鐵路隧道上跨施工對運(yùn)營公路隧道穩(wěn)定性影響

嚴(yán)叢文

[摘? 要]：上跨既有隧道的新建隧道施工，在開挖卸荷導(dǎo)致的變形以及爆破所導(dǎo)致既有隧道振動兩方面，影響既有隧道的結(jié)構(gòu)、運(yùn)營安全。文章依托新建三峽樞紐茅坪港疏港鐵路楊木嶺隧道，應(yīng)用數(shù)值模擬的手段研究新建隧道對既有隧道的動、靜力影響，指導(dǎo)新建鐵路施工。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)新建隧道的開挖卸荷對既有隧道影響較小，控制變形效果較好，同時(shí)爆破引起的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)振速較小，在安全范圍內(nèi)。

[關(guān)鍵詞]：隧道工程; 近接施工; 開挖卸荷; 爆破震動

U452.2+6B

隨著我國交通發(fā)展，鐵路公路線路網(wǎng)絡(luò)越來越密集，不可避免的出現(xiàn)隧道上跨、下穿既有隧道的情況，減少對既有隧道尤其是運(yùn)營線路的影響是新建隧道不可避免的技術(shù)難題[1]。

最早Peck[2]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法分析了大量實(shí)際工程，提出了隧道開挖預(yù)測地表沉降的經(jīng)典公式，可以預(yù)測隧道開挖引起的周邊變形。最早Barakat[3]研究分析了Heathrow Express隧道開挖所引起的Piccadilly的變形情況，開創(chuàng)了新建隧道與既有隧道影響的研究。國內(nèi)仇文革[4]對隧道近接施工開始了總結(jié)性的研究，將隧道近接施工分區(qū)按照影響由弱至強(qiáng)的順序，將施工影響區(qū)域劃分為“無影響區(qū)”、“弱影響區(qū)”和“強(qiáng)影響區(qū)”。房倩等[5]依托北京地鐵5號線過既有線段，應(yīng)有數(shù)值模擬的方法，對大斷面車站穿區(qū)間進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在變形控制嚴(yán)格的情況下，柱洞法具有一定優(yōu)勢。李倩倩等[6]依托北京地鐵6號線暗挖隧道下穿盾構(gòu)隧道工程，發(fā)現(xiàn)下穿段既有結(jié)構(gòu)呈“雙凹槽狀”變形，地表沉降為“單凹槽狀”。除開挖卸荷影響外，新建隧道的爆破同樣會對既有隧道產(chǎn)生一定影響。張旭等[7]依托武漢地鐵8號線，研究下穿地鐵隧道爆破作用對上方既有隧道的動力響應(yīng)，得到隧道襯砌建構(gòu)振速安全閾值為14.9 cm/s。高宇璠等[8]通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了采用電子雷管起爆技術(shù)，結(jié)合適當(dāng)?shù)臏p振措施，可以有效降低既有隧道管片的爆破震動速度，保證結(jié)構(gòu)安全。

現(xiàn)有近接工程多以城市地下空間為主，對山嶺隧道研究較少，本文依托新建三峽樞紐茅坪港疏港鐵路楊木嶺隧道上跨高速公路隧道工程，應(yīng)用數(shù)值模擬的手段，從靜力、動力兩方面綜合分析既有隧道的穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 工程概況

新建鐵路楊木嶺隧道設(shè)置為單線隧道，位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)，處于幕陽村與陶家溪之間，隧道進(jìn)口里程為DK19+152.7，隧道出口里程為DK22+793，全長3648.3 m。隧道最大埋深428.934 m。隧址區(qū)地勢起伏，整體西高東低，巖溶形態(tài)較發(fā)育。隧區(qū)出露的地層有第四系人工填土層、第四系坡殘積層;基巖地層有寒武系下統(tǒng)石牌組、水井沱組、天柱山組、震旦系上統(tǒng)燈影組、震旦系上統(tǒng)陡山沱組、震旦系下統(tǒng)南沱組及震旦系下統(tǒng)蓮沱組地層。隧道附近主要以灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、砂巖等為主。主要為單斜構(gòu)造，無次級褶皺發(fā)生，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

研究段為III級圍巖，初期支護(hù)拱部采用C20網(wǎng)噴混凝土，邊墻采用C20素噴混凝土，二襯采用C30混凝土，拱部采用25 mm中空注漿錨桿，長度2 m，梅花形布置（環(huán)×縱=1.2 m×1.5 m），設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

