路塹開挖卸荷對既有鐵路隧道影響的數(shù)值分析

朱小鵬

（1.中鐵二十五局集團有限公司第二工程公司，工程師，湖南 衡陽 421000)

新建高速公路以路塹形式近距離跨越既有隧道時，路塹開挖施工過程中不可避免地將造成下部既有隧道結構周圍巖土體應力重分布〔1〕，從而引起隧道結構產(chǎn)生相應的內(nèi)力和變形，嚴重時將會直接導致結構的損壞，影響隧道正常使用和安全〔2〕。因此，只有正確評估新建高速公路施工期間對既有隧道的影響程度，掌握既有隧道應力和位移的變化規(guī)律，提出合理化的設計及施工建議，才能達到路塹施工卸荷過程中保障既有鐵路隧道安全運營的目的。

上部開挖卸載對下方既有隧道影響的研究方法主要有：現(xiàn)場實測分析〔3-7〕法、經(jīng)驗公式法〔8〕、力學計算法〔9〕和有限單元法〔10-14〕等。但總體而言，目前國內(nèi)對上部開挖卸載對既有隧道結構影響的研究多集中于單一工程實例的研究〔15〕，因而還處于總結和經(jīng)驗積累階段。

本文結合新建永吉高速公路采用深挖路塹形式上跨焦柳鐵路羅依溪隧道工程，采用數(shù)值分析技術研究了山體開挖對隧道主體結構安全性和穩(wěn)定性影響，進而對深挖路塹的施工過程提出合理性的建議。本文研究成果可以為新建高速公路路塹開挖跨越既有鐵路隧道的設計和施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

永順至吉首高速公路為湖南省西北部區(qū)域重要省際通道，是湖南省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“七縱九橫”中第七縱的重要組成部分。新建永吉高速公路以路塹形式上跨焦柳鐵路羅依溪隧道位于焦柳鐵路k 1 040+752.36處。

新建永吉高速與鐵路隧道交叉處，其走向基本和既有焦柳鐵路垂直，交叉角為83°，在交叉點前后130m范圍內(nèi)新建高速公路均為挖方地段。因公路路塹開挖導致隧道頂覆土減薄對應的鐵路里程范圍為k 1 040+723～k 1 040+811，影響范圍內(nèi)原隧道頂覆土厚度為93～119m。高速公路建成后，公鐵交叉點處鐵路隧道頂至公路路面的最小覆土厚度為55.3m，即公路路塹的最大挖深約52m。該路塹處羅依溪褶曲帶內(nèi)，路塹邊坡巖性主要為硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖，受構造影響，該段產(chǎn)狀雜亂無序，產(chǎn)狀175°∠18°，硅質(zhì)頁巖中間夾多層極薄的石煤層，巖質(zhì)軟硬不均，巖體完整性及邊坡穩(wěn)定性均較差。

羅依溪隧道建于1975年，隧道長1 391m，中心里程k 1 041+256，洞內(nèi)凈寬5.60m，洞高6.37m，拱圈及邊墻為170級砼，洞口頂山坡上設有天溝。公鐵交叉處巖層較破碎，從上到下基本可分為：上不為寒武系的牛蹄坡膠質(zhì)頁巖，由于斷層通過，基巖極為破碎，幾乎是10～20 cm的棱塊狀出現(xiàn)；下部為燈影硅質(zhì)層夾少量的白云灰質(zhì)巖和頁巖；受區(qū)域斷層影響，燈影硅質(zhì)層整個巖質(zhì)褶曲的同時，微褶曲極為發(fā)育，形成各個方向的小褶曲，原生基巖堅而脆。尤其在洞身通過地帶。地下水較發(fā)育。綜合收集的資料及現(xiàn)場踏勘情況，路塹施工前羅依溪鐵路隧道洞體結構及排水狀況目前良好。

2 計算模型與參數(shù)

2.1 隧道模型與參數(shù) 在新建永吉高速公路上跨既有鐵路羅依溪隧道段，公鐵路交叉點里程為鐵k 1 040+752.36=公k 31+400，鐵路隧道上部山坡因公路路塹開挖形成的倒梯形影響面對應的影響范圍為k 1 040+722.8～k 1 040+811。隧道洞內(nèi)凈寬5.60m，洞高6.37m，拱圈及邊墻為170級砼，沿隧道方向取130m，隧道橫向取100m，下部底板距洞底30m，上限為山體表面，隧道頂覆土厚度為93～119m，利用數(shù)值分析軟件建立三維有限元模型，見圖1。

