公路隧道下穿對既有鐵路隧道的力學特性影響研究

唐 旭，張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

1 相關(guān)研究文獻

近年來，隨著我國不斷推進基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，使得我國隧道建設(shè)事業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。在公路隧道的建設(shè)中，常會面臨下穿既有隧道的情況。由于下穿既有隧道工程容易對既有隧道產(chǎn)生不利影響，導致既有隧道產(chǎn)生移動和變形，影響既有隧道的安全和使用壽命。因此有必要對相關(guān)工程施工期的既有隧道進行相應的分析，以確保既有隧道在下穿工程施工和運營階段的安全性。

許多學者對隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物進行了有意義的研究，如萬良勇[1]以北京地鐵7號線下穿既有雙井站為背景，對新建區(qū)間隧道“零距離”穿越既有車站結(jié)構(gòu)和區(qū)間隧道支護結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，確定了相應的施工開挖方案；姚海波[2]根據(jù)新建隧道的施工順序和與既有結(jié)構(gòu)物沉降的對應關(guān)系，采用數(shù)值模擬，比較了不同工法對既有構(gòu)筑物的擾動特點；Lin[3]等人以長沙某地鐵盾構(gòu)隧道下穿斜交隧道為背景，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等手段，對新隧道開挖和交角變化所引起的既有隧道的變形和內(nèi)力等特性變化進行了深入研究；李棟[4]等人針對重慶花卉園地鐵區(qū)間隧道下穿既有天橋的復雜開挖條件，對隧道穩(wěn)定性進行分析，并結(jié)合數(shù)值模擬提出了相應的控制措施；韓煊[5]等人分析了國內(nèi)外地鐵下穿既有線的典型案例，提出了適用于既有線在新建隧道下穿時產(chǎn)生沉降的預測分析方法。

本文以重慶三環(huán)高速明月山公路隧道下穿滬蓉鐵路排花洞既有隧道為依托工程，采用三維有限差分軟件FLAC 3D對既有隧道在新建隧道采用CD法下穿施工過程中的內(nèi)力和變形特性進行研究，以期為類似下穿既有隧道工程的設(shè)計和施工提供參考。

2 計算模型及參數(shù)選取

本文依托明月山公路隧道下穿滬蓉鐵路既有隧道工程的實際情況，采用FLAC 3D來進行工程數(shù)值模擬。明月山公路隧道左、右線以48 °角與滬蓉鐵路排花洞既有隧道斜交，其結(jié)構(gòu)凈距為24.6 m(圖1)。

圖1 隧道空間位置關(guān)系示意

模型采用地層—結(jié)構(gòu)法，下穿隧道洞徑為11.75 m，洞高為8.835 m，綜合相關(guān)地質(zhì)資料及JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計細則》相關(guān)圍巖的物理力學參數(shù)，從簡化計算和安全考慮，故取最不利情況，在下穿鐵路段設(shè)置為Ⅴ級圍巖，兩端為Ⅲ級圍巖，排花洞隧道采用C35鋼筋混凝土復合式襯砌，明月山隧道采用C20噴射混凝土和C35鋼筋混凝土。具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

計算采用摩爾-庫倫屈服準則作為圍巖的屈服準則。為防止邊界效應對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，模型的長、寬和高分別為150 m、175 m和130 m。設(shè)計中采用CD法進行下穿段的施工，以每兩榀鋼架為一循環(huán)，左右線先后開挖，待一側(cè)二襯完成之后再開挖另一側(cè)，其具體施工順序如圖2所示。既有隧道和新建隧道的支護結(jié)構(gòu)采用彈性實體單元進行模擬，巖土體采用三維六面體實體單元和三維四面體實體單元模擬，模型如圖3所示。

圖2 隧道施工順序

圖3 整體模型示意

3 不同計算工況設(shè)置

為分析CD法開挖新建隧道對既有隧道的影響，在平衡初始地應力場和開挖支護既有隧道后，進行新建隧道的施工計算。考慮到最不利影響影響，故取既有隧道與新建隧道左右線交叉斷面為典型研究斷面，并設(shè)置5個典型工況：工況一(左線剛開挖)、工況二(左線開挖至交叉斷面)、工況三(左線貫通)、工況四(右線開挖至交叉斷面)、工況五(右線貫通)，來探究新建隧道對既有隧道的影響。開挖支護既有隧道后的豎向應力分布如圖4所示。

