輸水涵洞上跨鐵路隧道施工加固措施

2021-09-15 11:12:13章偉華王英學張子為趙萬強

四川建筑 2021年4期

章偉華王英學張子為趙萬強

【摘要】文章以向家壩灌區北總干渠工程為依托，采用有限元方法建立3個數值計算模型，分析研究輸水涵洞上跨鐵路隧道施工對鐵路隧道的影響，重點研究輸水管水壓對鐵路隧道襯砌結構內力的影響。研究結果表明：水壓作用下，相較于無加固措施，長樁加固能改善襯砌結構軸力的受力條件，短樁加固則對襯砌結構彎矩有較好的改善，綜合考慮安全性、適用性，選取短樁加固為最優方案。

【關鍵詞】輸水隧洞; 隧道施工; 數值模擬; 上跨; 襯砌內力

【中國分類號】U449.52【文獻標志碼】A

隧道近接既有建筑物施工時，會對既有建筑物周圍的土體產生較大的擾動，破壞土體的穩定性，使既有建筑物產生沉降，當沉降量達到一定值時，是較大的安全隱患，對人民的生命財產安全造成威脅。為使隧道近接施工時對既有建筑物造成的擾動影響盡可能減小，需要采取相應的加固措施。目前國內外學者對近接工程的加固措施已經進行了較多的研究：

張文[1]等對盾構隧道近接既有管線施工進行分析，通過多方案比較，提出在廢棄管線內填混凝土，同時在管線外側加套鋼筒，并對管線周圍的地層注漿加固的最優方案。邵國霞[2]等基于三角模糊數并結合TOPSIS法構建了一種新的既有高鐵近接地基加固方案優選模型。路云[3]等在廣州地鐵西村站建設的地鐵隧道接近樁基施工中提出在既有基礎處加設鉆孔灌注樁或挖孔樁，使新增樁基與既有樁基共同承載，減小既有樁基沉降的加固方案。翁振華[4]采用雙機接力吊裝的方法，完成軟弱地基條件下盾構拆卸吊裝施工，解決了近接深基坑進行盾構吊裝的地基加固難題。夏國政[5]等對隧道注漿加固模型進行數值模擬分析，得到了行之有效的注漿范圍和注漿參數。鄧海峰[6]對隧道近接水庫段地表施工進行分析，提出分段漸進帷幕注漿技術，對地表加固取得了明顯的效果。高玄濤[7]分析研究地鐵深基坑開挖全過程對臨近建筑物的影響，重點研究基坑圍護結構對基坑自身及鄰近建筑物變形的影響，并提出了可行的內支撐方案。

從目前的研究資料來看，新建隧道近接其他建筑物的加固措施的優選方案較多。但專門研究在輸水隧洞上跨既有鐵路隧道施工時，可以減小輸水管水壓對下部隧道結構的影響的加固措施的文獻很少，因此需要進一步的研究。

1 工程概況

向家壩灌區北總干渠工程與成貴鐵路90 °立交，交點位于成貴鐵路手爬巖隧道D2K129+500處，即北總干渠工程望江巖隧洞北總干20+182.504。成貴鐵路手爬巖隧道軌面至向家壩灌區北總干渠望江巖隧洞底板高差為14.904 m，上覆隧道至下伏隧道拱頂最小距離僅5 m左右（圖1）。

2 地質概況

2.1 工程地質

線路在紅層中通過，以白堊系（K）、侏羅系（J）砂泥巖為主。白堊系上統高坎壩組（K2gk）、白堊系下統窩頭山組（K1w）、侏羅系上統蓬萊鎮組（J3p）、侏羅系上統遂寧組（J3s）為含石膏底層。構造以南北向弧形褶皺為主，主要不良地質有：有毒有害氣體、順層、危巖落石、隧道淺埋，局部地段有軟土分部。

2.2 水文地質

本標段地表水以河流為主，地下水以第四系松散砂卵礫石層為主，含水量豐富，可溶巖中的巖溶水及砂泥巖中的基巖裂隙水次之，其中巖溶水較為豐富，暗河、巖溶泉十分發育。大部分地表水對混凝土無侵蝕性，部分地段地表水及含煤層、石膏、巖鹽及鐵礦等地層中的地下水一般具有侵蝕性。對砼具弱～強硫酸型酸性侵蝕及弱～中等溶出性侵蝕，按鐵建設[2005]157號《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》，其侵蝕等級為H2。

