隧道下穿鐵路橋段圍巖穩(wěn)定性研究

樊清峰

摘 要：隨著城市經(jīng)濟(jì)地高速發(fā)展，城市交通壓力日趨嚴(yán)重，一二線城市將地鐵建設(shè)列為城市重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。地鐵的建設(shè)過程中需要下穿既有建筑物，并且地鐵會(huì)與建筑物產(chǎn)生相互作用，影響著兩者的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本文以隧道下穿鐵路橋段圍巖為例，通過圍巖變形進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，并進(jìn)行必要的數(shù)值模擬。通過分析結(jié)果，可知：在挖掘過程中，出現(xiàn)在掌子面附近的斷面位移變化較大，豎向位移中最大處在拱頂，水平位移中最大處在拱腰。隨著挖掘進(jìn)行，洞口附近斷面趨于穩(wěn)定，因此初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足施工的要求。

關(guān)鍵詞：城市建設(shè)；地鐵挖掘；現(xiàn)場監(jiān)測；數(shù)值模擬

0 引言

城市的發(fā)展依附發(fā)達(dá)的交通環(huán)境，近年來，越來越多的城市將地鐵發(fā)展視為城市發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目。在隧道挖掘過程中，需要下穿既有建筑物。隧道下穿鐵路橋時(shí)還會(huì)與鐵路橋存在相互作用，影響相互穩(wěn)定性。由于鐵路橋鐵路行車密度大，因此，為確保鐵路穩(wěn)定性，保證行車安全進(jìn)行，必須嚴(yán)格控制施工過程中發(fā)生的沉降量。本文通過對鐵路圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，并進(jìn)行模型模擬計(jì)算分析，對比實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)可以得到具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1 工程概況

本文研究的隧道所在崗阜狀高原地貌地段，隧道深埋8～13m，主要是分支黏土層，圍巖具有弱濕陷性。場地上方底層是粘性土，凍脹類別屬于弱凍脹-凍脹。在沖洪積底層中主要是地下水，水溫13～15℃；空隙中存在的潛伏水是含水層，地下水相比則埋藏較深。

采用淺埋暗挖的方法進(jìn)行發(fā)掘，在發(fā)掘期間預(yù)留核心土施工。在試驗(yàn)段完成以后再進(jìn)行下穿鐵路橋的工作，對于拱頂?shù)谋Ｗo(hù)，采取的是超前管棚支護(hù)的方法。根據(jù)現(xiàn)場的檢測數(shù)據(jù)來判斷二襯的具體操作時(shí)間。

2 隧道施工過程的模擬

采用Drucker-Prager模型作為模擬單元，采用solid45作為圍巖的模擬單元，采用shell63作為超前和初期支護(hù)的模擬單元。模擬的計(jì)算范圍：橫向?qū)挾?5m，深埋10m、隧道地下一倍洞6.4m，地層高度總共23m。地層與地層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1。

在發(fā)掘過程中，鐵路橋和隧道存在相互作用，情況比較復(fù)雜，給模擬計(jì)算帶來不便，先采取一定的簡化。將鐵路橋簡化為是均勻作用在模型的負(fù)荷，具體操作是：首先計(jì)算實(shí)際橋梁的實(shí)際重量和負(fù)荷，進(jìn)而將實(shí)際負(fù)荷等效于均勻負(fù)荷，作用在特定的單元上。模型的邊界條件：模型左右2個(gè)邊界和底部分用于限制x方向上的位移和y方向的位移，上下地面沒有限制時(shí)自由面，前后邊界限制z方向的位移。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

分析主要從應(yīng)力、位移和支護(hù)應(yīng)力3方面進(jìn)行說明。

3.1 應(yīng)力分析

上半斷面預(yù)留土開挖支護(hù)后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂和公交處。最大值達(dá)到了0.95Mpa。在核心土及下半面開挖后，在拱底處出現(xiàn)最大應(yīng)力值，達(dá)到3.77Mpa。在隧道超前支護(hù)后，拱底出現(xiàn)最大應(yīng)力值，離掌子面越近應(yīng)力越大，應(yīng)力值沒有太大變化，應(yīng)力值3.82Mpa。

3.2 位移分析

隧道開挖初期，在自重力的作用下土層會(huì)產(chǎn)生均勻沉降，挖掘中后期，土層應(yīng)力會(huì)重新分布。在上半斷面支護(hù)后，拱頂?shù)乃轿灰茮]有明顯變化，在水平方向的最大位移中，拱腳處最大。核心土及下半段支護(hù)后，在兩側(cè)土的擠壓下，最大水平位移在拱腰處，最大位移量6.90mm，由此可見，水平位移的控制點(diǎn)應(yīng)該在拱腰位置。

3.3 支護(hù)應(yīng)力分析

在隧道的開挖進(jìn)程中，由于拱底的隆起，初期支護(hù)主要受壓應(yīng)力，并且在拱底處出現(xiàn)極值。隨著開挖工作地不斷進(jìn)行，洞口附近拱腰處出現(xiàn)極值，極值是16.2Mpa。在掌子面附近，超前支護(hù)承受較大的壓應(yīng)力，主要分布在拱頂和拱腳處，極值是34.1Mpa，管棚支護(hù)所用鋼材彎曲應(yīng)力125Mpa，剪應(yīng)力90Mpa，模擬結(jié)果滿足要求。

4 現(xiàn)場監(jiān)控測量

主要對隧道拱頂沉降及拱腰水平收斂進(jìn)行檢測，從數(shù)據(jù)分析可以看出現(xiàn)場監(jiān)測量的變化，隨著時(shí)間的推移，變化量趨于穩(wěn)定，拱頂沉降為9.5mm，水平收斂值為9.8mm，此數(shù)值的模擬值是：拱頂沉降8.2mm，水平位移9.27mm，通過對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測數(shù)值均略高于模擬值。分析原因，拱頂高于模擬值的原因可能是數(shù)值計(jì)算式未考慮移動(dòng)負(fù)荷的作用，而水平收斂值高于數(shù)值計(jì)算的原因是因?yàn)楸O(jiān)測總是待開挖后才開始埋沒測量，而變形在這之前就已經(jīng)發(fā)生，會(huì)造成數(shù)值的差異。

5 結(jié)論

根據(jù)模擬計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測等數(shù)據(jù)可以得到一些指導(dǎo)性的結(jié)論：

（1）上半斷面留核心土開挖支護(hù)后，在拱頂和拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，開挖核心土及下端面后，拱頂壓力沒有出現(xiàn)明顯變化。

（2）隨著掌子面的開挖，洞口附近的斷面逐漸趨于穩(wěn)定，因此，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足負(fù)荷要求。

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（作者單位：中國鐵道建筑總公司）