新建鐵路對(duì)下部飲水隧道的影響分析

汪琳 李永奎 徐海濤

某新建鐵路上跨既有飲水隧道，兩者最短垂直距離為9.2 m，為評(píng)估新建鐵路施工階段與運(yùn)營階段對(duì)飲水隧道的影響，基于有限元軟件建立等比例模型，從應(yīng)力和位移2方面進(jìn)行全面評(píng)估。數(shù)值模擬結(jié)果表明：由新建鐵路施工與運(yùn)營，導(dǎo)致飲水隧道的位移增量值不超過1 mm，豎向最大應(yīng)力增量變化幅度為1.82%，基本可忽略不計(jì)。

新建鐵路； 飲水隧道； 位移增量； 應(yīng)力增量； 評(píng)估

U452.2+6 A

［定稿日期］2022-05-25

［作者簡介］汪琳（1989—），男，本科，工程師，主要從事鐵路路基及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)工作；李永奎（1992—），男，碩士，工程師，主要從事鐵路和公路路基設(shè)計(jì)工作。

近年來，隨著交通建設(shè)的不斷深入，從過去對(duì)空間簡單使用，轉(zhuǎn)變至現(xiàn)在的多層次多方位復(fù)雜利用，新建鐵路、公路上跨或下穿既有基礎(chǔ)設(shè)施的概率逐漸增大，因此評(píng)估分析新建工程對(duì)既有建筑物正常使用的影響，具有較大的工程實(shí)踐價(jià)值。

目前，國內(nèi)外研究新建工程對(duì)既有建筑物的文獻(xiàn)較多，研究對(duì)象多為新建隧道對(duì)既有鐵路、既有公路和既有隧道的影響。趙東平等［1］ 、袁溢［2］、鄭俊杰等［3］、王明年等［4］基于FLAC3D對(duì)新建隧道上穿既有隧道的施工方式進(jìn)行了研究，給出了爆破施工的安全控制范圍；王小林等［5］利用MIDAS GTX有限元軟件，以隧道半斷面深孔注漿半徑為控制變量，分析了新建地鐵隧道對(duì)上部既有鐵路路基的沉降變形影響；郭宏博［6］對(duì)上下交叉隧道施工進(jìn)行分析，得出施工引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律；周斌等［7］利用ANASYS有限元，分析了新建公路隧道施工對(duì)既有鐵路隧道內(nèi)力的影響，得出既有隧道結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求；Kimura等［8］基于離心機(jī)模型試驗(yàn)，研究了倫敦地鐵施工導(dǎo)致地表沉降的規(guī)律；劉洪洲等［9］利用三維數(shù)值模擬，分析了地鐵盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響。

綜上所述，基于有限元軟件，分析新建鐵路對(duì)既有建筑物的影響是常用方式。但目前研究新建鐵路對(duì)下部既有飲水隧道的影響報(bào)道較少。不同工程實(shí)例的地質(zhì)情況、支護(hù)措施以及隧道尺寸等都存在差異，針對(duì)實(shí)際工程有必要進(jìn)行單獨(dú)分析。本文以某新建鐵路項(xiàng)目為依托，考慮施工階段和運(yùn)營階段對(duì)下部飲水隧道內(nèi)力和變形的影響，研究成果為評(píng)估既有設(shè)計(jì)的合理性提供參考價(jià)值。

1 工程概況

受鐵路線位的控制，某新建鐵路需上跨外徑為6.6 m的既有馬蹄形飲水隧道，襯砌為0.6 m厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鐵路路肩與飲水隧洞頂部之間為微風(fēng)化巖層，巖體厚度約為19 m。受地形的限制，該區(qū)段鐵路需開挖既有邊坡坡腳以實(shí)現(xiàn)收坡處理，經(jīng)計(jì)算最后采用樁板墻支護(hù)形式。為了減小鐵路施工對(duì)飲水隧道產(chǎn)生破壞，擬采用人工水磨鉆施工錨固樁，因此在建模中不需考慮機(jī)械荷載。