3 建立模型及工況

依據地質資料，將地層參數可分為兩層，淺表地層及深表地層。支護參數分為初期支護、二次襯砌及工程加固措施。初支采用C20混凝土，二次及工程加固措施采用C40混凝土。選取的地層參數、支護結構及加固設施的工程材料如表1所示。

本項目采用FLAC3D軟件進行施工過程的模擬分析，根據上述材料參數表建立模型，輸水涵洞上跨鐵路隧道模型基本尺寸為60 m×35 m×45 m（方向x、y、z），兩隧道凈距為5 m，隧道交叉角度為90 °，地層土體采用各向同性模型，屈服破壞遵循摩爾-庫侖準則，初期支護采用實體單元模擬，二次襯砌采用Shell單元模擬。整體有限元模型和新建輸水隧洞與既有鐵路隧道的空間相對位置如圖2所示。

4 數值計算結果

4.1 加固措施施工引起下伏隧道襯砌結構的內力

對下伏隧道的襯砌結構的拱頂、拱腰、拱腳處設置監測點，待上覆輸水隧洞分部開挖完成后，分別計算三種工況的加固措施所引起的下伏隧道的內力，并選取最不利截面切片，根據對應的數據畫彎矩圖、軸力圖和內力曲線圖（圖4、圖5）。

由以上三種工況下伏隧道襯砌結構的內力圖和監測點內力曲線圖，可以看出不同加固措施的施作對下伏隧道襯砌結構的內力會造成不同程度的影響。長樁加固工況與無加固措施彎矩軸力分布規律類似，拱頂附近彎矩和軸力極值稍大。短樁加固工況對拱腰以上結構影響較大，會出現正負彎矩交替變化的現象，這是由于短樁施作深度只達到襯砌結構的上拱腰位置，對這部分結構會有較強的約束作用，并使隧道周圍的小部分土體受擠壓作用而應力重分布，使隧道的襯砌結構彎矩分布情況發生較大的改變。

4.2 水壓引起下伏隧道襯砌結構的內力

對上覆隧道進行模擬灌水，水量為滿灌，為簡化模型運算量，將水壓等效為均布荷載施加在上覆隧道的底板上，再次計算下伏隧道的內力，并選取最不利截面切片，根據對應的數據畫彎矩圖、軸力圖、內力曲線圖及水壓引起的內力變化曲線圖（圖6～圖8）。

在加入水壓后，長樁加固工況與無加固措施彎矩軸力分布規律類似，彎矩分布無明顯變化，極值略大于無加固措施，但減小了負軸力分布區。短樁加固工況依然對拱腰以上結構影響明顯，在短樁底部高度處，正彎矩達到極值6.0 kN·m，之后開始減小，這在一定程度上體現出了圣維南原理，負軸力增加明顯。

5 結論

本文采用FLAC3D三維有限元方法分析研究了上跨輸水涵洞的水壓對鐵路隧道襯砌結構的影響，主要結論如下：

（1）加固措施的施作對下伏隧道襯砌結構拱腰以上結構內力會造成影響較大，其中短樁工況下會使彎矩出現正負交替變化。

（2）施加水壓后，長樁、短樁加固內力分布規律大體相同，短樁受力條件略好于長樁。

（3）為了降低上覆水壓對隧道的影響，建議采用工況III的加固方案。采用工況III的短樁加固方案比工況II的工藝簡單，樁底開挖深度小，而取得的效果與工況II較為一致，為推薦方案。

參考文獻

[1] 張文，黃杰，張君臣，等. 盾構隧道近接既有管線的加固方案比選[J]. 路基工程， 2020（3）： 179-184.

[2] 邵國霞，曹政國. 基于三角模糊數-TOPSIS的既有高鐵近接地基加固方案優選[J]. 鐵道標準設計， 2019， 63（2）： 40-44.

[3] 路云，胡學林. 地鐵車站隧道與既有近接樁基相互影響研究[J]. 工程與建設， 2010， 24（3）： 373-375.