既有铁路列车运营对新建下穿隧道的振动影响.pdf

——文章编号：１００９４５３９（２０１７）０６００１９一０４・科技研究・既有铁路列车运营对新建下穿隧道的振动影响刘晓宝（中铁十五局集团第一工程有限公司陕西西安７１００１６）摘要：以在建的某城际铁路暗挖隧道段下穿既有铁路线路为工程背景，对既有铁路列车运营对下穿隧道的振动影响展开研究，得到如下结论：因施工前对既有铁路线路采取的预加固措施及对既有铁路的运行速度的限制，有效减小了既有铁路运营对新建隧道带来的影响，列车动荷载引起的隧道内力及变形并不显著，不需要单独进行加固措施设计。关键词：既有铁路下穿隧道列车运营振动中图分类号：Ｕ４５６文献标识码：Ａ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１７．０６．００５ＶｉｂｒａｔｉｏｎＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａＮｅｗｌｙ・ｂｕｉｌｔＵｎｄｅｒｃｒｏｓｓｉｎｇＴｕｎｎｅｌＣａｕｓｅｄｂｙｔｈｅＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆａｎＥｘｉｓｔｉｎｇＲａｉｌｗａｙＴｒａｉｎＬｉｕＸｉａｏｂａｏ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ‘“１５ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ”１Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ’Ｃｏ．Ｌｔｄ．，ＸｉａｎＳｈａａｎｘｉ７１００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓａｎｉｎｔｅｒｃｉｔｙｒａｉｌｗａｙｗｈｅｒｅａ—ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｅｘｃａｖａｔｅｄｔｕｎｎｅｌｐａｓｓｅｓｔｈｒｏｕｇｈａｎｅｘｉｓｔｉｎｇｒａｉｌｗａｙｌｉｎｅａｓｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆａｎｅｘｉｓｔｉｎｇｒａｉｌｗａｙｔｒａｉｎｏｎｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｃｒｏｓｓｉｎｇｔｕｎｎｅｌｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｃａｎｂｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄ：ｓｉｎｃｅｔｈｅｐｒｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓｔａｋｅｎｆｏｒｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｒａｉｌｗａｙｌｉｎｅｓｂｅｆｏｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｒａｉｌｗａｙ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆａｎｅｘｉｓｔｉｎｇｒａｉｌｗａｙｏｎａｎｅｗｌｙ－ｂｕｉｌｔｔｕｎｎｅｌｉｓｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｓｏｆｔｈｅｔｒａｉｎａｒｅｎｏｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ，ｗｈｉｃｈｍｅａｎｓｔｈｅｒｅｉｓｎｏｎｅｅｄｔｏｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｉｓｔｉｎｇｒａｉｌｗａｙ；ｕｎｄｅｒｃｒｏｓｓｉｎｇｔｕｎｎｅｌ；ｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｒａｉｎ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ１工程概况随着我国经济的发展，铁路运力需求十分紧张，越来越多的铁路项目投入建设，不可避免地引起新建铁路与既有线路立体交叉。