高速公路隧道施工對(duì)既有鐵路隧道的影響分析

周 斌 林承華 龔 倫

(1.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430000;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430000; 3.西南交通大學(xué)，四川成都 610000)

1 工程概況

重慶繞城高速公路施家梁隧道為左右并行的隧道，襯砌類型為復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)為鋼筋網(wǎng)、錨桿、噴射混凝土，二次襯砌為模筑混凝土，錨桿采用全粘結(jié)藥卷錨桿。工程所處地形地貌屬中低山地貌，三疊系地層，覆蓋層坡殘積0 m～3 m，坡洪積2 m～6 m，基巖為砂巖、頁巖、煤層夾灰?guī)r，局部灰?guī)r、白云巖分布。施家梁隧道左線在LK44+652.6 ～LK44+672.8，右線在K44+679.35 ～K44+700處上穿遂渝鐵路新龍鳳隧道。該鐵路隧道為高速鐵路隧道，鐵路隧道正洞及導(dǎo)洞已完成施工，預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期在增建二線時(shí)導(dǎo)洞將進(jìn)行擴(kuò)挖施工。公路隧道與鐵路隧道交叉處，鐵路隧道正洞與導(dǎo)洞的凈距為12.50 m，中心距為19.34 m;兩公路隧道的凈距為46.74 m，中心距為63.25 m;鐵路隧道正洞與公路隧道凈高差為18.48 m;隧道平面投影的交角為72°。

2 數(shù)值模擬概況

2.1 計(jì)算模型

為充分模擬隧道的三維空間效應(yīng)，計(jì)算模型所取范圍是:沿鐵路新龍鳳隧道縱向取210 m(約為公路隧道13倍開挖洞徑)，沿公路施家梁隧道縱向取105 m(約為鐵路隧道11倍開挖洞徑)，公路隧道拱頂上方巖層厚度取100 m，隧道底板下巖層厚度取35 m(約為鐵路隧道3.5倍開挖洞徑)，模擬計(jì)算采用ANSYS有限元通用程序。約束情況:前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面。在整個(gè)模擬過程中，有限元模型共劃分77 080個(gè)單元，計(jì)算中二次襯砌采用彈性殼單元模擬，地層及初期支護(hù)采用彈塑性實(shí)體單元模擬。有限元模型如圖1～圖3所示。開挖順序見圖4，圖5。

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

計(jì)算時(shí)圍巖和建筑材料的物理力學(xué)指標(biāo)結(jié)合《西部開發(fā)省際公路通道重慶繞城公路北段施家梁隧道與遂渝鐵路新龍鳳隧道交叉設(shè)計(jì)相關(guān)資料》及JTG D70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范加以選取，具體如表1所示。

圖1 模型整體網(wǎng)格

圖2 未擴(kuò)挖鐵路二線時(shí)相對(duì)位置圖

圖3 擴(kuò)挖鐵路二線時(shí)相對(duì)位置圖

圖4 公路隧道開挖順序示意圖（單位：m）

圖5 鐵路隧道擴(kuò)挖順序示意圖（單位：m）

表1 圍巖及建筑材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算荷載及開挖支護(hù)效果實(shí)現(xiàn)

荷載主要考慮地層自重應(yīng)力場(chǎng)以及混凝土襯砌的重力，公路隧道埋深約300 m，建模時(shí)為簡(jiǎn)化模型的網(wǎng)格劃分，拱頂上方實(shí)際取100 m埋深，其余200 m巖層的荷載按“等效荷載法”加到巖層頂面上。開挖效果的模擬采用空單元法來實(shí)現(xiàn)，具體是通過ANSYS軟件提供的單元“死”功能來實(shí)現(xiàn)，在三維有限元計(jì)算中，巖土體的本構(gòu)方程采用Drucker-Prager彈塑性的非線性本構(gòu)模型。

2.4 施工步驟

為充分模擬隧道的實(shí)際開挖效果、確定隧道之間相互影響的范圍以及影響程度，采用了18個(gè)荷載步驟進(jìn)行施工全過程模擬，公路隧道6步開挖完成，而且模擬時(shí)假定左右洞同時(shí)開挖，鐵路隧道擴(kuò)挖10步完成。具體為:形成初始地應(yīng)力場(chǎng)→既有鐵路隧道及鐵路平行導(dǎo)坑的形成→開挖公路隧道左、右洞第一段并進(jìn)行支護(hù)→開挖公路隧道左、右洞第二段并進(jìn)行支護(hù)→……→開挖公路隧道左、右洞第六段并進(jìn)行支護(hù)→擴(kuò)挖鐵路隧道第一段并進(jìn)行支護(hù)→擴(kuò)挖鐵路隧道第二段并進(jìn)行支護(hù)→……→擴(kuò)挖鐵路隧道第十段并進(jìn)行支護(hù)，其施工順序示意圖如圖4所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 影響范圍的確定

為確定受公路施家梁隧道施工影響的既有鐵路新龍鳳隧道的范圍，作出了公路隧道施工完成后鐵路隧道拱頂位移沿隧道縱向的變化曲線，如圖6所示。圖6中顯示，在公路隧道施工通過后，公路隧道下方的鐵路隧道拱頂產(chǎn)生明顯的上拱現(xiàn)象，受公路隧道施工影響的既有鐵路新龍鳳隧道范圍約為140 m(DK128+156～DK128+296)，在公路隧道施工時(shí)，要對(duì)鐵路隧道受影響范圍進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力及變形監(jiān)測(cè)，如圖7所示。

圖6 隧道拱頂位移沿隧道縱向的變化曲線

圖7 既有鐵路新龍鳳隧道范圍

3.2 影響范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及安全度評(píng)價(jià)

為對(duì)受公路隧道施工影響的既有鐵路新龍鳳隧道范圍內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行安全度評(píng)價(jià)，現(xiàn)選取3個(gè)典型截面進(jìn)行內(nèi)力分析，其示意圖如圖8所示。

圖8 內(nèi)襯砌典型截面選取

表2 斷面1橫縱向內(nèi)力檢算結(jié)果

為全面評(píng)價(jià)襯砌的安全度，對(duì)每個(gè)典型截面的拱頂、拱腰、邊墻以及仰拱的橫向內(nèi)力、縱向內(nèi)力進(jìn)行了檢算，檢算結(jié)果如表2～表4所示。

表3 斷面2橫縱向內(nèi)力檢算結(jié)果

表4 斷面3橫縱向內(nèi)力檢算結(jié)果

從結(jié)構(gòu)檢算來看，鐵路隧道雖然受到公路隧道施工的影響，但結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

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