基于強(qiáng)度折減法的某新建隧道下穿客運(yùn)專線的穩(wěn)定性分析

田明杰, 陳 行, 周鵬發(fā)

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

重慶市軌道交通九號(hào)線線路西起沙坪壩區(qū)，北至渝北區(qū)兩路，線路大體呈“先由西向東，再往北的走向”，是軌道交通線網(wǎng)的重要組成部分。線路主要途徑沙坪壩區(qū)、渝中區(qū)、江北區(qū)、渝北區(qū)。起點(diǎn)位于沙坪壩區(qū)高灘巖，向北至沙坪壩，向東經(jīng)小龍坎、土灣、紅巖村至化龍橋片區(qū)，然后跨越嘉陵江進(jìn)入江北區(qū)，經(jīng)螞蝗梁、觀音橋、鯉魚池、江北城、五里店、頭塘、保稅港后線路進(jìn)入渝北區(qū)，途徑石盤河、上灣路、服裝城大道、寶桐路至線路終點(diǎn)回興。線路起點(diǎn)為CK0+000,終點(diǎn)為CK32+276.269。線路全長(zhǎng)約32.276 km，其中地下線30.234 km，高架線2.042 km。共設(shè)24座車站，其中地下站22座，高架站2座。全線平均站間距1.34 km。最大站間距2.011 km(青崗坪站～寶圣湖站)，最小站間距0.841 km(李家坪站～螞蝗梁站)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

重慶軌道交通九號(hào)線一期工程天梨路至沙坪壩站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱為天沙區(qū)間)位于沙坪壩區(qū)沙鐵村和紅槽房小學(xué)附近，周邊環(huán)境較復(fù)雜，下穿建構(gòu)筑物眾多以及成渝客專沙坪壩樞紐站場(chǎng)路塹段。天沙區(qū)間根據(jù)地質(zhì)條件和線路埋設(shè)深度采用暗挖法施工。隧道主要穿越侏羅系中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，區(qū)間右線起止里程右CK1+750.848～右CK2+735.898，長(zhǎng)985.050 m，其中右線已由環(huán)線沙坪壩站施工通道利用并代建105.672 m(含二襯)。項(xiàng)目位置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目位置

1.2 區(qū)間隧道與成渝客專相互關(guān)系

重慶軌道交通九號(hào)線一期工程天梨路～沙坪壩區(qū)間位于沙坪壩區(qū)，設(shè)計(jì)起訖里程為CK1+762.897～CK2+768.939，全長(zhǎng)1 006.042 m。其中下穿成渝客專路塹段為YCK2+163～YCK2+205段，共約42 m，其平面關(guān)系，縱斷面關(guān)系如圖2、圖3所示。

圖2 平面關(guān)系

圖3 縱斷面關(guān)系

要下穿原始丘陵地形，地表以原始地貌為主，局部經(jīng)開發(fā)后形成為城市生產(chǎn)生活區(qū)。隧道埋深一般較大，屬深埋隧道。下穿關(guān)系立面圖如圖4所示。線路平面平面曲線段半徑為500 m。區(qū)間線路受控條件主要為區(qū)間兩端車站即天梨路站和沙坪壩站(基坑已建，為九號(hào)線、一號(hào)線與環(huán)線換乘站)以及九號(hào)線與環(huán)線空間關(guān)系。

圖4 下穿情況立面關(guān)系

右CK1+180～右CK1+198.324段下穿在建成渝高鐵段位于沙坪壩背斜東翼，巖層單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀為50～130°∠4～6°，擬修建隧道距地表埋深為20.32 m，成渝客專標(biāo)高為248.3 m。線路縱斷面受到天梨路站和沙坪壩站條件影響，以及沿線周邊環(huán)境，區(qū)間線路最大縱坡為4 ‰，最小縱坡為2 ‰。

2 分析方法原理

強(qiáng)度折減法是通過(guò)對(duì)圍巖的剪切強(qiáng)度代表值進(jìn)行不斷的折減直至圍巖達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止。下面以服從摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則的材料為例來(lái)闡述強(qiáng)度折減法的基本原理。