我国是一个多山的国家，需要修建大量隧道¨ｊ，新建隧道下穿铁路是一种常见的近接施工类型。由于隧道施工会引起线路下沉，两轨道的不均匀沉降将会加大列车——收稿日期：２０１７０３２１基金项目：中铁十五局集团有限公司科技研究开发计划项目（２０１４８１）作者简介：刘晓宝（１９７８一），男，高级工程师，主要从事土木工程研究。轮轨间接触应力，使路基承受列车荷载加大，从而使隧道受到的外荷载增大旧Ｊ，使隧道发生初支变形、衬砌开裂的风险。为保障线路运营及隧道施工安全，探明铁路运营时动荷载对下穿隧道所造成的影响性大小具有一定工程指导意义。某城际轨道交通暗挖隧道段５次下穿既有铁路线，依次为铁路１线，铁路２线（里程为ＧＤＫ５０＋３５８），最后穿越３、４、５线（见图１），成为隧道施工过程中的重点控制工程区段。由于上述铁路线路属区域内重要客货运通道，施工中列车将正常运营，因此不可避免地会对新建隧道产生影响。铁道建篱技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７ｆ０６Ｊ１９万方数据・科技研究・图１新建城际隧道穿越既有铁路线路新建隧道穿越既有铁路区段的埋深在１６．０８～３２．１７ｍ之间，主要位于强一弱风化泥质粉砂岩中，其断面形式为单线单洞马蹄形断面，净宽为７．３０ｍ，净高约９．０ｍ，结构采用复合式衬砌。因隧道穿越铁路２线（里程为ＧＤＫＳＯ＋３５８）处埋深为１６．０８ｍ（最浅），且隧道洞身大部分位于强风化泥质粉砂岩中，地质条件较穿越其他线路更为复杂，故本文仅列出该位置处的横断面示意图（见图２），并以其为研究对象开展列车运行对新建隧道的动力影响性研究。素填土全风化混礁粉砂％强风化尼质粉砂岩弱风化混暖粉砂毫表１暗挖隧道下穿既有铁路施工时的加固措施既有线地质情况地面措施洞内措施隧道洞身位（１）限速６０ｋｍ／ｈ；（２）隧道（１）隧道洞内径铁路于弱风化泥开挖影响２０ｍ范围内加固：向止水注浆；质粉砂岩，①既有线轨道两侧５ｍ，间距ｌ线１．５②ｍ进行跟踪注浆；采用（２）加强衬砌断拱顶埋深约Ⅳ面为级围岩３０．７８ｍ吊轨及纵横工字钢梁加固法对深埋复合式｝ｄ砌既有线进行加固（备用方案）隧道洞身位（１）限速６０ｋｍ／ｈ；（２）隧道（１）隧道洞内铁路于强～弱风开挖影响２０ｍ范围内加固：径向止水注化泥质粉砂①既有线轨道两侧５ｍ，间距浆；（２）加强衬２线１．５②ｍ进行跟踪注浆；采用Ⅳ砌断面为级岩中，拱顶埋吊轨及纵横工字钢梁加固法对围岩深埋复合深约１６．０８ｉｎ既有线进行加固（备用方案）式衬砌隧道洞身位（１）限速８０ｋｍ／ｈ；（２）隧道（１）隧道洞内铁路于弱风化泥开挖影响２０ｍ范围内加固：径向止水注３、４、质粉砂岩中，①既有线轨道两侧５１１３，间距浆；（２）加强衬５线拱顶埋深约１．５②ｎｌ进行跟踪注浆；采用Ⅳ砌断面为级吊轨及纵横工字钢梁加固法对围岩深埋复合砣．１７ｍ既有线进行加固（备用方案）式衬砌对于表１中备用方案的选择原则如下：如轨道沉降或不均匀沉降超过６ｍｍ时ＨＪ，首先进行补填道砟控制沉降，如沉降速率过大可采取备用方”案Ｊ。同时加强跟踪注浆，跟踪注浆采用单液浆，注浆量应为理论孔隙量的１５０％～２００％。在正常跟踪注浆后，施工过程中需根据监控量测情况对路∞基进行二次补充注浆ｏ如图３昕示ａ．跟踪注浆ｂ铁路路基监测点位图３既有铁路线路加固措施与监测点布置图２铁路２线与新建隧道相对位置横断面图在新建隧道施工至对既有线路影响范围内时，２保障既有铁路安全运营的对策措施施工中应增加测线并加密监控量测的频率，还应定时对既有线路开展调查、巡检工作。