某市綜合管廊上穿隧道安全評估

鄧大鵬，劉諾晨，任柯瑋，王園園，崔慶飛 （河北建筑工程學院，河北 張家口 075000）

1 工程概況

1.1 市政綜合管廊概況

隧道出口明洞段西南側的大達溝內，為接待重要組織、高級別領導人或承辦重大活動的場所。該管線隧道北側規劃道路下方的規劃市政管線引出，為滿足市政管線在后期運營維護要求，管線穿越明洞范圍采用綜合管廊型式通過，其余采用直埋敷設。綜合管廊線位走向見圖1、圖 2。

圖1 市政綜合管廊線位示意圖

圖2 鐵路隧道與管廊位置關系

1.2 隧道概況

隧道位于崇山峻嶺中，起終點里程為 DK50+430.00～DK51+060.00，全長630m。明洞全長范圍屬于抗震設防段落，此范圍變形縫設置間距不大于20m。

根據設計單位提供的施工圖資料，明洞隧道采用曲墻帶仰拱結構形式，隧道里程DK50+888～DK50+980范圍為隧道轉轍機加寬段，結構尺寸為15.12m×13.02m（寬×高），拱墻結構厚度0.7m，仰拱結構厚度0.8m，仰拱兩側各設置1.0m抗浮腳趾。目前該隧道結構已完成覆土回填，無砟軌道尚未鋪軌。雖然目前隧道無砟道床尚未施工，考慮到鐵路工程進展較快，管廊施工時候可能道床已經鋪設完成，本次評估按管廊實施時，道床已經鋪設考慮。

2 評估內容

本評估包括以下內容：

①根據市政綜合管廊上穿既有隧道現狀、工程地質條件和周邊環境條件，依照相關規范、規程，并結合業主提供的市政綜合管廊專項設計資料，提出既有隧道明洞結構及軌道變形的控制標準；

②通過有限元軟件建立數值計算模型，模擬市政綜合管廊施工全過程，分析新建綜合管廊結構施工對隧道明洞結構及軌道變形的影響，并對市政綜合管廊在設計及施工中應采用的工程措施及對策提出意見和建議。

3 評估方法

通過對鐵路隧道現狀的調查及收集、整理各種地質、設計資料，采用數值模擬、工程類比等多種手段，結合本工程的工程地質和水文地質條件、周邊環境條件、以及本工程的施工工法等具體情況，預測分析市政綜合管廊施工，引起隧道明洞結構及軌道變形因素，在此基礎上評價綜合管廊上穿隧道的安全性。

4 計算模型及參數

4.1 參數設置

4.1.1 模型參數

根據提供資料《隧道工程地質勘察報告》，工程地點的地層由上至下依次為：粉質黏土、全風化二長花崗巖、強風化二長花崗巖、弱風化二長花崗巖，管廊結構主要位于粉質黏土及全風化二長花崗巖中，地層分布見圖3[2]。模型中，混凝土材料容重采用25kN/m3，泊松比采用0.2[3]，管廊結構及隧道二次襯砌彈性模量采用31500MN/m2。模型中各地層物理力學指標如表所示。

4.1.2 計算荷載

水土壓力：管廊主體結構施做過程均考慮在無水情況下進行，施工階段結構荷載在軟件中自動考慮。地面施工超載：按10kPa考慮。自重：軟件自動考慮。

4.1.3 本構模型

①單元類型：計算時假定圍巖為連續介質，土體采用實體單元模擬；隧道二次襯砌結構、綜合管廊結構及市政管線采用板單元模擬。

②邊界條件：本計算在模型底部施加豎向固定約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面[5]。

③破壞準則：土體采用修正Mohr-Coulomb準則，隧道及管廊結構考慮在彈性范圍內工作，采用線彈性本構關系。

圖3 地層分布示意圖

各層土體物理力學指標

4.2 計算模型

圖4 綜合管廊與隧道位置關系平面圖

由工程相對位置平面圖可見：市政綜合管廊位于隧道下方，管廊與隧道交角90°。管廊主體結構底板距隧道拱頂最近距離為1.04m，對回填土進行注漿加固，明洞隔水回填層范圍內禁止注漿。

結合上述因素，考慮模型建立的復雜程度和單元尺寸及數量對計算時間和結果精度的影響，采用如下方式進行建模：

為了得到管廊施工對既有鐵路隧道產生的最不利影響，模型以隧道線路方向為Y軸，管廊方向為X軸，豎直方向為Z軸，模型在Y方向取100m，X軸方向取60m，Z軸方向取42.8m。根據市政綜合管廊和隧道的相對位置關系建模，模型網格劃分效果圖，如圖5、6所示，模型共包含13391個單元，21957個節點。

5 結論與建議

5.1 評估結論

根據提供的擬建市政綜合管廊和隧道明洞段的設計、勘察文件，采用Midas GTS NX數值模擬軟件對其進行了數值模擬分析，通過模擬施工階段的逐步開展，研究了市政綜合管廊上跨隧道明洞段施工全過程中所受到的影響，同時對市政綜合管廊上穿隧道明洞進行了模擬計算，得到了相關指標，參考前述內容得出的控制指標建議值，并結合同類工程實例的設計施工經驗，形成評估結論如下。

圖5 模型示意圖

圖6 擬建管廊與計有隧道關系示意圖

5.1.1 影響范圍內，既有隧道內軌道位移值滿足控制標準要求

①市政綜合管廊施工過程中，由于管廊范圍基坑開挖，對正下方的隧道形成卸載，隧道結構及仰拱局部隆起，偏安全的將仰拱變形數值中的最大值作為軌道變形最大值，可以得到軌道最大隆起值為0.46mm，水平位移最大值0.22mm，軌道隆起變形最大值滿足軌道控制指標3.5mm的要求。

②市政管廊結構施工完成并回填土層后，由于回填覆土影響，引起隧道結構發生沉降變形，軌道最大沉降值為-0.62mm，軌道沉降變形最大值滿足軌道控制指標3.5mm的要求。

5.1.2 影響范圍內，既有隧道結構受力滿足規范要求

根據綜合管廊回填土夯實完成后，工況對隧道結構強度及裂縫進行驗算，經驗算相應位置的襯砌結構，滿足承載能力和正常使用要求。

綜上所述，通過數值模擬計算與結果分析可得，市政綜合管廊的施工對隧道明洞結構與軌道產生了一定影響，但影響有限，在設計單位提出的加固措施，得到合理有效實施、施工單位按照設計圖紙施工且保證施工質量達到設計要求的前提下，市政綜合管廊上穿隧道明洞設計方案總體可行，建議在采取必要的技術措施后作為后續施工依據。

5.2 技術措施建議

①下穿施工前，請施工單位務必再次確認市政綜合管廊工程與隧道明洞段空間關系的正確性，若有必要，施工前應進行實際測量放線予以確認。

②嚴格執行《鐵路安全管理條例》（國務院令第639號）等鐵路部門的相關管理辦法。項目建設單位應按照法律法規及鐵路部門的相關管理辦法，逐級報送審批，以保證建設程序合法合規。

③擬綜合管廊基坑開挖造成土體及隧道隆起，由于地下工程的復雜性及有限元分析軟件的局限性，為確保既有隧道安全，建議施工時采用分段、分步開挖方式，嚴格遵守“分層開挖”的原則，嚴禁超挖，嚴格控制每次開挖高度方法，降低對既有隧道的影響。