李鸿博

摘 要：以合肥轨道交通某线区间隧道下穿合武上下行线、桃东上下行线、电厂专用线为工程背景，采用Midas GTS建立三维模型模拟实际工况，在分析上下叠落式盾构隧道穿越时铁轨变形规律的基础上，对比研究地层未加固与预加固两种方案。研究表明：在未加固方案下，铁轨最大沉降和水平位移分别为6.03mm、1.25mm，在预加固方案下，铁轨最大沉降和水平位移分别为3.35mm、0.70mm，即地层预加固可有效减小盾构下穿对铁轨变形的影响。

关键词：盾构隧道数值模拟注浆加固路基铁轨变形

中图分类号： U458.1    文献标识码：A

Study on Influence of Tracks Deformation Caused by Shield Tunnel Crossing under High-Speed Railway Subgrade

LI Hongbo

（China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.，Ltd.， Wuhan，Hubei Province，430063 China）

Abstract：Taking one line of Hefei Rail Transit passing under railways of the Hefei-Wuhan Line、the Taodong Line and the Power Plant Special Lineas project background， Midas GTS was used to establish a three-dimensional numerical model to simulate actual working conditions. Based on the analysis of the rule of railway subgrade deformation caused by over-lapped shield tunnel crossing， a comparative study was made on the use or absence of stratum reinforcement. Studies have shown that： in the non-reinforced condition， the maximum settlement and horizontal displacement of the rail is 6.03mm and 1.25mm; in the reinforced condition， the maximum settlement and horizontal displacement of the rail is 3.35mm and 0.70mm. That is， the pre-reinforcement of the ground can effectively reduce the influence of the shield tunnel on the deformation of the rail.

Key Words： Shield tunnel; Numerical simulation; Grouting reinforcement; Subgrade; Rail deformation

如今轨道交通飞速发展，其线网辐射范围及敷设密度日益增大，与既有高铁路网相交难以避免，时常出现地铁隧道下穿运营铁路的情况，而在确保既有铁路安全运营的前提下，完成地铁隧道顺利穿越通常是地铁工程建设过程中的重难点及咽喉点。

张忆[1]以武汉两湖隧道工程为背景，对15.5m大盾构直径下穿6条铁路线进行了三维数值模拟，对盾构隧道下穿过程中路基及接触网立柱的沉降特点进行分析;李围等[2]以深圳地铁7号线为背景，根据实际监测数据，对重叠盾构隧道下穿26条高铁股道群产生的地表沉降进行分析，验证了轨道支撑、路基加固、隧道内支撑多重加固体系对轨道路基变形控制的可靠性和实用性;孙连勇等[3]采用Abaqus软件对地铁盾构隧道下穿两条相互平行的胶济铁路路基段、胶济铁路客运专线桥梁段进行数值模拟，分析加固与不加固两种工况下路基及桥墩的沉降变形，肯定了钻孔灌注桩加固方案对控制变形的积极作用。

目前关于盾构隧道穿越铁路已有大量文献研究，但对上下叠落式地铁隧道在不同穿越阶段对铁路路基钢轨变形影响的规律性研究还较为欠缺。本文运用三维有限元软件Midas GTS进行数值模拟，分析在盾构隧道不同工况、不同施工方案情况下铁路轨道的变形规律。

1  工程概况

1.1  區间隧道与铁路相互关系

区间采用盾构法施工，由北向南先后掘进右线、左线，隧道衬砌为外径6.2m、内径5.5m、厚度0.35m的C50钢筋混凝土预制管片。

平面上，区间隧道依次下穿电厂专用线、合武上行线、桃东上行线、桃东下行线、合武下行线路基段。剖面上，区间隧道呈左线在上、右线在下叠落式分布，两者竖向净距约5.16～5.29m。下穿铁路段：左、右线隧道纵坡分别为7.8‰、5.0‰，左、右线隧道覆盖层厚度分别为18.01～18.35m、29.45～29.72m。

区间与铁路的平、剖面位置关系见图1、图2。

1.2  工程地质条件

本区间所在地貌为二级阶地，地形平缓开阔，自然坡度约3°～5°，绝对标高在23～32m之间。

拟建工程范围内无地表水，地下水主要为上层滞水、微承压水、基岩孔隙水、裂隙水。上层滞水主要赋存于人工填土中，水量微弱，分布不连续;承压水主要赋存于粉土、粉砂;基岩孔隙水主要分布在全风化泥质砂岩中;基岩裂隙水主要赋存于岩石强、中风化带中。

根据该地铁区间地质勘察报告，地层相关物理力学参数见表1。

1.3  方案比选

地铁穿越铁路时为控制铁轨变形，可采取的主动保护措施[4-6]有：地面注浆加固、D型便梁加固、管棚注浆加固、混凝土隔板+隔离桩等。

考虑到本区间左线隧道部分位于物理力学性质较差的粉土、粉砂层，不利于盾构穿越时的地面变形控制，易造成铁轨产生较大变形，影响铁路行车安全或速度。现对两种施工方案进行比选：方案一，对局部地层范围（左线隧道结构外各3m范围）采取地面袖阀管注浆加固措施;方案二，不采取地层预加固措施。