在施工期间对为避免新建隧道施工对既有轨枕及路基的扰…既有线路开展爆破振动监测。如监控量测、巡检动，保证暗挖段施工期间铁路的安全和正常运营，发现异常，应及时上报相关单位，采取措施，确保既新建隧道施工前对既有铁路线路采取了预加固措有线路运营安伞．施并制定了备用方案，同时针对新建隧道也制定了新建隧道应采用控制爆破技术进行掘进，施工洞内加固方案＂１，且为避免既有铁路运行过程中速“”中遵循短进尺、多台阶、强支护的施工原则进行度过高可能带来的新建隧道施工安全问题，施工中开挖，并辅以打浅眼、多钻眼、少装药等技术措施，对既有铁路的运行速度进行了限制（见表１）。尽量减小因爆破震动对围岩的扰动，降低爆破施工２０钐｝道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０６Ｊ万方数据・科技研究・对既有铁路设备设施的影响。在控制爆破依然可能影响安全段落采用机械开挖的方式㈥。３既有铁路运营对新建城际隧道动力影响分析’３．１计算原理【９（１）对于结构动力计算，目前多采用结构动力学理论，基本理论为结构的动力平衡方程：”’［Ｍ］｛占｝＋［ｃ］｛６｝＋［Ｋ］｛艿｝＝｛Ｆ｝（１）式中，［Ｍ］为结构的质量矩阵；［ｃ］为结构的阻尼矩∥阵；［Ｋ］为结构的刚度矩阵；｛｝为节点的加速度；’｛６｝为节点的速度；｛６｝为位移的向量矩阵；｛Ｆ｝为点动荷载向量矩阵。（２）采用Ｎｅｗｍａｒｋ隐式积分方法，并取其系数６＝０．５，ｙ＝０．２５。（３）阻尼采用通用的瑞利（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）阻尼，如式（２）所示：“［Ｒ］＝ｍ］＋所Ｋ］（２）式中系数ａ，ｐ可由式（３）、（４）两式联立求解得到。Ｏｔ＋肋；＝２ｔｏｉ￡（３）ＯＬ＋触；＝２ｔｏｊｆｊ（４）式中，６ｔｌｉ，０３；为前两阶自振圆频率；孝；，孝；为阻尼比，取为０．０ｌ。３．２列车荷载的确定考虑到现场及模拟试验受一定条件制约，实际计算结果不一定准确，本文采用国内外已有的经验数据进行荷载分析，根据本工程隧道所穿越线路的运曹隋况，以及现有列车相关研究资料【１０｜，计算时，取单侧静态轮重：机车Ｐｏｉ＝１１０ｋＮ，车辆Ｐｏｉ＝１０５ｋＮ，簧下质量统一取眠＝ｌ２００∥ｋＮｓ２／ｍ，考虑最大限速＝８０ｋｍ／ｈ的列车振动荷载，模拟出列车的激振荷载时程如图４所示。４．５４３．５——————————————————————————————１．５Ｌ－－－－・－－－－・－－－－－一０２３４５６７８９ｔ／ｓ图４列车轮载的振动荷载时程变化曲线３．３计算模型的建立根据图２中的铁路２线与新建隧道间的相对位置关系，建立三维计算模型如图５所示。模型建立“”时为消除边界效应的影响，上边界取至地表，下边界到隧道底部边界取３倍洞径，横向边界到隧道—边界取３５倍洞径，沿隧道纵向取长度４０ｍ进行计算¨１｜。计算中为消除散射波的影响，采用了粘弹性人工边界。图５动力计算模型３．４计算参数的选取计算参数的选取是依据本工程勘测资料与现场试验检验结果，并结合《铁路隧道设计规范》（ＴＢ—１０００３２００５）中围岩和材料的参数规范进行取值，具体参数见表２，其中加固区围岩参数的选取是采用了将原围岩级别提高一级的方式进行¨２｜；铁路路基参数的选取是参考《铁路线路设计规范》及《铁路路基设计规范》进行的，具体参数见表３。表２数值模拟计算参数取值密度／弹性模内摩擦黏聚名称泊松比ｙ（ｋｇ・ｍ一３）量Ｅ／Ｐａ角ｐ／（。）力Ｃ／Ｐａ弱风化泥质２５００ｌｅ９Ｏ．２５４０１０ｅ４粉砂岩强风化泥质２３０００．４ｅ９０．２８３５５．２ｅ４粉砂岩全风化泥质２２０００．１ｅ９Ｏ．３２２８２ｅ４粉砂岩素填土ｌ８０００．０５ｅ９Ｏ．３９１４０．２ｅ４喷射混凝土２３００２．８ｅ１０Ｏ．２锚杆７８００２．０ｅ１１０．