近距離雙洞隧道下穿既有鐵路施工工法適宜性分析

雷建海，王均勇，程天健

(1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550008;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

近距離雙洞隧道下穿既有鐵路施工工法適宜性分析

雷建海1，2，王均勇2，程天健2

(1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550008;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

城市軌道交通隧道修建中，雙向隧道往往相隔較近。在降低鄰近隧道施工相互影響的同時(shí)，還需考慮減小對(duì)周邊既有構(gòu)筑物的影響，尤其下穿運(yùn)營(yíng)鐵路線路時(shí)，必須嚴(yán)格控制對(duì)其造成的影響。本文依托莞惠城際GZH-7標(biāo)段中下穿鐵路線的鄰近隧道區(qū)段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用數(shù)值模擬方法分析鄰近隧道采用CD法和臺(tái)階法下穿施工時(shí)對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路的影響和隧道圍巖—支護(hù)受力狀態(tài)，結(jié)合不同工法在鄰近隧道施工中的特點(diǎn)，得到在軟弱地層中下穿鐵路的鄰近隧道施工中，CD法較臺(tái)階法有更好的適宜性，從而為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供了理論依據(jù)。

鄰近開挖 工法適宜性 下穿鐵路

隨著城市地鐵以及城際高速軌道交通的興起，城區(qū)地下鐵路修建越來(lái)越多，但由于地質(zhì)條件復(fù)雜、建筑地基和基礎(chǔ)密布、線路規(guī)劃、下穿既有鐵路公路等原因，導(dǎo)致城市地下空間利用有著諸多限制。城區(qū)隧道修建也逐漸開始面臨各種問題，其中最主要的就是隧道修建對(duì)既有構(gòu)筑物的影響［1］。

研究表明，巖土體中隧道開挖會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，一段時(shí)間后隧道和圍巖才能形成相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)。而對(duì)于相隔距離較近的隧道，新建隧道對(duì)既有隧道和圍巖的應(yīng)力重分布一般會(huì)造成不同程度的影響［2］。鄰近隧道施工對(duì)既有隧道的影響分析，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)有了較多研究［3-5］。但是，目前的相關(guān)研究多采用平面二維模型或假定平面應(yīng)變的三維模型進(jìn)行［6］，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下不同施工工法對(duì)鄰近隧道結(jié)構(gòu)以及圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的影響［7］對(duì)比研究較為有限。特別是針對(duì)隧道下穿鐵路施工工法［8-10］的適宜性分析鮮有研究。

根據(jù)日本1997年公布的《既有鐵路隧道近接施工指南》規(guī)定，以及近接施工案例研究的相關(guān)論著［11］，當(dāng)隧道間距小于2.5D(D為隧道外徑中寬度或高度的最大值)時(shí)就應(yīng)該引起重視。當(dāng)隧道間距小于1D時(shí)，必須采取相應(yīng)措施以保證施工安全順利進(jìn)行。因此，鄰近隧道施工時(shí)，新建隧道必定會(huì)對(duì)周圍圍巖和既有構(gòu)筑物產(chǎn)生影響，導(dǎo)致既有隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力等不利因素。

1 工程分析

1.1 工程概況

本文以莞惠城際GZH-7標(biāo)段項(xiàng)目為依托，選取地質(zhì)條件軟弱復(fù)雜的GDK51+241附近Ⅵ級(jí)圍巖段，該區(qū)段自常平站向東延伸，依次下穿廣深鐵路Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ線，東莞疏解線(兩次)，廣深鐵路Ⅲ線，東土聯(lián)絡(luò)線、東莞東南聯(lián)絡(luò)線。由于鐵路是重要干線，需要承擔(dān)大量運(yùn)輸任務(wù)，因此，隧道開挖需要嚴(yán)格控制對(duì)運(yùn)營(yíng)線路造成的影響。

本文計(jì)算中所選取斷面隧道埋深21.45 m，相鄰隧道中線距離為15.3 m，在莞惠城際項(xiàng)目中為凈距最小區(qū)段。該區(qū)段地表為素填土以及黏土和砂土，下臥層為混合片麻巖，由淺至深風(fēng)化程度依次減弱，隧道主體結(jié)構(gòu)位于混合片麻巖地層中。

1.2 模型的建立

本文在三維有限元模型計(jì)算中采取了相應(yīng)假設(shè)和簡(jiǎn)化，假定巖土體為連續(xù)介質(zhì)，并采用彈塑性Drucker-Prager criterion實(shí)體模型進(jìn)行模擬。隧道襯砌采用彈性殼單元模擬，錨桿采用桿單元模擬，中隔壁和鋼拱架等采用彈性梁?jiǎn)卧M，對(duì)于加固區(qū)采用提高圍巖參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鐵路列車豎向靜荷載根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》［12］(TB 10002.1—2005)的中華人民共和國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載選取。路基與隧道軸線方向正交以簡(jiǎn)化計(jì)算。

為消除邊界效應(yīng)的影響，模型下邊界以及左右邊界到隧道輪廓的距離均為4倍洞徑，向上取至地表。在模型的下邊界施加豎直方向約束;左右邊界施加水平方向約束。模型具體尺寸為沿隧道軸向(Z向)取28 m，水平向(X向)取95.3 m，垂直向(Y向)取55 m，上表面為地面。

1.3 計(jì)算參數(shù)

地層及隧道支護(hù)參數(shù)選取參考東莞其他項(xiàng)目，地層具體參數(shù)見表1及表2。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)取值

