矿山法隧道下穿铁路沉降影响分区研究(9)

西南交通大学硕士研究生学位论文

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（６）三维模拟施工的工况

数值分析工况编号如表３．３所示。文中０．１Ｄ．１Ｄ表示间距０．１Ｄ，埋深１Ｄ的工况。

＼间距

表３－３数值分析工况编号表

０．１Ｄ１

埋深＼

１Ｄ１．５Ｄ２Ｄ３Ｄ

Ｏ．５Ｄ

２７１２１７

１Ｄ

３８１３ｌ８

２Ｄ

４９１４１９

３Ｄ

５１０１５２０

６

１１１６

３．２．１．２三维数值模拟结果分析

隧道施工引起路基位移与常规隧道施工引起地层位移的机理基本相同，在不同工况计算得到的地表沉降可以看做是铁路路基位移。假定隧道正交穿越铁路，主要对路基横向沉降结果进行分析。

１）单洞施工路基沉降结果

不同埋深单洞施工时引起的路基沉降见图３—７，横坐标中０点对应隧道拱项中心在地表的投影。从横向沉降槽来看，半宽度系数和横向影响范围随隧道埋深增大而增大，最大沉降值随埋深增大而减小。产生的最大沉降值见表３．４。

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图３－５单洞施工路基横向沉降图

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图３—６单洞施工路基最大沉降值与Ｈ／Ｄ关系图

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西南交通大学硕士研究生学位论文

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第３０页

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表３－４各工况路基的最大沉降值（ｒａｍ）

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．２６．４

１．５．１７．１

２．１０．７

３．７．５

最大沉降值

不同埋深单洞施工时引起的路基最大沉降值与Ｈ／Ｄ关系图如图３．６所示。Ｈ／Ｄ代

表隧道埋深和洞径的比值。埋深与路基沉降最大值大致呈对数关系，相关系数为

０．９５０６。

路基沉降开挖变化曲线如图３．７所示。横坐标Ｏ点对应考察断面。由图可知，曲线在考察断面前后存在两个明显拐点，拐点范围内沉降速度较大，两拐点间范围随埋深增大而增大，变形速度随埋深增大而减小。掌子面未达到考察断面前的先期

沉降值以及其他施工步引起的沉降值随埋深增大而减小。各施工步沉降值及占总沉

降比例见表３．５所示。

－３０

图３－７路基沉降随开挖变化图

表３－５各施工步沉降值占总沉降及比例表

Ｈ／Ｄ

ｌ

１．５

２

３

先期沉降上台阶开挖～下台阶开挖前下台阶开挖～变形稳定

一８．３（３１．６％１－８．４（３Ｉ．９％）－９．６（３６．５％）

－８．１（４７．７％１－４．２（２４．５％）－４．８（２７．８％）

—５．０（４６．７％、一２．５（２６．９％）一３．２（２６．４％）

一３．４（４５．３％１一１．５（２１．０％）一２．６（３４．７％）

２）双洞施工路基沉降结果

双洞施工地层位移场变化如图３．８所示。

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ｂ工况８右隧道开挖后的围岩位移矢量图

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图３—８地层位移图。必。咏‰矿，禳、ｃ工况１０右隧道开挖后的围岩位移矢量图

从上图可知，左隧道开挖后，地层位移向隧道恻变形，隧道上方地层下沉，Ｆ方地层出现隆起，在阿边出现外鼓。右隧道丌挖后，隧道两边接近处，由外鼓变为

西南交通大学硕士研究生学位论文第３２页

朝隧道内变形。随两隧道间距的增大，彼此间的干扰逐渐减小，各自洞周位移场变形趋于单洞开挖后的形态。

双洞施工埋深１Ｄ各工况路基沉降结果如图３－９所示，最大沉降值见表３－６。横坐标中０点对应两隧道连线中点在地表的投影。

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ａ工况１路基横向沉降槽

０ｂ工况２路基横向沉降槽

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ｅ工况５路基横向沉降槽ｆ沉降最大值和间距关系统计图

图３－９埋深１Ｄ工况路基沉降结果

表３－６埋深１Ｄ各工况路基的最大沉降值（ｍｍ）

Ｓ／Ｄ０．１Ｏ．５

．３２．３ｌ．２８．６２．２７．１３．２６．４最大沉降值（ｍｍ）一３５．９

从图３可以看出，随隧道间距的增大，路基横向沉降槽由“Ｕ”形渐变为“ｗ”形，基本对称于两隧道连线的中垂线。间距与路基沉降最大值大致呈对数关系，相关系数为０．９７５３。其它工况沉降随间距变化与埋深ｌＤ情况相似，在此不一一列举。各工况最大路基沉降值间表３．７。

