新建隧道施工引起既有鐵路路塹變形仿真模型研究

林華明 王兆林 陳求勝 游桂林 俞愛月

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷進(jìn)步，城市化發(fā)展對(duì)隧道工程及鐵路工程的要求越來越高，新建隧道對(duì)既有地鐵隧道安全運(yùn)營的影響也備受關(guān)注［1］。其中表現(xiàn)最為明顯的是對(duì)既有隧道位移場的影響，因此研究新建隧道明挖段施工對(duì)既有鐵路路塹的變形影響非常有必要。

國內(nèi)外學(xué)者通過有限元分析、計(jì)算模型、室內(nèi)試驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)等對(duì)既有隧道的安全運(yùn)營展開了大量研究。廖坤陽等［2］通過有限元分析法，研究了是否回填以及地表荷載的差異對(duì)新建隧道邊坡以及道路變形的影響，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證；鐘彥之［3］以新建隧道下穿鐵路隧道施工為依據(jù)，建立了三維數(shù)值仿真模型，通過分析既有隧道結(jié)構(gòu)受力以及變形，提出合理的施工工法；張浩［4］通過有限元分析法，模擬了既有隧道近距離上跨既有隧道施工的結(jié)構(gòu)受力及變形狀態(tài)，分析了施工對(duì)既有隧道的安全影響；范德全［5］基于新建隧道上跨爆破振動(dòng)，研究了新建隧道施工對(duì)既有隧道的安全影響，并提出了相應(yīng)的解決方案；王希寶等［6］介紹了新建高速公路隧道上跨既有引水隧道安全評(píng)估方法及解決方法，提出了增加臺(tái)階步數(shù)以及短進(jìn)尺的措施。

大量研究表明，新建隧道對(duì)既有隧道的影響與解決方案目前仍備受關(guān)注，因此本研究依托于二維平面應(yīng)變有限元分析方法，針對(duì)新建隧道明挖法與暗挖法施工探討新建隧道對(duì)既有鐵路路塹的影響，分析結(jié)果可為類似工程提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值仿真模型建立

某新建隧道為單線隧道，起止樁號(hào)為DK0+995～DK1+885，新建隧道施工對(duì)巖土體卸載以及爆破施工的影響，可能造成既有隧道結(jié)構(gòu)位移過大及圍巖應(yīng)力過高使得隧道產(chǎn)生開裂。為研究新建隧道施工引起鐵路路塹變形情況，本研究選取DK1+300明挖處及DK1+440暗挖處作為研究對(duì)象。計(jì)算斷面相對(duì)位置關(guān)系如表1所示。

表1 計(jì)算斷面關(guān)系

1.1 數(shù)值仿真模型

如圖1所示，計(jì)算模型的長×寬為150 m×60 m，在該區(qū)通過模擬明挖法1∶0.75放坡開挖分析整個(gè)施工期間對(duì)鐵路路塹的影響。計(jì)算模型兩側(cè)限制水平位移，底部限制豎向位移，頂部為自由面，模擬不考慮開挖邊坡的穩(wěn)定。新建隧道襯砌及既有鐵路路塹采用線彈性梁單元，巖土體采用平面應(yīng)變，本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫準(zhǔn)則。

圖1 數(shù)值仿真模型網(wǎng)格劃分

1.2 計(jì)算參數(shù)

某新建隧道相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)具體如下。①DK1+300斷面明挖處：放坡開挖采用10 cm厚網(wǎng)噴C25混凝土和直徑22 mm、長度4 m錨桿進(jìn)行坡面防護(hù)；永豐村隧道襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度50 cm。②DK1+440斷面暗洞開挖處：永豐村隧道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚度25 cm，臨時(shí)仰拱采用厚度20 cm的C25素混凝土，初支錨桿直徑為22 mm，長3.5 m，彈性模量210 GPa，重度78.5 kN/m3，二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度50 cm。巖土計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 巖土計(jì)算參數(shù)