２格栅钢架７８００“２ｅ０．３衬砌２５００３．１５ｅ１００．２表３铁路路基体基本参数值厚度／密度／弹性模内摩擦黏聚部位泊松比ｙ（ｋｇ・ｍ。）量Ｅ／Ｐａ‘角ｐ／（。）力Ｃ／Ｐａ路基体２２０００８０ｅ６０．３２８２５ｅ３铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０６）２，１万方数据・科技研究・３．５计算结果分析计算中选取了Ａ、Ｂ两个拱顶的测点作为研究对象，其中Ａ点位于铁路２线线路中心正下方，Ｂ点位于铁路２线路基边缘正下方。通过计算得到隧道拱顶Ａ点和Ｂ点的竖向位移的时程图。由图６可见，随着时间从０开始，意味着列车从边界驶向隧道，位移是从０开始增大，Ａ点在３．３４ｓ时，Ｂ点在２．８２ｓ达到振动位移的最大值，但量值很小，仅为３～４ｍｍ左右。当处于Ａ点位移最大时，列车前轮过洞约１０ｍ，其后转向架位于隧道上方，所以对结构最不利影响的位置是列车后转向架轮载作用在隧道上方时。列车通过后，在后续车辆的等间隔连续作用下，隧道结构呈简谐波式的动力响应Ｈ３｜。图６隧道拱顶特征点Ａ、Ｂ处的竖向位移时程隧道拱顶上的加速度时程见图７、图８，Ａ点在２．４ｓ和４．１ｓ时达到最大，约为２．４ｃｍ／￥２，Ｂ点在１ｓ和２．２ｓ时达到最大，约为２．０ｃｍ／￥２。馥图７隧道拱顶特征点Ａ处的竖向加速度时程ｔ＝３ｓ时的结构内力云图如图９所示，由列车运行引起路基的动应力，在线路的下方最大，向两边则逐渐减小。但从列车振动诱发的结构附加应力来看，量值均较小，对结构的影响甚微。铁道建筑技术彳、０，Ｅ蔷一０．一一１．一一２．‘”∞”、１、］ｑ：一一…、：：‘、４…”’｝、＿一、、、。㈧ｒ、“…’｜Ｉ＿｛＿＿＿ｄ：¨勺ｌ自力ｆ单位：ｋＮｌ图９时间ｆ＝３Ｓ时的隧道内力４结论通过分析列车运行振动对新建下穿隧道影响性研究，得到如下结论：（１）新建隧道施工前对既有铁路线路采取的预加固措施及施工中对既有铁路的运行速度的限制有效减小了既有铁路运营对新建隧道带来的影响。（２）对下穿段落施工开挖宜采用控制爆破技术或机械开挖方式保障施工和运营安全。（３）既有线路下方修建隧道，列车动荷载引起既有铁路基床及以下路堤附加动应力重分布，引起的动应力在线路下方最大，向两边则逐渐减小。（４）由列车动荷载引起的隧道内力及变形并不显著，动荷载影响深度较浅，对隧道的影响较小，不需要单独进行加固措施设计。（下转第４１页）ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯ￡－０ＧＹ２０１７ｆＤ６Ｊ万方数据・设计咨询・。Ｉｉ篡薹ｉＩ誉＝：＝Ｉ｝薹纂ｉｌ！蓝曼图７恒载＋０．７活载＋温度（＋）作用下位移云图８结束语（１）方案一悬挑钢结构屋盖网格间距２．０～２．５ｍ不等，有利于龙骨及外包铝板的安装；方案二网格间距８．４ｍ×３．７５ｍ，增加龙骨用量，施工不便。（２）通过对悬挑钢结构屋盖模型进行模态分析可知，方案一钢结构屋盖质量及刚度分布均匀，振型匀称，抗震性能良好。（３）选取３条地震波对悬挑桁架进行时程分析，反应谱位移幅值与ＴＨ２ＴＧ０３５地震波幅值接近，悬挑屋盖刚度较好。（４）选择４０种荷载组合进行杆件验算，结构内力验算满足规范要求。（５）悬挑钢结构屋盖整体性好，最大竖向位移９９ｍｎ＇ｌ，发生在东西两侧悬挑端，满足规范要求。对于大悬挑钢结构建筑，需要考虑结构刚度、强度、控制位移等诸多因素。管桁架结构施工方便，节约龙骨用量，整体刚度好，竖向位移小，经济安全。参考文献［１］周洪顺．大跨度钢桁梁多点同步连续顶推施工［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１６（６）：５７．［２］赵先忠．某工展中心大跨钢桁架吊装关键技术研究—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（１０）：６４６８．［３］中国建筑科学研究院．