西南交通大学硕士研究生学位论文表３－７其它工况路基的最大沉降值（ｍｍ）

０．１Ｄ．３５．９一２７．８一２１．２．１４．４

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＼＼间距

埋深＼

１Ｄ１．５Ｄ２Ｄ３Ｄ

Ｏ．５Ｄ

．３２．３．２２．７．１６．８．１１．１

ｌＤ．２８．６

．２０。９．１２．９－９．１

２Ｄ．２７．１．１８．７．１１．５．７．９

３Ｄ

．２６．４．１７．１．１０．７．７．５

３．２．２轨道与路基相互作用数值模拟分析

３．２．２．１计算模型

隧道施工引起路基位移与常规隧道施工引起地层位移的机理基本相同，而轨道结构层的位移则不尽相同，其差异在于道碴层与常规地表层有所不同。在下方无隧道穿越的情况下，轨道作用在均匀的路基上，路基反力一般为均匀分布。下方隧道

的施工，使得既有轨道原来在开挖范围内的稳定路基发生变化，即轨道下面构成了不均匀路基。基于文克尔（Ｗｉｎｋｌｅｒ）地基假定，将轨道作为连续支承弹性地基梁结构进

行分析。

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图３－１０弹性地基梁模型图３－１１钢轨支座刚度

连续支承模型如图３－１０所示。由于钢轨的抗弯刚度很大，而轨枕铺的相对较密，

这样就可近似地把轨枕的支承看作是连续支承，从而进行解析性的分析。图中的ｕ＝Ｄ／ａ，即把离散的支座刚度Ｄ折合成连续的分布支承刚度ｕ，称之为钢轨基础弹性模量。其中钢轨支座刚度表示支座的弹性持征，定义为使钢轨支座顶面产生单位下沉时，所需施加于座顶面的力。量纲为力／长度。可把支座看成为一个串联弹簧。

如图３一１１所示图中Ｄｐ为胶垫刚度：Ｄｓ为轨枕刚度；Ｄｂ为道床及路基刚度。

运用Ａｎｓｙｓ大型通用结构分析软件进行计算，铁路所用６０ｋｇ／ｍ轨道采用ｂｅａｍ３单元模拟，轨道与路基之间的弹簧采用只受压的ｌｉｎｋｌ０单元（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｏｎｌｙ）模拟。

弹簧下部节点Ｙ方向约束采用路基沉降结果，模拟路基沉降造成的轨道沉降。有限

元模型如图３—１２所示。

图３—１２路基与轨道相互作用计算模型

３．２．２．３轨道沉降结果分析

典型工况下轨道沉降结果如图３．１３所示。横坐标中Ｏ点对应两隧道隧道连线

中点在轨道的投影。

西南交通大学硕士研究生学位论文第３４页

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９

图３－１３典型工况轨道沉降结果

由各工况轨道沉降分析可知，计算结果中，模型无ｌｉｎｋｌＯ链杆单元被取消，均处于受压状态，轨道沉降值比路基稍大。从图３．１３可以看出，路基沉降引起的轨道沉降曲线与路基沉降曲线基本吻合，说明在轨道在跟随路基变形后，仍将支撑在路

基上。

西南交通大学硕士研究生学位论文第３５页

但是轨道沉降与路基沉降并不是简单的线性关系。针对最不利的工况１（０．１Ｄ．１Ｄ），将计算所得的路基沉降分别放大２倍、５倍、１０倍，沉降范围保持不变，然后输入路基与轨道相互作用计算模型中弹簧单元下部节点Ｙ方向约束，得到相应的轨道沉降，在ｌＯ倍情况下，出现明显的轨道和路基分离，如图３．１４所示。对计算所得路基沉降和相应的轨道沉降进行统计，如图３．１５所示，将得到图中的统计公式。当此函数进行求导，得到Ｙ’，当Ｙ’＜１时，表明路基沉降大于轨道沉降，轨道表现为自由变形梁，此时对应路基沉降的值在７７．５ｍｍ—１３２４．１ｍｍ之间；当Ｙ’＞１时，路基沉降则小于轨道沉降，轨道表现为随动变形梁，此时对应的路基沉降＜７７．５ｍｍ或＞１３２４．１ｍｍ。对于一般情况而言，１３２４．１ｍｍ这个沉降值可以忽略，对于路基和轨道的相互作用，存在７７．５ｍｍ这样一个相互变形的临界值。本文所考察的工况中，最大路基沉降值来自０．１Ｄ．１Ｄ的．３５．９ｍｍ，在考察范围内，轨道沉降的值均稍大于路基沉降。