公路隧道下穿對(duì)既有鐵路隧道的力學(xué)特性影響研究

唐 旭，張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

1 相關(guān)研究文獻(xiàn)

近年來，隨著我國(guó)不斷推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，使得我國(guó)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(huì)面臨下穿既有隧道的情況。由于下穿既有隧道工程容易對(duì)既有隧道產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致既有隧道產(chǎn)生移動(dòng)和變形，影響既有隧道的安全和使用壽命。因此有必要對(duì)相關(guān)工程施工期的既有隧道進(jìn)行相應(yīng)的分析，以確保既有隧道在下穿工程施工和運(yùn)營(yíng)階段的安全性。

許多學(xué)者對(duì)隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物進(jìn)行了有意義的研究，如萬良勇[1]以北京地鐵7號(hào)線下穿既有雙井站為背景，對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了相應(yīng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，采用數(shù)值模擬，比較了不同工法對(duì)既有構(gòu)筑物的擾動(dòng)特點(diǎn)；Lin[3]等人以長(zhǎng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)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(jìn)行了深入研究；李棟[4]等人針對(duì)重慶花卉園地鐵區(qū)間隧道下穿既有天橋的復(fù)雜開挖條件，對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并結(jié)合數(shù)值模擬提出了相應(yīng)的控制措施；韓煊[5]等人分析了國(guó)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(shí)產(chǎn)生沉降的預(yù)測(cè)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(duì)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(jìn)行研究，以期為類似下穿既有隧道工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2 計(jì)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(shí)際情況，采用FLAC 3D來進(jìn)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(jì)細(xì)則》相關(guān)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，從簡(jiǎn)化計(jì)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(jí)圍巖，兩端為Ⅲ級(jí)圍巖，排花洞隧道采用C35鋼筋混凝土復(fù)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(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則作為圍巖的屈服準(zhǔn)則。為防止邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，模型的長(zhǎng)、寬和高分別為150 m、175 m和130 m。設(shè)計(jì)中采用CD法進(jìn)行下穿段的施工，以每?jī)砷摷転橐谎h(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(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性實(shí)體單元進(jìn)行模擬，巖土體采用三維六面體實(shí)體單元和三維四面體實(shí)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(jì)算工況設(shè)置

為分析CD法開挖新建隧道對(duì)既有隧道的影響，在平衡初始地應(yīng)力場(chǎng)和開挖支護(hù)既有隧道后，進(jìn)行新建隧道的施工計(jì)算?？紤]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(gè)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(duì)既有隧道的影響。開挖支護(hù)既有隧道后的豎向應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 排花洞隧道開挖支護(hù)后模型豎向應(yīng)力云圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力

通過計(jì)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(yīng)力和最大主應(yīng)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(shí)，既有隧道二襯的最小主應(yīng)力為10.783 MPa，為壓應(yīng)力。隨著施工的不斷進(jìn)行，二襯結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力逐漸增大，并保持為壓應(yīng)力。二襯結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力的最大值發(fā)生在拱腳附近，在左右線貫通后最小主應(yīng)力達(dá)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(yīng)力(單位：Pa)

圖6 不同施工階段既有隧道二襯最大主應(yīng)力(單位：Pa)

由圖6可以看出，左線開始開挖(工況一)時(shí)，既有隧道二襯的最大主應(yīng)力為0.449 MPa，為拉應(yīng)力。隨著施工的不斷進(jìn)行，可以看到二襯結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力保持為拉應(yīng)力，并逐漸增大。二襯結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力發(fā)生在拱肩附近，在左右線貫通后最大主應(yīng)力達(dá)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(jì)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(jì)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(jìn)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(dá)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(jì)算結(jié)果，依據(jù)TB10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.5.1的相關(guān)規(guī)定，采用破損階段法計(jì)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(shí)，彎矩在拱頂處達(dá)到最大值217 kN·m；二襯結(jié)構(gòu)外側(cè)受拉時(shí)，彎矩在墻腳處達(dá)到最大值86.7 kN·m。通過對(duì)各關(guān)鍵截面安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)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(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)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(duì)既有隧道的擾動(dòng)影響，通過對(duì)既有隧道二襯結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移以及安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到了以下結(jié)論：

(1)新建隧道在下穿既有隧道時(shí)，會(huì)對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)及周圍應(yīng)力場(chǎng)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(hù)的進(jìn)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(duì)掌子面乃至整個(gè)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(duì)既有隧道的擾動(dòng)，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。