圖1 計算模型

網(wǎng)格劃分采用四節(jié)點四面體單元，由于進行流固耦合分析，圍巖和土體單元類型為C3 D 10 MP。模型共有單元45 122個，節(jié)點65 843個，其中既有鐵路隧道單元2 968個，節(jié)點6 533個，公路開挖單元5 162個，節(jié)點8 673個。隧道支護采用殼單元模擬，選擇單元類型S 4，共生成704個單元，360個節(jié)點。圍巖材料的力學屈服準則采用巖土工程中常用的摩爾-庫倫模型，隧道支護為彈性材料，數(shù)值計算所采用的力學參數(shù)如表1所示。材料的吸濕曲線參考采用同一種參數(shù)數(shù)據(jù)〔16〕，如表2所示。

表1 數(shù)值計算采用的力學參數(shù)

表2 孔壓和飽和度關系

3 計算結果分析

為了便于分析公路路塹開挖對既有隧道主體結構安全的影響分析，提取隧道周邊關鍵點的應力和位移，關鍵點位置如圖2所示。

圖2 計算結果監(jiān)測點

3.1 位移分析 路塹開挖結束后的位移云圖見圖3,隧道結構變形見圖4所示。

圖3 路塹開挖結束后的位移云圖

圖4 隧道變形示意圖

由圖3可以看出路塹開挖位移影響范圍主要包含開挖部分一定范圍內(nèi)的鄰近區(qū)域。隨著路塹的開挖，路塹底部有向上隆起的變形，路塹邊坡坡腳向路塹內(nèi)變形，公路與隧道交叉處路塹底部出現(xiàn)較大的上拱變形；此外，既有隧道處于上方路塹開挖變形位移場的影響范圍內(nèi)。圖4表明基坑開挖引起隧道結構上部卸載，導致隧道產(chǎn)生了豎向和水平向位移，同時隧道橫截面也會產(chǎn)生收斂變形；距離公路隧道交叉點處越近，隧道結構變形越明顯，嚴重時可能出現(xiàn)隧道襯砌開裂、接縫滲水等安全隱患。

圖5示意了圖2中公路與隧道交叉點處隧道洞周關鍵點（拱頂、拱底和左拱腰）位移隨開挖進度的變化情況。

圖5 公路與隧道交叉點隧道洞周位移隨開挖進度變化圖

由圖5可知：路塹開挖引起的關鍵點豎向變形遠大于其他方向的變形；路塹開挖卸載過程中，交叉點處隧道段面各關鍵點水平方向上產(chǎn)生的位移很小，這是因為隧道埋深較大，在卸載過程中沒有產(chǎn)生附加的偏壓荷載；隧道位移主要集中在豎直方向上，且隨著路塹施工開挖的進行，隧道上覆土卸載逐漸增加，隧道斷面整體位移逐漸增大，拱頂最大向上位移達12mm。

公路與隧道交叉段隧道拱頂位移隨開挖進度變化如圖6所示。圖6中橫坐標零點表示公路與隧道交叉點的位置，距離為正表示處于交叉點Y軸正方向，距離為負表示沿Y軸負方向。

圖6 隧道拱頂位移隨開挖進度變化圖

由圖6可看出隧道拱頂?shù)奈灰茣S著路塹開挖卸載而逐漸增大，且距離公路隧道交叉點處越近變形越明顯，距離公路隧道交叉點處越遠變形越小。路塹開挖卸載對下部隧道位移的影響范圍大約為公路隧道交叉點兩側(cè)40～50m。

3.2 應力分析 公路與隧道交叉點處隧道洞周各關鍵點主應力隨開挖進度變化見圖7所示（ABAQUS以拉應力為正，壓應力為負）。

圖7 交叉點隧道洞周主應力隨開挖進度變化圖

由圖7可知隨著路塹開挖進行，拱頂、拱腰和拱底的最大主應力均逐漸增大，最小主應力變化不大，拱頂最大主應力達0.94 MPa，兩側(cè)邊墻應力變化不大。這是由于隧道上部開挖卸載導致隧道拱頂產(chǎn)生附加拉應力，受其影響可能會導致隧道襯砌的破壞和隧道滲水病害的加劇。

