新建高速公路隧道下穿既有鐵路隧道施工影響分析

文章以新建高速公路隧道下穿既有鐵路隧道施工為研究背景，采用FLAC3D有限差分軟件進行三維數(shù)值仿真模擬，主要分析了新建高速公路隧道下穿施工對既有鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移變形的影響，以及近接施工條件下新建隧道設(shè)計和施工工法選擇的合理性，分析結(jié)果指導(dǎo)施工取得了較好的效果，可為類似工程提供借鑒。

公路隧道; 鐵路隧道; 近接; 下穿; 結(jié)構(gòu)受力; 結(jié)構(gòu)變形

U452.2+6B〗

[定稿日期]2021-04-27

[作者簡介]鐘彥之（1990～），男，碩士，主要從事隧道及地下結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)代化交通路網(wǎng)不斷完善、地下工程飛速發(fā)展，新建隧道遇到既有隧道的幾率越來越大，如何有效地保障新建隧道開挖對既有隧道的影響在可控范圍內(nèi)尤為重要。近年來國內(nèi)許多專家學(xué)者對新建隧道下穿既有隧道進行了研究，如仇文革[1]闡明了地下工程近接施工的力學(xué)原理，提出了近接影響分區(qū)理論，總結(jié)了典型案例處置措施;黃波[2]重點分析了鐵路隧道下穿既有高速公路隧道如何進行施工控制;李勝義等[3]通過對回龍灣鐵路隧道下穿公路隧道施工監(jiān)控量測，提出了穿越施工的總體方案和風(fēng)險控制的原則;馬紅星[4]、楊云[5]等研究了雙線鐵路隧道下穿施工中大管棚施工控制和爆破施工控制措施。

1 工程概況

西南地區(qū)新建高速公路隧道在修建過程以近50 °角度斜交方式下穿既有鐵路隧道（表1），下穿處豎向凈距約24.6 m，兩者空間位置關(guān)系如圖1所示。經(jīng)調(diào)查下穿段既有鐵路隧道有兩種襯砌類型，分別為Ⅳ級復(fù)合型襯砌和V級復(fù)合型襯砌，支護參數(shù)如表1所示。為減弱下穿施工對既有排花洞鐵路隧道的影響，下穿段新建隧道擬采用V級加強襯砌和CD法施工，保障短進尺、強支護，控制該段地層沉降，下穿段公路隧道支護設(shè)計如圖2所示。

2 下穿施工過程數(shù)值模擬

2.1 模型建立

模型計算采用有限差分計算軟件，建立三維實體模型。考慮到新建高速公路隧道下穿既有鐵路隧道段埋深約為240 m，為簡化模型，采用在在模型的頂面上施加等效荷載，來模擬實際的埋深，因此計算中所采用的模型尺寸為：長（X向）×寬（Y向）×高（Z向）=150 m×175 m×130 m，如圖3所示。

計算模型中，采用位移邊界條件，土體模型的頂面為相應(yīng)的等效荷載，底面為豎向約束，四周為法向約束。

2.2 計算參數(shù)選取

結(jié)合項目地勘報告和隧道設(shè)計相關(guān)規(guī)范，考慮最不利工況，假定下穿段鐵路隧道處地層為Ⅴ級圍巖，兩端為Ⅲ級圍巖，模型所取土層深度范圍內(nèi)的巖土層計算參數(shù)選取如表2所示，結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表3所示。

2.3 工法模擬

為有效地控制下穿段圍巖變形，減小圍巖松動范圍，擬采用CD法進行下穿段的施工，并嚴(yán)格控制二次襯砌與掌子面距離，要求不大于30 m;左右幅隧道不同時開挖，待一幅二次襯砌施做完成之后再開挖另一幅。CD法示意圖如圖4所示，施工過程工法仿真模擬示意圖5所示。

2.4 典型計算工況

為更好地分析下穿段新建高速公路隧道施工對既有鐵路隧道的影響，結(jié)合施工工法工序，提取了八個典型工況作為研究對象，如表4所示。

3 計算結(jié)果分析

3.1 既有鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化分析

按照表4典型工況分別提取下穿段既有鐵路隧道二次襯砌最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力，如表5所示。

隨著新建高速公路隧道的施工，排花洞隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力值由10.78 MPa，增加至11.63 MPa，且均為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力值發(fā)生在二次襯砌結(jié)構(gòu)的墻腳處;最大主應(yīng)力值由0.45 MPa增加至0.52 MPa，且均為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值發(fā)生在二次襯砌結(jié)構(gòu)的拱腳處。