圖4 排花洞隧道開挖支護后模型豎向應力云圖

4 計算結(jié)果分析

4.1 既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力

通過計算可得在下穿既有隧道的不同施工階段下既有隧道二襯的最小主應力和最大主應力云圖如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，左線開始開挖(工況一)時，既有隧道二襯的最小主應力為10.783 MPa，為壓應力。隨著施工的不斷進行，二襯結(jié)構(gòu)的最小主應力逐漸增大，并保持為壓應力。二襯結(jié)構(gòu)最小主應力的最大值發(fā)生在拱腳附近，在左右線貫通后最小主應力達到最大值11.626 MPa。

圖5 不同施工階段既有隧道二襯最小主應力(單位：Pa)

圖6 不同施工階段既有隧道二襯最大主應力(單位：Pa)

由圖6可以看出，左線開始開挖(工況一)時，既有隧道二襯的最大主應力為0.449 MPa，為拉應力。隨著施工的不斷進行，可以看到二襯結(jié)構(gòu)的最大主應力保持為拉應力，并逐漸增大。二襯結(jié)構(gòu)最大主應力發(fā)生在拱肩附近，在左右線貫通后最大主應力達到最大值0.519 MPa。

4.2 既有隧道結(jié)構(gòu)位移

根據(jù)施工模擬的計算結(jié)果，提取各施工步下典型研究斷面各關(guān)鍵截面的水平位移和豎向位移的計算結(jié)果，采用Origin軟件繪制圖7、圖8。

圖7 研究斷面關(guān)鍵部位在不同施工步的水平位移

圖8 研究斷面關(guān)鍵部位在不同施工步的豎向位移

隨著新建隧道施工的不斷進行，由圖7和圖8可知，研究斷面二襯結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的水平位移和豎向位移逐漸增大。在右線貫通并施作完二襯后，水平位移和豎向位移達到最大。其中，最大水平位移出現(xiàn)在右墻腰處，為0.277 mm；最大豎向位移出現(xiàn)在仰拱處，為5.234 mm。根據(jù)TG/GW102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》的相關(guān)要求，可知研究斷面的位移變形滿足相關(guān)規(guī)定的限值。

4.3 既有隧道二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

根據(jù)計算結(jié)果，依據(jù)TB10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》第8.5.1的相關(guān)規(guī)定，采用破損階段法計算施工完成后研究斷面二襯結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 既有隧道截面內(nèi)力及安全系數(shù)

由表2中既有隧道二襯結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的截面內(nèi)力可知，二襯內(nèi)部均為軸向壓力，且最大軸力出現(xiàn)在墻腳處，為2375.2 kN；二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)受拉時，彎矩在拱頂處達到最大值217 kN·m；二襯結(jié)構(gòu)外側(cè)受拉時，彎矩在墻腳處達到最大值86.7 kN·m。通過對各關(guān)鍵截面安全系數(shù)進行計算分析，可以發(fā)現(xiàn)最小安全系數(shù)值4.57出現(xiàn)在墻腳處，且研究斷面各截面的安全系數(shù)遠高于對應的相關(guān)規(guī)范規(guī)定的抗裂和抗壓安全系數(shù)臨界值2.4和2.0。

5 結(jié)論

本文探究了采用CD法開挖的新建隧道對既有隧道的擾動影響，通過對既有隧道二襯結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移以及安全系數(shù)進行計算分析，得到了以下結(jié)論：

(1)新建隧道在下穿既有隧道時，會對既有隧道的結(jié)構(gòu)及周圍應力場產(chǎn)生影響；

(2)在不同施工階段下，隨著新建隧道左右線開挖和支護的進行，既有隧道的二襯結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移隨之逐漸增大；

(3)CD法開挖可以對掌子面乃至整個開挖隧道起到很好的變形控制作用，新建隧道采用CD法開挖可以有效降低施工期間對既有隧道的擾動，確保既有隧道結(jié)構(gòu)的安全。因此在下穿既有隧道的施工中，可以考慮采用CD法及其他施工變形控制措施，確保既有隧道結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。