CN105089698A - 一种地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制方法，运用动力有限元理论建立线路结构-路基-土层三维计算模型，模拟分析不同隧道埋深、不同开挖方式下地铁隧道施工引起的隧道结构、土层和轨道基础之间的变形关系；并结合既有地铁隧道的下穿施工资料，总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响因素、变形影响规律以及对轨道不平顺的影响规律；基于既有铁路变形控制指标体系中对轨道静态几何尺寸、动态质量容许偏差管理的相关要求，提出地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制指标；施工过程中实时监测的路基沉降量超过所述沉降控制指标，则发出报警。本发明能够减轻、消除和避免由于地铁施工引起的交叉既有铁路地表沉降的不利影响，为科学合理的开展地铁隧道施工安全评估提供手段。
Description
技术领域
本发明属于一种地表沉降变形控制方法，具体涉及一种地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制方法。
背景技术
交通运输与社会进步发展的关系十分密切，方便的交通运输条件是城市形成和发展的基本因素之一。尤其是近十年来，经济快速发展使城市规模持续扩大，道路交通面临越来越严重的阻塞，大容量、与地面交通隔离的城市轨道交通在国内大城市受到普遍关注，并已进入快速发展期。截止2012年年底，我国已开通城市轨道交通运营的城市有20个，运营总里程已达2400km，到2015年前后，我国建成和在建城市轨道交通线路将达到158条，总里程将超过4200km。
城市轨道交通的快速发展使得地铁线路与既有铁路的交叉相互影响也越来越严重，地铁隧道下穿既有铁路的工程也越来越多。地铁隧道下穿施工不可避免的会对既有铁路的基础产生扰动，会产生不同程度的地层沉降，从而引起既有铁路基础和轨道结构变形，不仅对地铁隧道施工安全产生不利影响，而且会影响既有铁路的运营安全，严重的会造成既有铁路的破坏，引起较大的安全事故和造成较大的经济损失。
发明内容
本发明为了减轻、消除和避免由于地铁施工引起的交叉既有铁路地表沉降的不利影响，并科学合理的开展地铁隧道施工安全评估，提供了一种地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制方法。
本发明通过如下技术方案实现：
运用动力有限元理论建立线路结构-路基-土层三维计算模型，模拟分析不同隧道埋深、不同开挖方式下地铁隧道施工引起的隧道结构、土层和轨道基础之间的变形关系；并结合既有地铁隧道的下穿施工资料，总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响因素、变形影响规律以及对轨道不平顺的影响规律；基于既有铁路变形控制指标体系中对轨道静态几何尺寸、动态质量容许偏差管理的相关要求，提出地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制指标；施工过程中实时监测的路基沉降量超过所述沉降控制指标，则发出报警。
所述的地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制方法，包括如下步骤：
(1)运用动力有限元理论建立线路结构-路基-土层的三维计算模型，考虑不同隧道埋深、不同开挖方式的情况，分别对隧道结构、土层、轨道的变形和应力进行数值计算，分析变形影响因素、变形影响规律以及对轨道不平顺的影响规律。
(2)广泛整理地铁隧道的现场实际下穿施工资料，收集到的资料包含地质条件、施工方法、断面形式及尺寸、埋深以及施工过程中沉降控制标准和沉降实测值等数据。结合数值分析的结果，总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响因素、变形影响规律以及对轨道不平顺的影响规律。
(3)根据地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响影响规律，并基于既有铁路变形控制指标体系中对轨道静态几何尺寸、动态质量容许偏差管理的相关要求，采取双重指标、综合控制的技术方针确定沉降控制指标，所述沉降控制指标包含沉降量和沉降变形速率。
(4)地铁隧道下穿施工工程中，在既有铁路现场布设人工或自动化监测设备，对下穿施工过程中沿线线路的表面沉降量和沉降变形速率进行监测，将监测值与上述沉降控制指标进行对比，当实时监测的沉降量超过所述沉降控制指标，则发出报警，采取相应的预防纠正措施。
与现有技术相比，本发明将隧道下穿工程的基础理论研究与工程实践相结合，采用数值分析与既有典型工程实例相互对比映证的方式，全面归纳总结了地铁隧道下穿施工引起的既有铁路变形破坏模式、沉降变形规律、沉降变形影响，提出的沉降控制指标包含不同速度等级条件下的最大沉降控制量和沉降变形速率。沉降控制指标清晰直观，便于指导施工，简化了以往采用“建立数学模型-简化算法-求得预测值-与实测值进行对比”才能进行施工安全评估的过程。
附图说明
图1线路结构-路基-土层的三维计算模型示意图；
图2隧道轴线与中心线与既有铁路相交测点平面布置图
图3铁路竖向测点布置立面图
具体实施方式
以下结合实例和附图对所述方法做详细说明：
本实例中建立线路结构-路基-土层的三维计算模型，如图1所示，模型计算尺寸的选取主要考虑边界效应、计算效率和计算速度。隧道断面、混凝土强度的取值参考《铁路路基设计规范》、《地铁设计规范》等，土体本构模型选用符合M-C准则的弹塑性模型。
收集整理国内部分城市地铁隧道下穿铁路的工程资料，收集到的资料主要包括地质条件、施工方法、断面形式及尺寸、埋深以及施工过程中沉降控制标准和沉降实测值等数据。收集到的下穿施工地质条件主要为土质隧道，隧道下穿施工方法以矿山法和盾构施工方法为主。总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响因素、变形影响规律以及对轨道不平顺的影响规律。