3.2 既有鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)變形分析

按照表5典型工況提取下穿段既有鐵路隧道研究斷面處豎向位移與水平位移，并繪制結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移隨著新建隧道開挖產(chǎn)生的變化趨勢圖，分別如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以看出，隨著新建高速公路隧道的逐步開挖，既有鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的豎向位移和水平位移逐漸增大，待二次襯砌結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，豎向位移最大值為5.234 mm，水平位移最大值為0.277 mm。

3.3 新建公路隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

按照表4典型工況分別提取下穿段新建公路隧道二次襯砌最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力，如圖8和圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，新建隧道施工完畢后二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要集中在隧道襯砌結(jié)構(gòu)的墻腳及仰拱處。最大主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)仰拱處，其值可以達到0.78 MPa;最小主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)墻腳處，其值可以達到10.79 MPa。

3.4 新建公路隧道結(jié)構(gòu)變形分析

按照表4典型工況分別提取下穿段新建公路隧道初期支護豎向位移和水平位移，如圖10和圖11所示。

由圖10、圖11可以看出，新建高速公路隧道初期支護施工完畢后支護結(jié)構(gòu)位移主要集中在隧道支護結(jié)構(gòu)的拱頂及墻腰處。最大豎向位移出現(xiàn)在隧道支護結(jié)構(gòu)拱頂處，其值可以達到10.07 cm;最大水平位移出現(xiàn)在隧道支護結(jié)構(gòu)墻腰處，其值可以達到4.24 cm。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文運用數(shù)值仿真分析軟件，結(jié)合項目復(fù)雜環(huán)境，建立三維數(shù)值模型，重點分析了新建公路隧道下穿鐵路隧道施工影響以及新建高速公路隧道自身襯砌結(jié)構(gòu)安全性，并得出以下結(jié)論與建議：

（1）既有鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力值最大值發(fā)生在支護結(jié)構(gòu)的墻腳處，拉應(yīng)力最大值發(fā)生在二次襯砌結(jié)構(gòu)的拱腳處，滿足TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》及日本鐵路隧道近接施工指南中關(guān)于既有隧道有不影響隧道功能的損傷時的要求。

（2）既有鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的豎向位移和水平位移逐漸增大，待二次襯砌結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，豎向位移最大值為5.234 mm，水平位移最大值為0.277 mm，滿足鐵運（2006）146號《鐵路線路維修規(guī)程》中關(guān)于軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值規(guī)定，且為弱影響。

（3）修建過程新建隧道初期支護結(jié)構(gòu)豎向位移最大值發(fā)生在拱頂處，其值為10.07 cm，水平位移最大值發(fā)生在墻腰處，其值為4.24 cm，滿足V級圍巖加強襯砌預(yù)留變形量12 cm的要求。

4.2 建議

（1）開展既有隧道狀況調(diào)查。建議在新建隧道施工前，對既有鐵路隧道進行結(jié)構(gòu)調(diào)查，如襯砌開裂、漏水、接縫情況、有無空洞、凈空斷面等，對既有隧道本身進行評價。

（2）加強現(xiàn)場監(jiān)控量測。通過數(shù)值模擬分析，可知新建隧道左、右幅下穿施工對既有鐵路隧道的影響為弱影響，但為保證鐵路運營安全，應(yīng)在隧道平面投影交叉點前后各50 m范圍，加強既有隧道及新建隧道監(jiān)控量測，監(jiān)測隧道位移變化情況。

（3）加強爆破振動測試。建議在新建隧道下穿施工影響范圍內(nèi)，及時對既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)進行爆破振動測試，及時反饋優(yōu)化爆破設(shè)計方案，嚴(yán)格控制爆破振動速度，建議將監(jiān)測點處襯砌結(jié)構(gòu)振動速度控制在5～10 cm/s以內(nèi)，且火車通過時嚴(yán)禁爆破。

（4）加強管理及聯(lián)系。下穿施工過程，施工單位應(yīng)加強內(nèi)部管理，做好隧道超前支護工作，并提前同鐵路管護部門聯(lián)系，遵從鐵路有關(guān)規(guī)定。

參考文獻

[1] 仇文革. 地下工程近接施工力學(xué)原理與對策的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2003.

[2] 黃波.鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2020，47（15）：47-48..

[3] 李勝義.鐵路隧道近距離下穿在建公路隧道的施工控制技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2020（5）：121-124.

[4] 馬紅星.雙線鐵路隧道下穿既有高速公路的施工技術(shù)[J].設(shè)備管理與維修，2019（20）：160-161.

[5] 楊云.淺談鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工的控制技術(shù)[J].低碳世界，2017（4）：235-236.

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