軟巖鐵路隧道上跨既有公路隧道施工變形規(guī)律分析

張立東 ZHANG Li-dong

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710075；中交瑞通路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司，西安 710075）

0 引言

近些年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，交通事業(yè)與基礎(chǔ)道路也加快了建設(shè)步伐。新建隧道上跨（下穿）既有隧道施工的情況也日益增多，其所產(chǎn)生的圍巖擾動(dòng)不可避免會(huì)起周邊圍巖應(yīng)力重分布，進(jìn)而造成既有隧道結(jié)構(gòu)的變形，其影響程度隨上下交叉隧道夾土層厚度的減小而增大。因此，針對(duì)新建隧道穿越施工對(duì)既有隧道的影響是現(xiàn)階段交叉隧道施工段的重難點(diǎn)[1，2]。目前，新建隧道穿越既有路線時(shí)以下穿方式居多。對(duì)于下穿形式，既有隧道受新建隧道施工影響主要產(chǎn)生豎直方向的沉降位移，這一課題國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已進(jìn)行了深入研究[3，4]；對(duì)于上穿形式，在上覆土體卸載后，既有隧道因其釋放的土體應(yīng)力而產(chǎn)生隆起變形。梁榮柱等[5]基于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁，將既有隧道簡(jiǎn)化從而計(jì)算出上跨施工影響的解析解。

綜上所述，關(guān)于新建軟巖鐵路隧道上跨施工對(duì)既有公路隧道影響相關(guān)研究目前較為缺乏。鑒于此，本文以某新建軟巖鐵路隧道上跨高速公路項(xiàng)目為工程背景，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究上跨鐵路隧道對(duì)既有公路隧道結(jié)構(gòu)的變形與位移規(guī)律。

1 工程背景

1.1 新建隧道工程概況

隧道全長(zhǎng)12329.5m，最大埋深約420m，軌面高程1005～1158m，為單洞單線隧道，穿越地層以風(fēng)化砂巖夾泥巖夾礫巖為主。隧址區(qū)位于秦嶺中山峽谷區(qū)，地形起伏大，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，不良地質(zhì)發(fā)育。隧址區(qū)主要不良地質(zhì)問(wèn)題為滑坡、巖堆、泥石流，對(duì)施工影響較大。

1.2 新建隧道與既有隧道位置關(guān)系

新建隧道在DK143+596處與既有隧道左線斜交，角度為61.3°；在DK143+662處與既有隧道右線斜交，角度為62.6°。既有隧道拱頂距新建鐵路隧道拱底凈高60.8m，公鐵交叉位置既有隧道為Ⅳ級(jí)圍巖，支護(hù)參數(shù)為SⅣa型復(fù)合式襯砌。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

三維數(shù)值模擬計(jì)算模型大小為：縱向沿上跨隧道軸線方向取180m，橫向邊界長(zhǎng)度取100m；垂直方向隧道取地表最低高程為120m，鐵路隧道底部距模型下邊界83m。模型頂部表面設(shè)為近似地表的自由邊界，前、后、左、右和下部邊界均施加水平約束，底部為固定約束。新建隧道采用拱部中管棚配合φ42小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前支護(hù)，留核心土上下臺(tái)階開(kāi)挖的施工方法，根據(jù)需要在拱頂上方路面中線處布置測(cè)點(diǎn)，模型共118993個(gè)單元、72772個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 三維計(jì)算模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

三維有限元數(shù)值計(jì)算中的地層和相關(guān)結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)為實(shí)際設(shè)計(jì)值，物理力學(xué)參數(shù)的選取參考地勘、設(shè)計(jì)文件和設(shè)計(jì)資料獲得。計(jì)算中，隧道圍巖采用Mohr-Coulomb模型模擬，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬。模型分析中襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖按連續(xù)、均勻介質(zhì)考慮。具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.3 施工過(guò)程的模擬和實(shí)現(xiàn)

新建隧道在公鐵交叉位置采用留核心土上下臺(tái)階開(kāi)挖工法，具體施工工序?yàn)椋孩匍_(kāi)挖上部臺(tái)階并預(yù)留核心土；②施作上部的初期支護(hù)，即初噴4cm厚混凝土，架立鋼架；③鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度；④上臺(tái)階施工至適當(dāng)距離后，先施作鎖腳錨管，再?gòu)?fù)噴至設(shè)計(jì)厚度，開(kāi)挖下部臺(tái)階，接長(zhǎng)鋼架，施作初期支護(hù)；⑤灌筑該段內(nèi)仰拱及隧底填充；⑥利用襯砌模板臺(tái)車一次性灌筑二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地表變形分析

新建鐵路隧道設(shè)計(jì)高程約為1075m，對(duì)應(yīng)地表最低高程約為1104.6m，最小埋深約為26.9m，屬于淺埋隧道，鐵路隧道施工不可避免對(duì)地面造成影響，為此以下對(duì)該位置施工期地表沉降進(jìn)行分析。鑒于模型施工步驟較多，出于篇幅考慮，分別選取“第1環(huán)開(kāi)挖完成”、“第18環(huán)開(kāi)挖完成”、“第36環(huán)開(kāi)挖完成”、“第54環(huán)開(kāi)挖完成”、“第72環(huán)開(kāi)挖完成”、“第90環(huán)開(kāi)挖完成”共6個(gè)典型工況進(jìn)行分析。經(jīng)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，地表沉降隨著鐵路隧道施工而逐漸發(fā)展，主要集中在隧道軸線兩側(cè)12m范圍內(nèi)。整體而言，距隧道軸線越近沉降值越大。