2  三维数值模拟

2.1  模型建立

本文采用有限元软件Midas GTS完成模型建立、网格划分、计算分析的全过程。

根据圣维南原理，为减小边界效应，隧道结构外左右两侧范围宜大于5倍洞径。设X轴为隧道横向，Y轴为隧道纵向，Z轴为隧道深度方向，沿隧道横向取66m，沿隧道纵向取100m，沿隧深度取60m，故岩土体的模型尺寸为：66m×100m×60m，三维数值模型共有单元数20145个，节点数28492个，详见图3。

2.2  参数选择

建模时，地层采用实体单元，材料为摩尔库伦本构，地层参数根据地勘报告取值;管片采用板单元，材料为弹性本构;铁轨采用梁单元，材料为弹性本构。钢轨及隧道支护结构参数取值见表2。

2.3  施工阶段模拟

为分析盾构隧道掘进过程中既有高铁轨道变形的影响规律，现模拟开挖过程中16个特征性工况，详见表3。

3  计算结果分析

3.1  铁轨竖向位移

在16个盾构掘进工况下，对地层加固与不加固两种施工方案分别进行模拟，分析合武上下行线、桃东上下行线、电厂专用线5条铁路股道群的竖向位移及竖向位移速率的变化规律，如图4、图5所示。

由图4可知：在工况1～工况8，即右线隧道开始掘进至贯通，铁轨沉降以较慢速率增长，有加固和未加固方案下铁轨沉降量分别为0.76mm、0.93mm;在工况9～工况16，即左线隧道开始掘进至贯通，铁轨沉降以较快速率增长，有加固和未加固方案下铁轨最终沉降量分别为3.35mm、6.03mm。

由图5可知：在工况1～工况8，各线铁轨沉降速率较小，均小于0.20mm/d;在工况9～工况16，各线铁轨沉降速率明显增大，有加固和未加固方案下最大沉降速率分别为0.41～0.68mm/d、0.83～1.34mm/d，且均出现在左线隧道掘进至铁轨正下方时。

3.2  铁轨水平位移

在16个盾构掘进工况下，对地层加固与不加固两种施工方案分别进行模拟，分析合武上下行线、桃东上下行线、电厂专用线5条铁路股道群的水平位移及水平位移速率的变化规律，如图6、图7所示。

由图6可知：在工况1～工况8，铁轨水平位移波动幅度较小，有加固和未加固方案下铁轨水平位移范围相近，约为-0.04～0.22mm;在工况9～工况16，铁轨水平位移波动幅度较大，有加固和未加固方案下铁轨水平位移范围分别约为-0.18～0.70mm，-0.39～1.25mm。

由图7可知：在工况1～工况8，各线铁轨水平位移变化速率较小，均小于0.06mm/d;在工况9～工况16，各线铁轨水平位移变化速率明显增大，有加固和未加固方案下水平位移变化速率在-0.26～0.20mm/d、-0.39～0.35mm/d范围波动。

4结语

（1）在地层未加固方案下，右线隧道掘进后铁轨产生的沉降增量为0.93mm，水平位移增量为0.22mm，约占总量的15.4%、17.6%;左线隧道掘进后铁轨产生的沉降增量为5.10mm，水平位移增量为1.03mm，约占总量的84.6%、82.4%。

（2）在地层预加固方案下，右线隧道掘进后铁轨产生的沉降增量为0.76mm，水平位移增量为0.21mm，约占总量的22.7%、30.0%;左线隧道掘进后产生的沉降增量为2.59mm，水平位移增量为0.49mm，约占总量的77.3%、70.0%。

（3）地层预加固可有效控制盾构隧道穿越对铁轨变形的影响。未加固方案下，铁轨的最大沉降、最大水平位移约为6.03mm、1.25mm;加固方案下，铁轨的最大沉降、最大水平位移约为3.35mm、0.70mm，分别减少44.4%、44.0%。

（4）本工程案例中，位于中风化岩层的右线隧道掘进对铁轨变形影响较小，位于粉土、粉砂层的左线隧道掘进对铁轨变形影响较大;铁轨沉降及水平位移的突变点基本都出现在隧道下穿该铁轨正下方工况。

参考文献

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[2] 叶至盛.地铁区间下穿成绵乐高铁设计方案研究[J].城市轨道交通研究，2016（3）：56-60.

[3] 张忆.超大直径盾构下穿既有铁路群安全性评估研究[J]. 铁道勘测与设计，2020（3）：54-59.

[4] 李围，任立志，孟庆明，等.盾构区间重叠隧道下穿高速铁路轨道群加固技术体系研究[J].现代隧道技术，2018，55（6）：191-196.

[5] 孙连勇，黄永亮，王启民，等.地铁盾构隧道下穿既有铁路变形控制研究[J].现代隧道技术，2018，55（5）：140-145.

[6] 游龍飞，王效文，龚颜峰，等.盾构下穿新建铁路站场地基预处理技术研究[J].铁道工程学，2012（6）：105-108.