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既有铁路路基沉降控制指标
由于铁路路基沉降值涉及到铁路轨道结构安全及铁路行车安全 ， 其控制指标应当充分考虑既有铁路 轨道变形控制标准， 并根据既有铁路现状周边设施， 参考国内类似工程经验和现场测试数据 ， 在综合考虑 制定路基沉降控制标准， 见表 2 。 理论计算分析值的基础上考虑一定的安全系数 ，
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1． 1
工程背景
工程简介
北京市新建地铁盾构区间下穿既有铁路 ， 下穿区域内既有铁路线间 8． 1 m + 5． 7 m ， 距从北向南依次约为 盾构隧道与既有铁路相交角约为 83° 。现状路基宽度约 18 m， 三股铁路轨道均为 60 kg / m 钢轨， 电气化铁 路。铁路采用 1 级碎石道碴。 既有铁路是我国南北铁路干线， 设计时速 120 km / h。目前， 铁路正在进行电气化改造， 改造后时速为 160 km / h。 穿越处盾构区间隧道左右线线间距为 15． 2 m， 隧道顶部覆土厚为 23． 3 m， 区间纵坡为 8． 773‰。 盾构管片外径 6 m， 壁厚 0． 3 m， 环宽 1． 5 m。盾构施工时， 分两次从北向南穿越既有铁路。 1． 2 工程地质
垂直盾构方向的路基沉降
3． 2． 2
既有铁路水平位移 41 开挖步代表左线区间贯通。 其中 21 开挖步代表右线区间贯通，
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石家庄铁道大学学报（ 自然科学版）
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图8
沿盾构方向土体竖向位移云图
图9
测点水平位移图
图 10
沿盾构方向土体水平位移云图
3． 2． 3
盾构施工过程既有铁路路基变形分析 通过对土体位移变化分析可知， 既有铁路路基竖向位移最大值为 11． 82 mm， 横向位移最大值 3． 01
20 及 21 开挖步时， 位移值随着开挖进尺不断向前推进而逐渐增大 。在逼近 19 、 位移趋近于稳定， 随后的 开挖步表现出于前面开挖步一样的沉降规律 。 （ 2 ） 垂直盾构方向的路基沉降。从计算结果可以得出， 区间左右线均贯通阶段， 垂直于盾构方向的测 “沉降槽” ， 线沉降曲线呈现如 距离模型中心线约远， 地面沉降值越小， 地面沉降最大点在测点 11 ～ 测点 12 范围内。其中测点 11 ～ 测点 12 范围对应盾构区间左、 右线中心线。
变形 竖向变形 横向变形
计算区域主要根据既有铁路轨道以及新施工盾构区间的平面 、 剖面关系， 并满足一定边界效应的要 。 100 m × 60 m × 60 m 。 求来确定 模型尺寸为
图2
模型整体轴测图
图3
模型网格轴测图
3． 1． 2
计算荷载
（ 1 ） 拟建地铁区间施工期间考虑土层 、 结构及盾构机的自重荷载。 （ 2 ） 既有铁路列车运行拟静力荷载； 列车运行荷载转换为静荷载计算， 考虑到铁路股道间距， 按照作 用于所有股道折算。 （ 3 ） 开挖掌子面施加的顶推力。盾构的推进过程中， 为了平衡掌子面前方水土压力， 要在盾构开挖面 给予开挖土体一定的盾构推力。结合施工设计资料， 盾构推力布置方式如图 5 所示。 （ 4 ） 边界条件。在整体计算模型中， 采用位移边界条件。土体模型的顶面即地表设为自由边界 ， 底面 为竖向约束， 四周为法向约束。 （ 5 ） 参数选取。土层采用德鲁克Prager） 模型， 普拉德（ Drucker结构采用线弹性模型。 土层材料参数 见表 1 ， 结构材料参数见表 3 。
图1 盾构隧道与既有
铁路位置关系平面示意图
据地勘资料显示， 穿越段主要地层为由上至下依次为粉土填土 ① 层、 圆砾 ②5 层、 卵石 ⑤ 层、 泥岩 瑏 瑣1 层和砾岩 瑣层。 瑏
表1 土岩名称 粉土填土① 圆砾②5 卵石⑤ 砾岩 瑣 瑏 泥岩 瑣1 瑏 砾岩 瑣 瑏 泥岩 瑣1 瑏 砾岩 瑣 瑏 容重 γ / （ kN·m － 3 ） 16． 5 20． 8 21 23 20 23 20 23 弹性模量 E s / MPa 20 35 70 100 5． 6 100 5． 6 100 土层参数表 泊松比 μ 0． 45 0． 40 0． 40 0． 25 0． 2 0． 25 0． 2 0． 25 凝聚力 c / （ kPa 8 0 0 40 45 40 45 40 内磨檫角 φ / （ °） 10 35 40 35 30 35 30 35 层厚 / m 3． 5 4． 5 10 3． 5 7 3 13 15． 5
结构 盾构管片 盾构钢壳 等代层 材料 钢砼 C50 钢 注浆层 表3 弹性模量 E s / GPa 34． 5 × 0． 7 255 2． 5 结构材料参数表 泊松比 μ 0． 18 0． 2 0． 3
－3 容重 γ / （ kN·m ） 26 9 400 15
截面尺寸 / mm 300 （ 环宽 15 00 ） 100 110
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盾构施工引起的地面沉降模拟分析
表2
既有铁路路基沉降值控制指标建议 mm 预警值 12 4 报警值 14 5 控制值 16 6