公路與隧道交叉段隧道拱頂主應力隨開挖進度的變化見圖8所示。

圖8 隧道拱頂主應力隨開挖進度的變化

由圖8可知：隨著路塹的開挖，公路與隧道交叉段中心點附近隧道拱頂最大主應力有所增大，最小主應力量值略有減小，影響范圍大約為公路隧道交叉點兩側(cè)40m。

3.3 襯砌受力分析 隧道二襯采用殼單元模擬進行分析，得到下部既有隧道襯砌的軸力分布（見圖9）及彎矩分布（見圖10）。由計算結果對比可知隧道襯砌在路塹開挖后軸力和彎矩的分布幾乎不變，量值略有增大。

圖9 路塹開挖結束后隧道襯砌結構軸力分布

圖10 路塹開挖結束后隧道襯砌結構彎矩分布

3.4 滲流場分析 路塹開挖前，地下水位在地表下10～15m處，路塹開挖后地下水位有所下降，孔隙水壓力產(chǎn)生重分布。

隧道圍巖孔壓隨路塹開挖進度的變化見圖11所示。由圖11可知，在路塹開挖前隧道圍巖空隙水壓力在公路與鐵路交叉段分布均勻，隨著隧道上覆土中路塹的開挖，地下水位的分布發(fā)生改變，導致交叉段隧道圍巖孔隙水壓力分布不均勻（見圖12所示）。

圖11 隧道圍巖孔壓隨開挖進度的變化

圖12 交叉點隧道洞周滲流速度隨開挖進度變化圖

如圖12所示，隨著公路和隧道交叉點附近孔隙水壓力重分布，在沒有地下水補給的情況下，下方既有隧道附近的孔壓會變小，隧道洞周滲流速度會有所下降。但是交叉點附近隧道圍巖受上部開挖卸載的影響會導致隧道周圍孔隙比增大，如圖13所示，這是由于上部卸載導致隧道圍巖產(chǎn)生附加的張拉應力形成的。實際工程中附加的張拉應力會導致隧道圍巖細小裂縫發(fā)展貫通形成大的滲流路徑，在地下水有豐富補給的情況下會導致隧道圍巖內(nèi)部裂隙貫通、開裂等，容易導致隧道災害及次生災害的產(chǎn)生。

圖13 交叉點隧道洞周點孔隙比隨開挖進度變化圖

4 施工建議

1）鑒于焦柳鐵路為電氣化鐵路，為確保施工期間隧道頂部電氣化承力索的平順穩(wěn)定，新建永吉高速公路與鐵路交叉段施工過程中建議采用機械挖掘，嚴禁采用爆破施工。

2）鑒于此處隧道圍巖較破碎，受斷層影響地下水較發(fā)育，建議公路路塹開挖至路槽后盡快采用C15砼封閉路塹基坑，嚴禁長時間裸露路塹基坑。

3）建議施工期間做好排水措施，及時挖溝將路塹基坑內(nèi)的雨水排走，禁止新建公路排水系統(tǒng)進入鐵路排水系統(tǒng)。

4）建議施工中加強對公路和隧道交叉段路塹邊坡和既有隧道的監(jiān)控量測，重點監(jiān)測路塹邊坡坡腳位移、隧道拱頂位移及滲水情況，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整，以確保工程質(zhì)量和周邊環(huán)境安全。

5 結論

本文針對新建高速公路采用路塹形式跨越既有鐵路隧道交叉部位建立了三維數(shù)值分析模型，分析隧道圍巖變形、隧道圍巖應力以及隧道滲流隨施工進程的變化規(guī)律。得出以下結論：

1）新建高速公路路塹開挖會導致其下方既有鐵路隧道結構在路塹開挖的影響范圍內(nèi)整體向上回彈，距離公路隧道交叉點越近，向上變形越明顯，且交叉點處隧道拱頂有較大的豎直向上位移。

2）公路路塹開挖卸載導致隧道周圍壓應力有所減小，局部產(chǎn)生拉應力，最大拉應力出現(xiàn)在既有隧道拱頂區(qū)域。

3）隧道襯砌在路塹開挖后軸力和彎矩的分布幾乎不變，量值略有增大。

4）公路路塹開挖導致隧道附近的孔壓和滲流速度會變小，但同時導致隧道附近圍巖孔隙比增大，不利于隧道滲流的穩(wěn)定性，容易導致隧道災害及次生災害的產(chǎn)生。

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