ＧＢ—５０００９２０１２建筑结构荷—载规范［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１２：７３１．［４］蒋玉川．ＭＩＤＡＳ在结构计算中的应用［Ｍ］．北京：化学—工业出版社，２０１２：１０２１４５．［５］中国建筑科学研究院．ＪＧＪ—７２０１０空间网格结构技—术规程［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１１：５５７９．［６］杨明杰．超限结构时程分析与中震分析［Ｊ］．铁道建—筑技术，２０１６（７）：１０３１０５．［７］王树，王明珠，张国军，等．多层大悬挑钢结构体系静力—与抗震性能设计［Ｊ］．建筑结构学报，２０１２（４）：７７８６．［８］高健，姜健，李一松．大悬挑钢结构拱形雨篷节点设计—与有限元分析［Ｊ］．结构工程师，２０１５（３）：１７２２．［９］董心德，陈利祥．高抗震设防烈度区大跨度悬挑钢结构观光平台设计［Ｊ］．建筑结构，２０１６（Ｓ１）：４９１－４９３．［１０］北京钢铁设计研究总院．ＧＢ—５０００１７２００３钢结构设—计规范［ｓ］．北京：中国计划出版社，２００３：１０８１７８．“”［１１］李开伦，徐志宏，马升东．海鸥大悬挑钢结构抗风—设计［Ｊ］．建筑结构，２００９（８）：９６９８．［１２］郭必武，董广武，张达生．湖北剧院扩建工程钢结构悬—挑楼座设计［Ｊ］．建筑结构，２００４（７）：１５１８．（上接第２２页）参考文献［１］石常康．轻型模板在铁路隧道斜切式洞门中的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（７）：４０一４３．［２］郑余朝．－－－－：／Ｌ并行盾构隧道近接施工的影响度研究—［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００６：１６８１．［３］朱明申．浅埋地铁大断面隧道下穿铁路的暗挖施工控制—与加固防护技术研究［Ｊ］．工程技术，２００６（３）：２１２２．［４］丁维利，赵永明，初厚永，等．浅埋大断面黄土隧道下穿既有铁路施工技术［Ｊ］．铁道标准设计，２００７（ｓ１）：—６７７１．［５］王俊生．既有铁路下方隧道施工的防护措施［Ｊ］．铁—道建筑，２０１３（１２）：４９５１．［６］刘杨，张海燕．下穿既有线浅埋暗挖双联拱大跨隧道—施工技术［Ｊ］．市政技术，２０１２，３０（２）：７８８０．铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹｃＯＮＳＴＲＵＣＴｌｏＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ———————●一＋－＋一＋．－卜一・卜一・卜－卜一－一・［７］曹海林．新建隧道下穿既有公路隧道施工技术［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１３（５）：５８６１．［８］中铁第四勘察设计院集团有限公司．新建福州至平潭铁路隧道施工图说明［ｚ］．武汉：中铁第四勘察设计—院集团有限公司，２０１３：７０７５．［９］丁祥．高速公路上跨既有铁路隧道爆破施工震动影响—分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（ｓ２）：１４８１５１．［１０］龚伦，郑余朝，仇文革．列车动载引起下穿隧道振动三—维数值分析［Ｊ］．现代隧道技术，２００８，４５（４）：２３２７．［１１］秦银刚，牛俊涛．软土地区重叠盾构隧道后掘进隧道对地面及既有隧道的影响［Ｊ］．天津建设科技，２０１５，—２５（５）：５１５４．［１２］陈荣伟，杨健，汪波．新建隧道下穿既有高速公路关键—问题的探讨［Ｊ］．公路，２００９（１１）：２５９２６４．［１３］田燕．列车振动荷载对地下隧道结构安全性影响分析—［Ｄ］．青岛：青岛理工大学，２０１３：５２５３．２０１７｛０６）４１万方数据