令w為強(qiáng)度安全系數(shù)，折減后的圍巖強(qiáng)度可以表示如下：

根據(jù)以上的式子可以得出：

式中：c、c′分別為初始粘聚力和極限粘聚力；φ、φ′分別為初始內(nèi)摩擦角和極限內(nèi)摩擦角修正值。

強(qiáng)度折減法的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)不需要假定破壞面；(2)通過(guò)分析可以比較直觀地反映圍巖的實(shí)際破壞面。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用平面應(yīng)變計(jì)算模型如圖5所示。其中計(jì)算模型橫向取86.98 m(左邊界距隧道中線43.49 m、右邊界距隧道中線43.49 m)，豎向取隧道下方21.99 m，隧道上方取20.52 m，實(shí)際地形建模。從上到下土體依次為人工填土、中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化泥巖。采用實(shí)體單元，一共建立了1 904個(gè)單元來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬。模型服從摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

圖5 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合地勘資料、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行圍巖、初支、二襯等的物理力學(xué)參數(shù)選取，具體如表1所示。

表1 圍巖、鐵軌和道床物理力學(xué)參數(shù)

3.3 列車荷載計(jì)算

列車荷載采用ZK荷載，如所示，參考TB 10001-2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》和TB 10093-2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中列車荷載換算土柱法，路基上荷載包括兩部分：

(1)列車軸重產(chǎn)生的荷載：

Q=250/1.6=156.25 kN/m

(2)由軌道、軌枕、道砟、路基等自重產(chǎn)生的荷載：

P=66.49 kN/m

最終可換算為3.7 m寬的均布荷載，其大小為60.2 kPa。

但考慮到列車的動(dòng)力系數(shù)k=1.4，軸重產(chǎn)生的擬靜力荷載為：

Q′=kQ=1.4×156.25=218.75 kN/m

因此最終作用在路基上的荷載為：

Q′+P=218.75+66.49=285.24 kN/m

同樣采用換算土柱法，可換算為3.7 m寬，大小77.09 kPa的均布荷載。

列車荷載加載如圖6所示。

圖6 列車荷載示意

3.4 整體穩(wěn)定性分析

對(duì)于裸洞開挖、分別考慮只挖左線隧道、只挖右線隧道、開挖左右線隧道3種情況、對(duì)于初支、二襯也同樣考慮只挖左線隧道、只挖右線隧道、開挖左右線隧道3種工況，共計(jì)9種工況，以下對(duì)左右線同時(shí)開挖進(jìn)行分析。

3.4.1 裸洞開挖

數(shù)值模擬求得左右線隧道全斷面開挖且無(wú)支護(hù)條件下，隧道豎向(z方向)位移如圖7所示。通過(guò)強(qiáng)度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖8可知，左右線隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為1.88，處于安全狀態(tài)，地表最大沉降、拱頂最大沉降分別為1.76 mm、3.31 mm。

圖7 左右線開挖的豎向位移云圖

圖8 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

3.4.2 施做初支

數(shù)值模擬求得左右線隧道全斷面開挖且有初期支護(hù)條件下，隧道豎向(z方向)位移如圖9所示。通過(guò)強(qiáng)度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖10可知，有初支的隧道結(jié)構(gòu)開挖完后的整體安全系數(shù)為3.14，處于安全狀態(tài)，地表最大沉降為1.01 mm。

圖9 帶初支結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖

圖10 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

3.4.3 開挖左右線并施作初支+二襯

數(shù)值模擬求得左右線隧道全斷面開挖有二襯的條件下，隧道豎向(z方向)位移如圖11所示。通過(guò)強(qiáng)度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖12可知，有二襯結(jié)構(gòu)的隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為4.55，處于安全狀態(tài)，地表最大沉降為0.74 mm，拱頂最大沉降0.28 mm。

圖11 帶二襯結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖

圖12 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

通過(guò)對(duì)9種工況計(jì)算進(jìn)行匯總得到地表沉降、拱頂沉降、安全系數(shù)如表2所示。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，得到以下結(jié)論：

(1)裸洞、初支和初支+二襯安全系數(shù)均大于1，滿足規(guī)范要求。

(2)先開挖右線隧道的地表沉降在裸洞、初支、二襯的情況下安全系數(shù)均大于先開挖左線隧道，地表最大沉降則相反。故建議先開挖右線隧道，再開挖左線隧道。

表2 地表沉降、拱頂沉降、安全系數(shù)匯總表

(3)地表沉降依次是裸洞>初期支護(hù)>初支+二襯，同時(shí)開挖左右線>僅開挖左線>僅開挖右線，最小地表沉降為0.41 mm(僅開挖右線、初支+二襯)，地表位移均大于沉降控制標(biāo)準(zhǔn)(0 mm)。

(4)在施工期，建議對(duì)成渝客專受區(qū)間隧道施工影響范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，以便時(shí)刻掌握成渝客專是否受影響及其受影響程度，從而確保成渝客專的運(yùn)營(yíng)安全。

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