交叉段地層為三疊系上統(tǒng)文賓山組上段（T3wb）泥質(zhì)砂巖、炭質(zhì)砂巖夾煤。灰色、灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄—中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化層W3厚約6～12 m，屬Ⅳ級(jí)軟石；碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化W3呈碎塊狀，巖質(zhì)較軟，屬Ⅳ級(jí)軟石；弱風(fēng)化層W2巖質(zhì)較軟，屬Ⅳ級(jí)軟石。

2 有限元模型

為消除模型邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，采用鄭穎人建議的邊界范圍：左端邊界為1.5H，坡頂至右端邊界2.5H，上下邊界總高不低于2H。選取模型寬度為77.7 m、長度80.0 m、總高度75.5 m，其中飲水隧道拱底至模型底部的高度為20.0 m。約束情況：前后、左右平面受水平約束，底平面受豎向約束，上平面受施加初始引起的應(yīng)力邊界約束。共劃分310 622個(gè)單元，計(jì)算中，抗滑樁、擋土板和隧道襯砌采用彈性實(shí)體單元模擬，地層采用彈塑性實(shí)體單元模擬。建模信息如圖1所示。

2.1 物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)已有地質(zhì)勘查報(bào)告，并參考《工程地質(zhì)手冊》，給出數(shù)值模擬范圍內(nèi)土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

2.2 計(jì)算過程

整個(gè)數(shù)值模擬共有3個(gè)步驟： ①施加邊界約束與初始應(yīng)力，計(jì)算模型的初始應(yīng)力場；②施工模型范圍內(nèi)抗滑樁和擋土板，開挖樁前巖土體露出設(shè)計(jì)線，模擬施工開挖對(duì)飲水隧道內(nèi)力和位移的影響。③鐵路施工完成后，參考TB 10001-2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，添加列車靜荷載，模擬鐵路運(yùn)營對(duì)引水隧道內(nèi)力與位移的變化。

3 計(jì)算結(jié)果分析

評(píng)估既有飲水隧道的安全性，關(guān)注點(diǎn)在于新建鐵路施工和運(yùn)營階段，對(duì)其內(nèi)力和位移產(chǎn)生的影響。為便于后續(xù)描述，將修建鐵路支護(hù)和開挖過程簡稱為開挖階段，添加列車荷載簡稱為加載階段。將初始應(yīng)力下既有飲水隧道的內(nèi)力值和位移值，與開挖階段和加載階段的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以評(píng)估出新建鐵路對(duì)既有飲水隧道產(chǎn)生的影響。為定量分析模擬結(jié)果，選取垂直于飲水隧道并通過抗滑樁中部的平面作為研究分析斷面。

3.1 位移結(jié)果分析

3.1.1 豎向位移

圖2是3個(gè)階段下隧道襯砌的豎向位移云圖。圖2（a）是模擬的初始應(yīng)力場，通過圖2（a）可知，飲水隧道的最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂中部區(qū)域，值為0.61 mm，豎向位移從拱頂中部區(qū)域逐漸向拱底中部區(qū)域減小，最小豎向位移值為0.24 mm，初始應(yīng)力場下隧道整體豎向位移值不大，分析是因?yàn)轱嬎淼琅c新建鐵路之間存在約19 m厚的微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，能夠較好地形成應(yīng)力拱，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力重分布。圖2（b）是模擬的開挖階段，通過圖2（b）發(fā)現(xiàn)，開挖階段的豎向位移整體有向上隆起的趨勢，符合應(yīng)力釋放現(xiàn)象，與兩側(cè)拱腰成-45°夾角區(qū)域的位移回彈量最大，為1.41×10-3 mm。圖2（c）是模擬的加載階段，添加鐵路影響范圍內(nèi)的豎向面荷載67.8 kPa，產(chǎn)生附加位移最大值為0.04 mm，加載階段的位移變化趨勢與原始階段基本一致。圖3是3個(gè)階段下，模型切片范圍內(nèi)整體豎向位移云圖，從圖3（a）與圖3（b）可以看出引水隧道中部沿線范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯突變，表明出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；從圖3（c）可發(fā)現(xiàn)，在附加應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的附加豎向位移呈層狀分布，并在飲水隧道附近出現(xiàn)小范圍位移突變。

