新建線施工及運營對下部既有線影響研究

馬澤軍 劉春陽

(1.天津市政建設集團有限公司，天津 300050;2.天津市市政工程設計研究院，天津 300457)

隨著我國經濟的高速發展，對交通基礎設施建設的需求不斷增加。受地形、地質條件的限制，常常會出現兩條隧道線路并行或交叉的問題，如既有隧道旁修建新隧道，新建隧道上跨或下穿既有隧道等［1-3］。本文應用有限元計算軟件MIDAS-GTS，分析新建隧道施工時，對既有鐵路隧道結構內力和位移的影響，判斷既有隧道是否存在破壞區及存在的位置和范圍，并對既有隧道進行安全使用性評估。

1 概述

1)工程概況。新彩隧道段上跨廈深鐵路梅林隧道，交角約31°。新彩隧道開挖跨度16.848 m，開挖高度11.21 m;梅林隧道開挖跨度14.8 m，開挖高度12.74 m。隧道開挖底面距梅林隧道拱頂開挖線2.85 m～4.76 m。新彩隧道雙線并行，為淺埋段，覆土約為10.0 m～15.0 m。場地主要地層為人工雜填土，人工雜填土層厚度約為20 m～29 m，呈稍密狀，主要由塊石等組成(粒徑0.2 m～1.2 m)，含量約60% ～70%，其他由粘性土以及礫石等充填。地表植被發育，未見地下水。2)隧道北口段擬用施工方法。根據新建隧道場地的地勘結果，對新建隧道的施工方法進行設計，本文擬采用明挖暗埋法進行新彩隧道的施工。梅林隧道在施工時采用了帷幕注漿方式全斷面注漿加固。為了減少挖方，保持原有生態風貌，不破壞既有隧道的支護體系，新建隧道此段范圍內加厚底板;同時，交叉段前后影響范圍內采用φ50小導管地基注漿加固。為了降低土方量，減少對原狀山體的破壞，同時為了降低對梅林隧道的卸載作用，隧道分三級開挖，每級邊坡的坡度從上往下依次為1∶1，1∶0.75 和1∶0.5;邊坡防護采用噴混 +鋼筋網 + 錨桿的防護手段，邊坡防護錨桿采用梅花形設置，間距1.2 m ×1.2 m。

2 數值計算模型及參數

1)隧道模型。按照新彩隧道地區地形、地質圖確定模型計算尺寸，如圖1所示。2)模型計算參數。圍巖按Ⅵ級圍巖計算，計算參數參照新建隧道地勘報告與JTG D70-2004公路隧道設計規范選取。3)列車荷載。通過對有限元模型施加均布荷載來模擬新彩隧道運營的車輛活荷載。新彩隧道的道路性質為城市Ⅰ級主干路;車道數目為三車道。按照《公路工程技術標準》中的有關規定，汽車荷載近似按汽車—超20級考慮，計算得到的汽車均布荷載為15.7 kN/m，如圖2所示。4)施工過程的模擬。新彩隧道的實際施工步驟如下:a.先開挖左線隧道一級、二級及三級邊坡，并施作邊坡支護，右線邊坡開挖順序與左線開挖順序相同;b.左線隧道三級邊坡開挖完工后，施工左線襯砌，10 m為一段;c.施工右線隧道襯砌50 m，一次回填約50 m左線隧道和右線隧道三級邊坡;d.施工右線隧道襯砌100 m;e.回填左線隧道和右線隧道三級邊坡50 m;f.新彩隧道投入運營。按照上述開挖順序，一共有36個施工步，GTS模型中隧道施工的主要施工步的施工模擬如圖3所示。

圖1 隧道模型網格圖

圖2 新彩隧道荷載

圖3 典型施工步驟

3 計算結果及分析

1)梅林隧道豎向變形研究。為了模擬隧道開挖對既有隧道內力及位移的影響，從36個施工步中選取了8個典型的施工步進行研究，具體為:a.左線隧道三級邊坡開挖10 m;b.左線隧道三級邊坡開挖30 m;c.左線隧道三級邊坡開挖50 m;d.右線隧道三級邊坡開挖70 m;e.右線隧道三級邊坡開挖80 m;f.右線隧道三級邊坡開挖100 m;g.回填至一級邊坡;h.新彩隧道投入運營。以既有梅林隧道的拱頂位置為監測點。各施工階段引起的拱頂最大位移值如表1所示。

表1 拱頂監測點最大豎向位移

從拱頂監測點變形曲線中發現:隧道開挖前，最大縱向位移斷面隨著左線隧道的開挖逐漸向掌子面前方移動;右洞開挖對掌子面前方既有隧道影響較大，使掌子面前方既有隧道豎向位移逐漸增大;最大縱向位移斷面主要出現在交叉段附近。新建新彩隧道左線與既有梅林隧道交叉處為y=27.2 m截面，取既有隧道深度為27.2 m處的拱頂中心點為監測點，繪出該點隨施工步推進變化的變形曲線，如圖4所示。

圖4 特征監測點變形曲線圖

從圖4可以看出，施工初期，監測點距新建隧道開挖距離較遠時，此處的節點變形量較小，27.2 m處的位移約為2.5 mm;隨著新建隧道的開挖斷面靠近既有的隧道，監測點處的變形加快，當開挖斷面位于正上方時出現拐點;隨著新建隧道的開挖斷面遠離既有的隧道，監測點處變形變慢，縱向位移最大值為9.2 mm;在回填邊坡后，既有隧道位移迅速變小，監測點處的位移最終穩定在2.55 mm;在新彩隧道投入運營以后，隨著車輛荷載的施加，既有隧道的隆起量略有回落，降低為2.21 mm。盾構隧道要求更為嚴格，最大隆起不超過10 mm，隧道曲率半徑必須大于15 000 m，相對變形必須小于1/2 500。在此選取曲率半徑15 000 m及豎向變形量15 mm作為安全性評價標準值。由既有隧道的拱頂點監測變形曲線可以得出，當右線三級邊坡開挖80 m，既有隧道縱向43.3 m處出現最大豎向變形，為9.88 mm;當回填至一級邊坡后，既有隧道縱向27.2 m處出現最小曲率半徑，為32 800 m;當新彩隧道開始運營時，既有隧道縱向28.9 m處出現最小曲率半徑，為33 605 m。在新彩隧道的施工及運營階段，既有隧道的最小豎向變形量為9.88 mm，小于15 mm;既有隧道的最小曲率半徑為32 800 m，大于15 000 m，因此，既有隧道能夠滿足安全要求。

2)梅林隧道結構安全性檢算。采用破損階段法對新彩隧道施工過程中最不利階段進行安全性評估驗算，其中鋼筋混凝土結構的強度安全系數限制見表2。從表3及表4可以看出，在新彩隧道的施工及運營階段，既有梅林隧道各截面安全系數滿足要求。

表2 鋼筋混凝土結構的強度安全系數

表3 施工階段襯砌結構受力

表4 運營階段襯砌結構受力

4 結語

新建新彩隧道在施工及運營階段雖然會對既有梅林隧道的受力產生影響，但既有鐵路隧道的襯砌截面應力安全系數及結構位移變化仍能滿足規范要求，不影響既有隧道的運營安全。

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