结合数值仿真计算和实际工程资料，总结归纳出地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响影响规律。当地铁隧道下穿既有铁路施工时，线路基础变形和既有线路变形规律基本一致，可不考虑基础与线路的脱空现象，开挖面距离线路中心1倍洞径前至通过线路中心2倍洞径后的沉降量约约为总沉降量的70％。既有铁路的基础沿线路方向的沉降曲线符合高斯曲线分布，地铁隧道埋深较浅时，沉降槽表现为窄而深，随着地铁隧道埋设的增加，沉降槽表现为宽而浅，所述沉降槽的反弯点i与隧道埋深H近似呈线性关系，其拟合曲线公式为i＝0.356H+5.71。随着隧道埋深的增加，下穿施工引起的水平偏差和轨距偏差愈小，开挖面距离线路中心1倍洞径范围内水平偏差达到最大值，开挖面到达线路中心前的轨距偏差达到最大值，但所述水平偏差和轨距偏差最大值远小于《铁路线路修理规则》中的限值要求，故水平偏差和轨距偏差的影响可以忽略不计，下穿施工期间只要做好轨道结构部分的安全防护就可保证轨道水平偏差和轨距偏差满足安全运营的要求。
根据所述地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响影响规律，并基于既有铁路变形控制指标体系中对轨道静态几何尺寸、动态质量容许偏差管理的相关要求，确定沉降控制指标，所述沉降控制指标包含沉降量和沉降变形速率。沉降量在不同速度等级条件下须满足，车速V≤120km/h时地表允许最大沉降值为7.4～19.6mm，120km/h＜V≤160km/h时地表允许最大沉降值为7.4～19.6mm，160km/h＜V≤200km/h时地表允许最大沉降值为6.1～16.4mm，200km/h＜V≤250km/h时地表允许最大沉降值为3.7～9.8mm。所述的沉降变形速率须满足，车速V≤120km/h时地表允许最大沉降速率为0.3L～0.7Lmm/d，120km/h＜V≤160km/h时地表允许最大沉降速率为0.3L～0.7Lmm/d，160km/h＜V≤200km/h时地表允许最大沉降速率为0.2L～0.6Lmm/d，200km/h＜V≤250km/h地表允许最大沉降速率为0.1L～0.3Lmm/d，上述表达式中L为隧道长度，单位为m。
在既有铁路现场布设人工或自动化监测设备，对下穿施工过程中沿线线的线表面沉降量和沉降变形速率进行监测，测点布置时可在线路的轨枕中间布设一排断面，其中每个断面包括三个测点，分别位于两条隧道轴线及两隧道中心线与铁路线路相交位置，如图2和图3所示所示。
将监测值与所述沉降控制指标进行对比，当实时监测的沉降量或沉降变形速率超过所述沉降控制指标，则发出报警，采取相应的预防纠正措施。
本发明提供的地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制方法，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的包含范围之列。
Claims (2)
1.一种地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制方法，其特征在于，运用动力有限元理论建立线路结构-路基-土层三维计算模型，模拟分析不同隧道埋深、不同开挖方式下地铁隧道施工引起的隧道结构、土层和轨道基础之间的变形关系；并结合既有地铁隧道的下穿施工资料，总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响因素、变形影响规律以及对轨道不平顺的影响规律；基于既有铁路变形控制指标体系中对轨道静态几何尺寸、动态质量容许偏差管理的相关要求，提出地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制指标；施工过程中实时监测的路基沉降量超过所述沉降控制指标，则发出报警。
2.根据权利要求1所述的地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)运用动力有限元理论建立线路结构-路基-土层的三维计算模型，考虑不同隧道埋深、不同开挖方式的情况，分别对隧道结构、土层、轨道的变形和应力进行数值计算，分析变形影响因素、变形影响规律以及对轨道不平顺的影响规律。
(2)广泛整理地铁隧道的现场实际下穿施工资料，收集到的资料包含地质条件、施工方法、断面形式及尺寸、埋深以及施工过程中沉降控制标准和沉降实测值等数据。结合数值分析的结果，总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响因素、变形影响规律以及对轨道不平顺的影响规律。
(3)根据地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响影响规律，并基于既有铁路变形控制指标体系中对轨道静态几何尺寸、动态质量容许偏差管理的相关要求，采取双重指标、综合控制的技术方针确定沉降控制指标，所述沉降控制指标包含沉降量和沉降变形速率。
(4)地铁隧道下穿施工工程中，在既有铁路现场布设人工或自动化监测设备，对下穿施工过程中测线路表明的沉降量和沉降变形速率进行监测，将监测值与上述沉降控制指标进行对比，系统常规监测无法完成，所以在现场设置对线路沉降以及沿线路方向的竖向变形进行监测。当实时监测的沉降量超过所述沉降控制指标，则发出报警，采取相应的预防纠正措施。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Yanqing Inventor after: Zhang Wei Inventor after: Ma Weibin Inventor after: Guo Xiaoxiong Inventor after: Zhu Hongwei Inventor after: Ma Li Inventor after: Liu Dunli Inventor before: Liu Yanqing Inventor before: Zhang Wei Inventor before: Ma Weibin Inventor before: Guo Xiaoxiong Inventor before: Zhu Hongwei |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151125 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |