新建上跨公路隧道對既有下方鐵路隧道結(jié)構(gòu)安全影響分析

王開陽

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司,重慶 401135)

隨著國家對基建行業(yè)的大力支持,我國鐵路、公路工程迎來了快速發(fā)展階段,鐵路隧道與公路隧道交叉、鐵路橋梁鄰近既有鐵路隧道、公路路基鄰近公路隧道等近接工程逐漸增多。在這些近接工程中,隧道上跨隧道的案例較多,施工風(fēng)險(xiǎn)也更大,如上跨隧道修建后下方隧道由深埋變?yōu)闇\埋,或由淺埋變?yōu)槌瑴\埋等,隧道埋深狀態(tài)的改變意味著隧道結(jié)構(gòu)受力模式的改變,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。上跨隧道的開挖卸荷還極易造成下方隧道隆起變形,嚴(yán)重影響隧道運(yùn)營安全。

國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合數(shù)值分析、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測等多種研究手段深入研究了新建隧道上跨施工對下方既有隧道結(jié)構(gòu)變形、受力的影響[1-6],并取得了顯著成果。新建隧道上跨施工后,下方隧道是否能滿足安全運(yùn)營要求,需通過結(jié)構(gòu)安全性評估確定。本文依托重慶至黔江鐵路徐家堡隧道工程,借助有限元軟件MIDAS模擬新建公路隧道上跨既有鐵路隧道開挖支護(hù)全過程,通過計(jì)算分析公路隧道上跨后下方鐵路隧道圍巖變形規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及安全系數(shù),同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測,以此驗(yàn)證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全性,為類似工程提供參考。

1 工程概況

重慶至黔江鐵路(渝黔線)徐家堡隧道位于重慶市南川區(qū)水江鎮(zhèn)境內(nèi),隧道起止里程為DK101+920-DK108+250,全長6 330 m,為單洞雙線隧道,隧道寬14.3 m,高12.2 m,隧道橫斷面如圖1所示。

圖1 交叉段鐵路隧道橫斷面(單位:cm)

隧道于DK104+510-DK104+400下穿在建渝湘高速復(fù)線水江隧道,平面夾角約66°,兩隧間凈距約15 m,交叉段隧道圍巖以灰?guī)r、白云巖為主,圍巖等級主要為IV級,公路隧道埋深約35 m,兩隧道具體空間關(guān)系如圖2所示。為了確保近接工程的施工安全性,根據(jù)施工組織設(shè)計(jì),鐵路隧道先于公路隧道施工。

圖2 上跨公路與下穿鐵路空間位置關(guān)系(單位:m)

2 三維數(shù)值模型

2.1 模型建立

本文借助大型有限元軟件Midas GTS NX建立三維數(shù)值計(jì)算模型,通過模擬新建公路隧道上跨既有鐵路隧道施工全過程,分析新建公路隧道對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)圣維南原理,隧道輪廓至模型邊界距離應(yīng)為3～5倍洞徑[7-8],由此,建立數(shù)值計(jì)算模型范圍為100 m×150 m×120 m,模型共生成單元總數(shù)為199 429個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)為208 596個(gè),具體如圖3所示。數(shù)值計(jì)算中,圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)等均采用混合六面體單元模擬,同時(shí)圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu),隧道襯砌及初支等結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)。

圖3 三維數(shù)值計(jì)算模型

2.2 計(jì)算步設(shè)計(jì)

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì),鐵路隧道先建設(shè)完成后再進(jìn)行上跨公路隧道修建。下方鐵路隧道采用全斷面法鉆爆施工,循環(huán)進(jìn)尺1～2 m;為了減小爆破對既有隧道的影響,上跨公路隧道采用懸臂掘進(jìn)機(jī)非爆開挖,進(jìn)尺控制在2 m以內(nèi)。本模型計(jì)算按照初始地應(yīng)力平衡(步序1)→渝黔線鐵路隧道修建(步序2)→渝黔線鐵路隧道二襯施作(步序3)→水江隧道修建(步序4)→水江隧道二襯施作(步序5)→提取計(jì)算結(jié)果(步序6)的步驟進(jìn)行。

2.3 模型參數(shù)

下方鐵路隧道初支采用25 cm厚C25噴射混凝土,鋼拱架采用I18型鋼@0.8 m;上方公路隧道采用20 cm厚C25噴射混凝土,鋼拱架采用I18型鋼@0.8 m。模型計(jì)算時(shí),將鋼拱架力學(xué)參數(shù)通過式(1)[9]等效換算到初噴混凝土中,采用MIDAS中內(nèi)置的板單元進(jìn)行初支的模擬,對于隧道襯砌及路基結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元。

E=E0+SdEd/S0

(1)

式中:E為初支彈模;E0為混凝土彈模;Ed為鋼拱架彈模;Sd為鋼拱架截面積;S0為混凝土截面積。

根據(jù)地勘資料,交叉段圍巖主要為灰?guī)r和白云巖,圍巖等級主要為IV級,圍巖參數(shù)結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003-2016)綜合取值,具體如表1所示。

表1 隧道圍巖力學(xué)特性及支護(hù)參數(shù)

3 地層結(jié)構(gòu)模型分析

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

MIDAS中結(jié)構(gòu)受力以受拉為正,受壓為負(fù),故而結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力,最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力。為進(jìn)一步分析上跨隧道開挖對下方隧道圍巖變形的影響,取計(jì)算步序3、步序5對應(yīng)襯砌結(jié)構(gòu)受力分析,并選取公路隧道正上跨鐵路隧道斷面,兩階段襯砌受力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 計(jì)算步序3襯砌主應(yīng)力云圖(單位:kPa)

圖5 計(jì)算步序5襯砌主應(yīng)力云圖(單位:kPa)

如圖4、圖5所示,公路隧道建設(shè)前,襯砌結(jié)構(gòu)受壓規(guī)律表現(xiàn)為拱腳>邊墻>拱腰>拱頂>仰拱,拱腳處最大壓應(yīng)力為3.085 MPa;襯砌結(jié)構(gòu)受拉規(guī)律表現(xiàn)為仰拱>拱頂>拱腳,仰拱處最大拉應(yīng)力為0.647 MPa。公路隧道建設(shè)后,襯砌結(jié)構(gòu)受壓規(guī)律仍表現(xiàn)為拱腳>邊墻>拱腰>拱頂>仰拱,拱腳處最大壓應(yīng)力為6.179 MPa;襯砌結(jié)構(gòu)受拉規(guī)律仍表現(xiàn)為仰拱>拱頂>拱腳,仰拱處最大拉應(yīng)力為1.005 MPa。

公路隧道建設(shè)前后,下方鐵路隧道結(jié)構(gòu)受力規(guī)律雖未發(fā)生改變,但公路隧道的修建導(dǎo)致下方鐵路隧道上方土體大量卸荷,破壞了原有的承載拱效應(yīng),圍巖應(yīng)力重分布,受荷模式的改變導(dǎo)致既有隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為受壓構(gòu)件,相較于受壓,襯砌受拉越大越危險(xiǎn),公路隧道建設(shè)后,既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大受拉增加0.358 MPa,位于隧道仰拱處,公路隧道的修建對既有隧道仰拱截面最為不利,但結(jié)構(gòu)所受最大拉壓應(yīng)力均小于結(jié)構(gòu)承載能力限值,結(jié)構(gòu)安全。

3.2 隧道圍巖變形分析

MIDAS中圍巖及結(jié)構(gòu)變形以同坐標(biāo)軸相同方向?yàn)檎?故而沉降變形為負(fù),隆起變形為正。為進(jìn)一步分析公路隧道施工對隧道圍巖變形的影響,取計(jì)算步序3、步序5對應(yīng)圍巖變形進(jìn)行分析,同時(shí)為了更加直觀反映出公路隧道建設(shè)前后圍巖的變形特征,通過切片方式取公路隧道上跨鐵路隧道斷面處進(jìn)行分析,兩階段圍巖豎向變形云圖如圖6所示。

圖6 圍巖變形云圖(單位:mm)

從圖6可知,公路隧道建設(shè)前,鐵路隧道圍巖豎向變形規(guī)律表現(xiàn)為拱腳、仰拱發(fā)生隆起變形,拱頂、拱腰、邊墻發(fā)生沉降變形,隆起變形量表現(xiàn)為仰拱>拱腳,沉降變形量表現(xiàn)為拱頂>拱腰>邊墻,相較之下,圍巖變形由仰拱隆起變形控制,最大變形量位于仰拱處,值為2.440 mm;公路隧道建設(shè)后,鐵路隧道圍巖豎向變形規(guī)律表現(xiàn)為邊墻、拱腳、仰拱發(fā)生隆起變形,拱頂、拱腰發(fā)生沉降變形,隆起變形量表現(xiàn)為仰拱>拱腳>邊墻,沉降變形量表現(xiàn)為拱頂>拱腰,相較之下,圍巖變形仍由仰拱隆起變形控制,最大變形量位于仰拱處,值為3.613 mm。

上方土體大量開挖卸荷,導(dǎo)致下方既有鐵路隧道發(fā)生整體隆起變形,隆起變形最大增量位于隧道仰拱處,新建隧道建設(shè)前后既有隧道仰拱變形差值為1.173 mm。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

由地層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果可知,公路隧道施工對下方鐵路隧道產(chǎn)生的主要影響表現(xiàn)為引起結(jié)構(gòu)隆起變形,為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的合理性,采取現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測的手段進(jìn)行驗(yàn)證,兩者交叉處既有隧道圍巖最終變形穩(wěn)定值如圖7所示。

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)變形計(jì)算與測試結(jié)果(單位:mm)

從圖7中可以看出,監(jiān)測值與模擬值的變化規(guī)律相同,實(shí)際拱頂累計(jì)變形為-2.367 mm,計(jì)算值為-2.133 mm,相對誤差為9.8%,拱腰、邊墻處相對誤差更小,說明采用有限元模擬公路隧道上跨鐵路隧道施工,能較好的反映工程實(shí)際。

4 荷載結(jié)構(gòu)模型分析

為分析上跨隧道修建后既有隧道結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力變化規(guī)律,地層結(jié)構(gòu)法中采用三維實(shí)體單元模擬二襯結(jié)構(gòu),可通過結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力云圖直觀分析,但因此無法反映結(jié)構(gòu)彎矩、軸力等內(nèi)力云圖,故采用荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行補(bǔ)充分析。由于公路隧道大角度上跨既有隧道,故將兩者凈距視為交叉斷面處既有隧道埋深進(jìn)行保守計(jì)算。

根據(jù)隧道開挖跨度和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》可算出既有鐵路隧道深淺埋分界線為17.37 m。公路隧道修建前,交叉段處鐵路隧道埋深約60 m,隧道埋深狀態(tài)為深埋隧道;公路隧道修建后,鐵路隧道埋深約15 m,隧道埋深狀態(tài)為淺埋隧道。

考慮公路隧道修建前,鐵路隧道荷載主要為圍巖壓力;公路隧道修建后,鐵路隧道受荷主要為圍巖壓力、上跨隧道結(jié)構(gòu)自重及隧道運(yùn)營期的車輛荷載(考慮為20 kPa),荷載計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 公路隧道修建前后下方鐵路隧道二襯荷載

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,IV級圍巖彈抗取為K=350 MPa/m。公路隧道修建前,鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖如圖8所示。

圖8 公路隧道修建前隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由此可計(jì)算出公路隧道前,下方鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù),具體如表3所示。

表3 隧道修建前結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

公路隧道修建后,鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖如圖9所示。

圖9 公路隧道修建后隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由此,可計(jì)算出公路隧道修建后下方鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù),具體如表4所示。

表4 隧道修建后結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

綜上,公路隧道修建前,下方鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)最不利截面位于拱頂處,最小安全系數(shù)為7.05;公路隧道修建后,下方鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)最不利截面仍位于拱頂處,最小安全系數(shù)為4.73,公路隧道的修建對下方鐵路隧道有一定影響,但仍在安全可控范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)公路隧道修建前后下方既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)受力規(guī)律未發(fā)生改變,但新建隧道的施工破壞了既有隧道的承載拱效應(yīng),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力增加,仰拱處拉應(yīng)力增加最大,值為1.005 MPa。

(2)上方土體的大量開挖卸荷導(dǎo)致下方既有隧道結(jié)構(gòu)整體上浮,相較而言,下方既有隧道仰拱隆起變形最大,變形增量為1.173 mm。

(3)公路隧道修建前后,下方鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)分別為7.05、4.73,說明公路隧道的修建對下方鐵路隧道有一定影響,但仍在安全可控范圍內(nèi)。