1.2 交叉關(guān)系

楊木嶺隧道在（DK21+000）處與季家坡隧道（S68翻壩高速公路）斜交，季家坡隧道進(jìn)口位于線路DK19+200左400 m處，進(jìn)口高程約305 m;季家坡隧道出口位于線路DK22+770右170 m處，出口高程約247.0 m。鐵路楊木嶺隧道DK20+940位于公路季家坡隧道右線上方，最小凈距16.7 m，鐵路楊木嶺隧道DK21+100位于公路季家坡隧道左線上方，最小凈距23 m，隧道結(jié)構(gòu)在平面投影的交叉角度為14°。位置關(guān)系如圖2所示，縱斷面如圖3所示。

2 模型建立

2.1 模型介紹

本次建模計(jì)算采用midas GTS （NX版）巖土有限元分析軟件。結(jié)合該工程項(xiàng)目實(shí)際情況，并考慮邊界影響，建立三維模型，模型尺寸取120 m×100 m×100 m（X×Y×Z），如圖4所示。

計(jì)算模型假定：

（1）土體為各向同性、均質(zhì)的理想彈塑性體。

（2）初始地應(yīng)力在模型計(jì)算只考慮土體自重應(yīng)力，不考慮地下水的影響，使巖土體在自重作用下達(dá)到平衡，而后再進(jìn)行楊木嶺隧道的開挖。

（3）模型中所選用的地層參數(shù)，參照本區(qū)間工程地勘報(bào)告中所給出的土體參數(shù)進(jìn)行選取。

（4）兩隧道交叉段的埋深實(shí)際約350 m，為簡化模型，建模時(shí)將遠(yuǎn)離隧道的上部方覆土用均布壓力代替。

（5）新建隧道開挖至交叉點(diǎn)之前，進(jìn)行靜力的應(yīng)力分析，在此應(yīng)力基礎(chǔ)上進(jìn)模擬新建隧道爆破對既有隧道的振動影響。

地層及開挖土體均采用實(shí)體單元模擬，選用基于莫爾-庫倫準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型;隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)板單元，彈性本構(gòu)模型。

結(jié)合地勘資料，本次計(jì)算采用參數(shù)如表1、表2所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算步驟

數(shù)值分析步驟：

（1）初始地應(yīng)力：激活地層、既有季家坡隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，激活自重、模型頂部均布荷載，初始地應(yīng)力平衡。

（2）計(jì)算平衡后位移清零。

（3）新建楊家坪隧道開挖-支護(hù)循環(huán)，開挖至交叉點(diǎn)。

（4）施加等效爆破荷載，添加粘彈性動力邊界，使用非線性時(shí)程分析，模擬新建隧道的爆破作用。

3 結(jié)果分析

3.1 靜力影響分析

計(jì)算掌子面距離斜交點(diǎn)位移云圖如圖5所示，可以看出，楊家坪隧道施工過程中，季家坡隧道變形隨施工逐漸增大，變形以豎向位移為主，開挖至交叉點(diǎn)時(shí)最大變形為0.95 mm。通過以上計(jì)算分析，可知楊家坪隧道上跨季家坡隧道產(chǎn)生的理論變形值很小，最大值僅為0.95 mm，楊家坪隧道對季家坡隧道的影響在靜力開挖方面很小。

3.2 動力影響分析

針對爆破荷載的振動響應(yīng)問題提出假設(shè)：爆破荷載主要來源于掏槽孔爆破，忽略輔助孔和周邊孔的作用。動力計(jì)算在靜力計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行，這樣可以考慮初始地應(yīng)力和隧道開挖應(yīng)力歷史，在靜力計(jì)算模型的基礎(chǔ)上施加粘彈性邊界和等效爆破荷載，采用三角形爆破荷載模型，升壓時(shí)間約10 ms，卸載時(shí)間約90 ms，計(jì)算總時(shí)間為100 ms。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，根據(jù)模態(tài)和模態(tài)2確定模型的主振型，振動周期分別為0.603 s和0.564 s，頻率f分別為1.658 Hz和1.773 Hz。爆破荷載到達(dá)峰值時(shí)（10ms）既有隧道的振速如圖6所示。

給出最大值點(diǎn)隨時(shí)間變化的振速統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

4結(jié)論

（1）通過建模分析可知，新建鐵路隧道楊家坪隧道上跨既有公路季家坡隧道因開挖引起的變形很小，最大值僅為0.95 mm。

（2）為保證上跨高速公路交叉處的施工安全，采用動力分析得到既有隧道的振動速度最大值為0.56 cm/s，小于最大安全允許振速10 cm/s，新建隧道的爆破作用對既有隧道的動力影響很小。

參考文獻(xiàn)

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