2 數(shù)值仿真模型計(jì)算結(jié)果分析

2.1 既有鐵路路塹位移分析點(diǎn)選取

提取DK1+300及DK1+400斷面土體位移分析點(diǎn)如圖2所示。

2.2 DK1+300既有鐵路路塹位移分析

提取DK1+300斷面土體變化曲線如圖3所示，其中A1～F2分別表示圖2（a）中從左向右6個(gè)節(jié)點(diǎn)，施工步序1、2、3分別表示新建隧道地層開挖和邊坡支護(hù)、隧道襯砌及覆土回填、永久坡面加固3個(gè)施工步序。

圖2 DK1+300及DK1+440斷面土體位移分析點(diǎn)

由圖3（a）可知，DK1+300斷面地層開挖和邊坡支護(hù)過程中，由于開挖時(shí)對(duì)邊坡周邊土體產(chǎn)生的擠壓現(xiàn)象，使得周邊邊坡土體出現(xiàn)隆起，最大的隆起值達(dá)到11.1 mm；在隧道襯砌施作及覆土回填過程中，由于重力場的強(qiáng)度提高，使得邊坡周邊土體發(fā)生較大的沉降現(xiàn)象，與隆起值為0的點(diǎn)比較可以發(fā)現(xiàn)，最大沉降差達(dá)到-17.1 mm；在永久坡面加固的施作過程中，土體基本趨于穩(wěn)定。

由圖3（b）可知，DK1+300斷面地層開挖和邊坡支護(hù)過程中，周邊邊坡土體出現(xiàn)開挖面向外側(cè)產(chǎn)生擠壓力，即產(chǎn)生左側(cè)向左的擠壓力、右側(cè)向右的擠壓力，最大的水平位移值達(dá)到11.1 mm；在隧道襯砌施作及覆土回填過程中，由于荷載是從下部往上部逐漸增加，產(chǎn)生邊坡周邊土體向內(nèi)側(cè)回縮的現(xiàn)象，且下部的回縮量小于上部的回縮量，與隆起值為0點(diǎn)比較可以發(fā)現(xiàn)，最大水平位移差達(dá)到-13.5 mm，且出現(xiàn)在邊坡右側(cè)上部位置；在永久坡面加固的施作過程中，土體基本趨于穩(wěn)定。

圖3 DK1+300斷面新建隧道施工位移變化圖

綜上所述，在整個(gè)DK1+300斷面施工全過程中，既有鐵路路塹的最大沉降為-0.2 mm，水平位移最大值為0.3 mm。既有鐵路路塹變形最大的施工階段為明挖法放坡開挖階段，該施工階段需要將新建隧道明挖段上部土體挖出，對(duì)地層有著較大的擾動(dòng)。主要原因是在施工場地內(nèi)的土體未被開挖前，整個(gè)施工區(qū)域在初始地應(yīng)力的作用下處于某種穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)放坡開挖打破了初始場地穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)土體開挖區(qū)域外土體塑性區(qū)增大，土體表現(xiàn)出較強(qiáng)的流動(dòng)性，會(huì)發(fā)生向坑內(nèi)位移的現(xiàn)象，圍護(hù)樁體受到坑外主動(dòng)土壓力的作用，產(chǎn)生向土體開挖區(qū)域內(nèi)部傾斜的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致坑外土體沉降的現(xiàn)象產(chǎn)生，而距離實(shí)際開挖面越近，這種趨勢(shì)也會(huì)越明顯。筆者研究的斷面采用明挖法施工，且存在1∶1的放坡開挖，安全系數(shù)較高，開挖深度較淺，圍護(hù)樁和土體的變形均在毫米量級(jí)以內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全度較高。