新建地铁盾构区间施工过程中， 由于开挖扰动、 地层损失 和固结沉降等因素会引起地层产生移动和变形， 导致附存于
地层中的既有铁路结构随之发生移动和变形， 与铁路结构相 关联的重要结构物也将发生移动和变形 。运用岩土与隧道工程专用有限元分析软件 MIDAS / GTS 建立地 层结构模型分析新建地铁区间盾构施工引起的既有铁路路基的变形 。 3． 1 3． 1． 1 三维有限元模型 计算范围
地铁盾构隧道下穿既有铁路安全性分析
刘春阳， 张 鹏， 张继清
（ 铁道第三勘察设计院集团有限公司 ， 天津 300251 ）
摘要： 新建北京某地铁盾构隧道下穿既有国家一级铁路干线 ， 为此对盾构下穿铁路过程进 预测施工引起的既有铁路路基扰动 、 轨道结构变形， 在此基础上评价既有铁路结构是否 行分析， 安全， 轨道是否满足运营要求。 关键词： 地铁； 盾构隧道； 铁路； 地基沉降； 安全性分析 随着城市轨道交通行业的迅猛发展 ， 盾构法在城市地铁隧道施工中的进行了广泛应用， 出现了大量 新建地铁隧道穿越既有铁路的工程 。 新建地铁盾构隧道下穿既有铁路线路过程中不可避免会造成开挖 面周围土体的扰动， 进而引起 地表变形， 使既有铁路线路发生隆沉变形， 过大的变形甚至会影响铁路的运 营安全。由此， 在地铁盾构隧道施工前， 有必要对下穿既有铁路工程进行安全性评估。 结合北京市某地 铁盾构隧道工程， 对盾构下穿既有铁路进行铁路路基沉降分析研究 ， 评估既有铁路结构安全性。
mm， 满足评估标准要求。
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结语
采用三维有限元模型对新建地铁区间盾构施工引起的既有铁路路基变形进行分析 。计算结果表明： 铁路路基沉降及水平位移均满足控制指标要求 。 按照现有设计及施工方案， 盾构隧道下穿铁路施工时， 是能够保证既有铁路运营安全的 。
参
考
文
献
［ 1］ J］ ． 岩土力学， 2009 ， 30 （ S2 ） ： 269． 徐干成， 李成学， 王后裕， 等． 地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析［ ［ 2］ J］ ． 地下空间与工程学报， 2008 ， 4 （ 5 ） ： 861． 王庆国， 孙玉永． 旋喷桩加固对控制盾构下穿铁路变形数值分析［ ［ 3］ D］ ． 成都： 西南交通大学， 2006． 王余龙． 在既有铁路列车动力影响下的三管盾构隧道力学行为及对策研究［ ［ 4］ J］ ． 中国铁道科学， 2007 ， 28 （ 2 ） ： 12． 吕培林， 周顺华． 软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析［ ［ 5］ J］ ． 地下空间与工程学报， 2005 ， 1 （ 2 ） ： 247． 边金， 陶连金， 郭军． 盾构隧道开挖引起的地表沉降规律［
1． 3
分析思路 结合新建地铁隧道与既有轨道结构相对位置 ， 建立三维计算模型， 详细模拟新建地铁隧道盾构下穿
0815 收稿日期： 2013作者简介： 刘春阳 男 1987 年出生 助理工程师
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既有铁路的施工过程，以提供轨道结构变形及相关分析结果 。根据计算结果分析盾构下穿过程对既有铁 路的安全性影响， 对既有铁路保护方案和新建地铁区间施工过程等提出建议 。
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增刊
石家庄铁道大学学报 （ 自然科学版 ）
Vol． 26
Supp．
2013 年 9 月 JOUＲNAL OF SHIJIAZHUANG TIEDAO UNIVEＲSITY （ NATUＲAL SCIENCE ） Sep． 2013
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施工过程模拟 盾构开挖过程为： 先开挖左线， 左线开挖完毕后再开挖右线。 左右线开挖均采用 1． 5 m 的开挖进尺，
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图4
列车动荷载
图5
盾构推力
左右隧道各分 40 步开挖。 每一步盾构施工过程分为盾构到达前的挤压扩张 、 刀盘开挖、 衬砌安装与盾尾填充注浆三个阶段来 模拟。 （ 1 ） 在盾构的推进过程中， 为了平衡土压力， 要在盾构开挖面给予开挖土体一定的土压力， 以防止开 挖面地表出现隆起或下沉。 （ 2 ） 钝化开挖隧道土体和隧道外层间隙土 ， 间隙土厚度包括盾尾操作间隙和盾构壳厚度之和 ， 激活盾 构钢壳单元。 （ 3 ） 钝化第二步激活的盾构钢壳单元 ， 激活相应位置的混凝土管片单元 ， 激活管片外围的间隙土单元 并用注浆单元属性代替原间隙土属性 ， 模拟盾构通过及盾尾注浆过程。 3． 2 计算结果 新建地铁区间盾构施工会对既有铁路产生一定程度的附加变形影响 ， 从既有铁路路基沉降和水平位 移两个方面进行分析计算结果。 3． 2． 1 既有铁路路基沉降 （ 1 ） 沿盾构方向的路基沉降。其中 21 开挖步代表右线区间贯通， 41 开挖步代表左线区间贯通。 从计算结果可以得出， 盾构穿越到达既有铁路处时， 由于盾构掘进造成既有铁路路基产生向下位移 ，