為更準(zhǔn)確和直觀分析地表沉降情況，在模型上方沿鐵路隧道軸線方向和垂直于隧道軸線方向分別設(shè)置1條監(jiān)測(cè)線，即測(cè)線1和測(cè)線2，測(cè)線1上共設(shè)32個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距12m；測(cè)線2上共計(jì)26個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距4m。

從圖2、圖3可以看出，沿鐵路隧道軸線方向，地表沉降值隨隧道開(kāi)挖而逐漸增大；施工完成后，地表最大沉降值為3.16mm，距開(kāi)挖起點(diǎn)距離48m。沿垂直鐵路隧道軸線方向，地表沉降曲線呈V形分布，最大沉降值為3.09mm，位于隧道軸線位置；地表沉降主要集中在隧道軸線兩側(cè)12m范圍內(nèi)；地表沉降主要為開(kāi)挖瞬間的地表瞬時(shí)沉降，前期擾動(dòng)及后期固結(jié)沉降所占比例較小。

圖2 監(jiān)測(cè)線1沉降曲線

圖3 監(jiān)測(cè)線2沉降曲線

3.2 既有隧道位移分析

為分析新建鐵路隧道開(kāi)挖對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)變形影響，以下結(jié)合公鐵交叉區(qū)域隧道空間位置關(guān)系，根據(jù)鐵路隧道掌子面距既有公路隧道距離不同，確定了3種典型工況，具體如表2所示。

經(jīng)分析，既有公路隧道的結(jié)構(gòu)變形主要集中在鐵路隧道掌子面抵達(dá)公路隧道正上方至開(kāi)挖結(jié)束這個(gè)階段；沿既有公路隧道軸線方向，隧道結(jié)構(gòu)變形呈倒V形分布，即在公鐵交叉位置出現(xiàn)隆起，而在兩端存在輕微沉降，隆起和沉降最大差值約為0.06mm；既有公路隧道水平位移隨鐵路隧道掌子面前進(jìn)而逐漸增大，最大水平位移約0.02mm，隧道左、右線變形曲線基本一致，均呈橫向“S”形，如圖4所示。

圖4 既有隧道豎向位移云圖（工況3）

3.3 既有隧道受力分析

新建鐵路隧道施工前后，既有公路隧道襯砌最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力如表3所示。可以看出，隨新建鐵路隧道的施工，既有公路隧道最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均有所提高，均位于拱腳位置，且均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表3 既有公路隧道二次襯砌受力

3.4 新建隧道施工穩(wěn)定性分析

3.4.1 拱頂豎向位移

鐵路隧道開(kāi)挖后，拱頂將會(huì)出現(xiàn)沉降，而拱底將會(huì)隆起。離拱頂越近，沉降值越大，拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?4.67mm；豎向離拱底越近，隆起值越大，拱底的最大隆起值為13.49mm。

鑒于新建隧道在公鐵交叉位置圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，圍巖類型為強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾礫巖夾砂巖，隧道埋深小于50m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取隧道拱頂相對(duì)下沉控制閾值為0.08%。本次模擬中，新建隧道拱頂最大沉降值為14.67mm，計(jì)算得到拱頂相對(duì)下沉為14.67/10.40/1000×100%=0.141%＜0.16%，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.4.2 拱腰水平位移

鐵路隧道開(kāi)挖后，兩側(cè)圍巖位移為向外擠出變形。隧道的左邊圍巖的水平最大位移值為9.73mm，右邊圍巖的水平最大位移值為-12.2mm，將二者絕對(duì)值相加得出洞周水平擠出變形值為21.93mm。

鑒于新建鐵路隧道在公鐵隧道交叉位置圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，圍巖類型為強(qiáng)泥巖夾礫巖夾砂巖，隧道埋深小于50m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取隧道拱腰水平相對(duì)凈空變化控制閾值為0.20%×（1.1～1.2）=0.22%~0.24%。本次模擬中，新建隧道洞周水平位移最大值為21.93mm，計(jì)算得到拱腰水平相對(duì)凈空變化為21.93/8.38/1000×100%=0.262%＜0.50%，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文以某新建軟巖鐵路隧道上跨既有公路隧道為工程背景，進(jìn)行數(shù)值模擬，探究上跨鐵路隧道施工對(duì)既有公路隧道的結(jié)構(gòu)變形與位移規(guī)律，得到以下結(jié)論：①上跨鐵路隧道施工引起的地表沉降主要為開(kāi)挖瞬間的地表瞬時(shí)沉降，前期擾動(dòng)及后期固結(jié)沉降所占比例較小。施工完成后，沿鐵路隧道軸線方向地表最大沉降值為3.16mm；沿垂直鐵路隧道軸線方向，地表沉降曲線呈V形分布，最大沉降值為3.09mm。②新建鐵路隧道施工對(duì)既有隧道影響較小，既有公路隧道的結(jié)構(gòu)變形主要集中在鐵路隧道掌子面抵達(dá)公路隧道正上方至開(kāi)挖結(jié)束這個(gè)階段。沿既有公路隧道軸線方向，隧道結(jié)構(gòu)變形呈倒V形分布，隆起和沉降最大差值約為0.06mm；既有隧道最大水平位移約0.02mm，同時(shí)左、右線變形曲線基本一致，均呈橫向“S”形。既有公路隧道最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均有所提高，均位于拱腳位置；既有公路隧道最大拉應(yīng)力為69.43kPa；最大壓應(yīng)力為579.80kPa。③鐵路隧道拱頂最大沉降值為14.67mm，水平位移最大值為21.93mm，均滿足規(guī)范要求。