下穿鐵路的大跨度隧道支護(hù)形式適應(yīng)性研究

楊建烽

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

隨著我國(guó)交通的發(fā)展，國(guó)內(nèi)各城市存在許多城市、城際交通互相穿越的工程[1]，線路立交下穿的交叉形式有助于交通環(huán)境與交通組織的管理，但也對(duì)既有結(jié)構(gòu)的變形控制提出了挑戰(zhàn)。修建下穿結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到經(jīng)濟(jì)性與對(duì)穿越結(jié)構(gòu)的變形控制難度，會(huì)比選不同形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)，選擇更利于下穿控制的支護(hù)形式[2-3]。因此，有必要分析采用不同支護(hù)形式修建下穿隧道對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響的變形規(guī)律，以此評(píng)估不同支護(hù)形式在下穿工程中的適應(yīng)性。

1 工程概況

國(guó)內(nèi)某擬建的軟巖地段修建地鐵出入線段下穿上方普速鐵路工程，普速鐵路的下穿節(jié)點(diǎn)里程為K35+385。本工程分別比選噴錨支護(hù)、整體式襯砌與復(fù)合式襯砌等支護(hù)形式，以此選擇下穿鐵路的大跨度隧道的合適支護(hù)形式。

大跨度隧道截面為三心圓加仰拱的形式，最大洞寬為15.7 m，最大洞高為12.3 m。新建工程所比選的隧道支護(hù)形式分別如表1所示。

表1 比選支護(hù)形式

2 建立模型

本文計(jì)算采用有限元計(jì)算軟件Midas GTS NX，計(jì)算模型(圖1)長(zhǎng)寬高尺寸為80 m×120 m×70 m。隧道拱頂埋深22 m，鐵路路基高8.75 m。

采用實(shí)體單元模擬圍巖、隧道土體及路基，梁?jiǎn)卧M鐵路鋼軌，桁架單元模擬錨桿，板殼單元模擬噴混及模筑混凝土。四周及底面設(shè)置法向位移邊界，頂部自由。

圖1 計(jì)算模型

2.1 圍巖參數(shù)

地勘報(bào)告所提供的土體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2 支護(hù)參數(shù)

本工程支護(hù)比選中采用了相同等級(jí)的錨桿、噴射與模筑混凝土，物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

不同形式的隧道支護(hù)對(duì)下穿體系而言是不同路徑的卸載過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致路基及軌道變形，因此通過(guò)分析路基變形及軌道的位移來(lái)評(píng)價(jià)支護(hù)的適應(yīng)性。

3.1 隧道軸線上方變形分析

以開挖后的隧道軸線上方地表變形進(jìn)行分析，可以體現(xiàn)隧道開挖對(duì)正上方地表變形的影響。各支護(hù)工況下開挖完成后地表變形曲線見圖2。

圖2 地表變形曲線

圖2中縱軸為地表沉降，橫軸為模型縱向距離，其中40 m附近為下穿節(jié)點(diǎn)。根據(jù)圖2看出，與自由平面地表不一樣的是，地表的鐵路路基對(duì)地表有加固作用，路基有使K35+385斷面下穿處地表變形減小的趨勢(shì)，使地表形成上拱，路基沉降在不同支護(hù)形式下約減小0.3～0.5 mm。另外根據(jù)沉降大小的比較，可以看出復(fù)合式襯砌對(duì)地表的影響是最小的，K35+385斷面處沉降為1.29 mm；噴錨支護(hù)與整體式支護(hù)影響接近，噴錨支護(hù)的下穿節(jié)點(diǎn)沉降為1.91 mm，整體式襯砌的沉降為1.93 mm。

3.2 施工后鐵軌變形分析

施工開挖后，鐵路路基上靠近先開挖方向的鐵軌變形最大，以其為研究對(duì)象分析影響。以復(fù)合式襯砌施作后的最大鐵軌變形(圖3)為例，可以看出下穿開挖對(duì)鐵路影響較大區(qū)域?yàn)镵35+385斷面前后約50 m的范圍，下穿節(jié)點(diǎn)上方為最大沉降為1.31 mm，變形斜率最大范圍為前后距離20 m處，線路軌道最大10 m弦高低偏差為0.37 mm。

圖3 最大鐵軌變形(施作復(fù)合式襯砌)

根據(jù)各支護(hù)形式下的鐵軌變形曲線(圖4)可以看出施作不同形式的支護(hù)對(duì)上方軌道變形影響基本一致，上方軌道變形均呈U型曲線，最大變形及最大變形斜率基本相同，施作復(fù)合式襯砌對(duì)鐵軌變形影響較小，噴錨支護(hù)與整體式襯砌影響較大且相似。

3.3 施工過(guò)程鐵軌變形分析

以鐵軌K35+385處斷面為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)隨下穿開挖的鐵軌變形過(guò)程(圖5)，橫軸為隧道開挖距離。

圖4 各支護(hù)形式的最大鐵軌變形曲線

圖5 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線

由圖5可以看出，整個(gè)施工過(guò)程中復(fù)合式襯砌所造成的鐵軌變形均是最小的，但根據(jù)與最大變形的比值可以得知，噴錨支護(hù)形式達(dá)到最大變形的80 %、90 %是最早的，分別是開挖至56 m及64 m處，整體式襯砌落后2～4 m，復(fù)合式襯砌落后2～6 m。采取噴錨支護(hù)，鐵軌變形達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更早。

4 結(jié)論

本文通過(guò)模擬采用不同支護(hù)形式修建大跨度隧道對(duì)軌道的影響進(jìn)行適應(yīng)性分析，得出以下結(jié)論：

(1)鐵路路基對(duì)地表有加固作用，可使下穿處地表變形減小，且復(fù)合式襯砌對(duì)地表的影響最小。

(2)不同形式支護(hù)對(duì)軌道變形影響基本一致，最大變形及最大變形斜率的位置基本相同，施作復(fù)合式襯砌對(duì)鐵軌變形影響最小。

(3)采取噴錨支護(hù)，鐵軌變形穩(wěn)定的時(shí)間最早，整體式襯砌次之，復(fù)合式襯砌最晚。

(4)綜合變形及穩(wěn)定時(shí)間分析，支護(hù)成本接近時(shí)，復(fù)合式襯砌對(duì)此類大跨度下穿工程適應(yīng)性更佳。