2.3 DK1+440既有鐵路路塹位移分析

提取DK1+440斷面土體位移變化曲線如圖4所示，其中A3～H4分別表示圖2（b）中從左向右8個(gè)節(jié)點(diǎn)，施工步序1、2、3分別表示新建隧道上臺(tái)階開挖、下臺(tái)階開挖、施作二襯3個(gè)施工步序。

由圖4（a）可知，DK1+440斷面上臺(tái)階開挖過程中，由于土體受到施工擾動(dòng)發(fā)生應(yīng)力重分布的現(xiàn)象，上部土體發(fā)生沉降，最大的沉降差達(dá)到-10.7 mm，隧道具有一定的自穩(wěn)能力，從鄰近既有鐵路路塹的沉降值可以看出，沉降不明顯；隨著新建隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施作以及此時(shí)巖體已趨于穩(wěn)定，豎直向變形增加較小。

由圖4（b）可知，DK1+440斷面上臺(tái)階開挖過程中，周邊土體受到擠壓作用，并隨著邊坡效應(yīng)，位移出現(xiàn)向右移動(dòng)的趨勢(shì)，距離新建隧道越遠(yuǎn)，移動(dòng)趨勢(shì)越小，最大的水平位移差達(dá)到6.1 mm；隨著隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施作以及圍巖穩(wěn)定，水平方向位移增加基本趨于穩(wěn)定。

圖4 DK1+440斷面新建隧道施工位移變化圖

綜上所述，DK1+440斷面既有鐵路路塹變形最大的施工階段為施作二襯階段，該施工階段將在初支完成后進(jìn)行二次襯砌支護(hù)，地層的壓力使初支承受較大壓力發(fā)生變形，對(duì)地層有著較大的擾動(dòng)。分析原因是在施工場地內(nèi)的土體未被開挖前，整個(gè)施工區(qū)域在初始地應(yīng)力的作用下處于某種穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)隧道臺(tái)階法開挖打破了初始場地穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)土體開挖區(qū)域外土體塑性區(qū)增大，土體表現(xiàn)出較強(qiáng)的流動(dòng)性。既有鐵路路基的變形均在毫米量級(jí)，變形較小，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較高。

3 結(jié)論

本研究通過二維應(yīng)變數(shù)值仿真模型對(duì)新建隧道施工引起的既有鐵路路塹變形展開研究，針對(duì)新建隧道明挖法與暗挖法施工探討新建隧道對(duì)既有鐵路路塹的影響，得到以下結(jié)論。

①根據(jù)不同的施工工序，DK1+300斷面最大沉降差達(dá)到-17.1 mm，水平位移差達(dá)到11.1 mm，且出現(xiàn)在新建隧道地層開挖和邊坡支護(hù)這一工序當(dāng)中；DK1+440斷面最大沉降差達(dá)到-10.7 mm，水平位移差達(dá)到6.1 mm，且出現(xiàn)在新建隧道上臺(tái)階開挖這一工序。研究發(fā)現(xiàn)，隧道初期開挖使得巖土體原應(yīng)力重分布，開挖后快速趨于穩(wěn)定，因此需要特別關(guān)注隧道初期開挖時(shí)巖土體的穩(wěn)定性。

②DK1+300斷面明挖段施工全過程中，既有鐵路路塹的最大沉降值為-0.2 mm，最大水平位移值為0.3 mm，變形基本趨于穩(wěn)定；DK1+440斷面暗挖法施工全過程中，既有鐵路路塹變形最大的施工階段為施作二襯階段，最大隆起值為0.7 mm，最大水平位移值為1.4 mm，隧道開挖過程使得土體開挖區(qū)域外土體塑性區(qū)增大，土體表現(xiàn)出較強(qiáng)的流動(dòng)性。

③就筆者研究的既有鐵路路塹變形而言，新建隧道與既有鐵路路塹步距較大，既有鐵路路塹所產(chǎn)生的變形量較小，變形區(qū)域處于安全范圍。該研究結(jié)果可為類似工程提供參考依據(jù)。