3.1.2 水平位移

圖4是3個(gè)階段的隧道襯砌水平位移云圖，將圖2（a）與圖4（a）對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)最大位移的區(qū)域存在顯著差異，水平最大位移出現(xiàn)在與拱腰成-45°夾角的襯砌外側(cè)，水平位移沿飲水隧道中線對(duì)稱分布，最大水平位移為8.47×10-2 mm。從圖4（b）與圖（c）發(fā)現(xiàn)在開挖階段與加載階段，附加最大水平位移出現(xiàn)區(qū)域與豎向基本相同，均位于拱頂。

通過圖2與圖4中3個(gè)階段的橫向?qū)Ρ确治?，發(fā)現(xiàn)開挖階段與加載階段對(duì)隧道襯砌水平位移和豎向位移的影響均可忽略不計(jì)，位移最大變化量小于1 mm。

3.2 內(nèi)力分析

3.2.1 豎向應(yīng)力

圖5是3個(gè)階段的豎向應(yīng)力云圖。通過圖5（a）可發(fā)現(xiàn)，最大豎向應(yīng)力位于兩側(cè)拱腰處，最大值是1.10 MPa，應(yīng)力從拱腰向拱底與拱頂中部區(qū)域逐漸減小至18.10 kPa。對(duì)圖5（b）分析發(fā)現(xiàn)，因邊坡開挖導(dǎo)致飲水隧道應(yīng)力出現(xiàn)了小范圍的重分布，拱腰最大應(yīng)力出現(xiàn)小范圍增加，而拱頂與拱底中部區(qū)域的最小應(yīng)力減小至18.00 kPa，變化幅度為0.56%；對(duì)圖5（c）分析發(fā)現(xiàn)，在施加附加應(yīng)力下，豎向應(yīng)力整體出現(xiàn)增大趨勢，與初始應(yīng)力場相比，拱腰區(qū)域最大應(yīng)力增加到1.12 MPa，變化幅度為1.82%，拱頂與拱底中部區(qū)域的最小應(yīng)力增加到18.11 kPa，變化幅度為0.06%。從應(yīng)力變化幅度可以看出，鐵路施工階段與加載階段對(duì)飲水涵洞豎向內(nèi)力的影響不大，不會(huì)造成飲水隧道應(yīng)力增量過大而出現(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象。

3.2.2 水平應(yīng)力

圖6是3個(gè)階段的水平應(yīng)力云圖。圖6（a）是初始應(yīng)力下的水平應(yīng)力場，最大水平應(yīng)力與豎向最大應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域基本一致，位于兩側(cè)拱腰處，最大水平應(yīng)力為0.22 MPa，水平最大應(yīng)力值約為豎向壓應(yīng)力最大值的1/5；圖6（b）開挖階段水平應(yīng)力整體出現(xiàn)減小現(xiàn)象，最大水平應(yīng)力變化幅度為0.4%。圖6（c）為加載階段，與初始最大應(yīng)力相比，拱腰中部區(qū)域外側(cè)最大水平應(yīng)力基本不變。表明開挖階段和加載階段對(duì)隧道襯砌水平應(yīng)力基本無影響。

4 監(jiān)測方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，最大水平應(yīng)力與最大豎向應(yīng)力均位于隧道兩側(cè)拱腰中部區(qū)域，因此通過埋入測力計(jì)對(duì)飲水隧道拱腰中部進(jìn)行收斂監(jiān)測；位移變化最大值出現(xiàn)在拱頂中部，通過埋入位移計(jì)，對(duì)隧道拱頂中部的位移進(jìn)行監(jiān)測，以控制分析飲水隧道的沉降變化量。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖7所示。

5 結(jié)論

（1）位移結(jié)果表明，開挖階段和加載階段，對(duì)既有飲水隧道襯砌位移影響較小，水平位移與豎向位移新增量值均小于1 mm。

（2）應(yīng)力結(jié)果顯示，新建鐵路在開挖階段和加載階段，對(duì)既有飲水隧道襯砌豎向應(yīng)力和水平的影響較小，最大水平應(yīng)力約是最大豎向應(yīng)力的1/5。

綜上，新建鐵路在非爆施工與正常運(yùn)營階段，對(duì)既有隧道內(nèi)力和位移影響基本可以忽略不計(jì)，不會(huì)影響既有飲水隧道的正常使用。評(píng)估的準(zhǔn)確性還需通過后續(xù)觀測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。

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