chē)通過(guò)時(shí)列車(chē)荷載對(duì)地表沉降影響較大并且受列車(chē)通過(guò)速度影響很大。當(dāng)以300 km/h的速度通過(guò)時(shí)地表產(chǎn)生的沉降最大達(dá)到28.8 mm，并且會(huì)造成地表較大范圍內(nèi)土體隆起。

2)根據(jù)地表的沉降時(shí)程曲線，受列車(chē)荷載波動(dòng)影響最大沉降發(fā)生在列車(chē)完全通過(guò)后一定時(shí)間內(nèi)。通過(guò)速度越大，地表位移衰減速度越慢，振動(dòng)范圍越大，振動(dòng)周期越短。

3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，列車(chē)通過(guò)下穿段的速度改變對(duì)地表沉降和地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響較大，當(dāng)車(chē)速＞200 km/h時(shí)，地表沉降＞20 mm，將會(huì)影響行車(chē)安全，并且對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響也相對(duì)較大。因此，當(dāng)?shù)罔F隧道處于施工狀態(tài)時(shí)，建議高鐵列車(chē)通過(guò)速度≤120 km/h;地鐵隧道竣工投入運(yùn)營(yíng)后，建議高鐵列車(chē)通過(guò)此段時(shí)將車(chē)速控制在200 km/h內(nèi)。

4)雖然路基沉降滿足既定要求，但是根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，沉降量仍然偏大?？梢酝ㄟ^(guò)改變注漿體參數(shù)或者采用其他注漿方式以提高注漿體強(qiáng)度，控制路基沉降量在更小的范圍內(nèi)。

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