表2 鐵路路基基本參數(shù)值

2 結(jié)果分析

通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算，得到了在下穿既有鐵路時(shí)，不同施工工法下鄰近隧道施工對(duì)鄰近隧道圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 結(jié)構(gòu)變形及圍巖位移分析

右洞開挖在軟弱地層中引起較大沉降，而后行左洞的開挖導(dǎo)致已受擾動(dòng)的圍巖產(chǎn)生的變形進(jìn)一步增加，二者產(chǎn)生的沉降變化規(guī)律基本相同。CD法開挖產(chǎn)生的最大沉降為13.089 mm，位于先行洞內(nèi)拱頂處，臺(tái)階法開挖產(chǎn)生的最大沉降為17.60 mm，也位于先行洞內(nèi)拱頂，臺(tái)階法產(chǎn)生的變形較CD法要大34.46%。

表3是后行洞開挖引起既有構(gòu)筑物及圍巖變形量，CD法開挖產(chǎn)生位移達(dá)到6 mm，臺(tái)階法豎向位移達(dá)到7.8 mm，并且影響范圍更大。

表3 后行洞開挖引起既有構(gòu)筑物及圍巖變形量mm

根據(jù)兩種工法引起的鐵路路基的豎向變形量計(jì)算結(jié)果表明，路基在開挖后整體都產(chǎn)生了不同程度的沉降，特別是兩隧道中間部位沉降最大。其中CD法產(chǎn)生了5.6 mm沉降，臺(tái)階法產(chǎn)生了7.5 mm沉降，較CD法大34%。

CD法和臺(tái)階法開挖全部完畢后，兩個(gè)模型的整體水平位移在變形分布規(guī)律上基本一致，CD法開挖產(chǎn)生的最大水平位移為3.983 mm，臺(tái)階法為5.681 mm，較CD法增加42.6%。

由變形分析可知，CD法由于在開挖過(guò)程中設(shè)置了中隔壁等臨時(shí)支護(hù)，因此在施工中更能有效控制變形的發(fā)展，因此產(chǎn)生的各項(xiàng)位移均較臺(tái)階法要小。在鄰近下穿鐵路隧道時(shí)，對(duì)鐵路路基沉降控制有嚴(yán)格要求，更體現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及應(yīng)力變化

表4是先行洞初期支護(hù)在后行洞開挖完成后的第一和第三主應(yīng)力。

表4 先行洞初期支護(hù)應(yīng)力MPa

對(duì)于第一主應(yīng)力，最大拉應(yīng)力均位于拱底，CD法產(chǎn)生的主拉應(yīng)力為1.04 MPa，臺(tái)階法為0.93 MPa，CD法要大11.8%。這是因?yàn)镃D法是左右開挖方式，而臺(tái)階法是上下開挖方式，拱底施作時(shí)間較晚，拱底應(yīng)力釋放較多。因此，臺(tái)階法對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力要小。

對(duì)于第三主應(yīng)力，兩種工法對(duì)先行洞初襯結(jié)構(gòu)的主壓應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，最大量值均為10 MPa左右，并且最大主壓應(yīng)力均在拱腳處，說(shuō)明拱腳處有較大的應(yīng)力集中。這是與開挖洞室的形式密切相關(guān)的，兩種工法沒有明顯區(qū)別。

分析表5中開挖前后先行洞錨桿軸力計(jì)算結(jié)果，隨著后行洞的開挖，先行洞的錨桿軸力變大，CD法開挖后先行洞錨桿的最大軸力增加了31.9%。而臺(tái)階法增加了31.7%。CD法所產(chǎn)生的最終內(nèi)力略大于臺(tái)階法。

表5 先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力kN

分析表5中開挖前后先行洞鋼拱架軸力計(jì)算結(jié)果，隨著后行洞的開挖，先行洞的鋼拱架軸力同樣變大。CD法鋼拱架軸力增大了13.9%，臺(tái)階法鋼拱架軸力增大了13.8%。CD法所產(chǎn)生的最終內(nèi)力略大于臺(tái)階法。

由結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和內(nèi)力分析可知，對(duì)于雙向近距離隧道，由于開挖引起的圍巖應(yīng)力重分布對(duì)鄰近既有隧道產(chǎn)生的影響不能忽略，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起注意。而由于不同工法導(dǎo)致的應(yīng)力和內(nèi)力變化程度也不同，但總體上CD法引起的最終內(nèi)力要略大于臺(tái)階法。這是由于CD法對(duì)變形的控制更為明顯，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的附加應(yīng)力更大，但是兩種工法的最終內(nèi)力差別并不大。因此，從整體上看CD法較臺(tái)階法更能適應(yīng)復(fù)雜的圍巖和周邊環(huán)境。但是CD法較臺(tái)階法有工序復(fù)雜、工期長(zhǎng)、需要施作臨時(shí)支護(hù)等特點(diǎn)。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面因素后決定采用哪種方法。

2.3 開挖過(guò)程掌子面塑性區(qū)分析

圖1是CD法在后行洞開挖過(guò)程中，掌子面出現(xiàn)的塑性區(qū)形式。

圖1 CD法后行洞施工中掌子面塑性應(yīng)變值

根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩種工法開挖時(shí)，塑性區(qū)都出現(xiàn)在掌子面的上部和底部，上部塑性區(qū)范圍普遍較小，而下部特別是拱底處，塑性區(qū)出現(xiàn)范圍較大。但CD法開挖支護(hù)較強(qiáng)，每一施工步都能形成有效支護(hù)，控制圍巖變形，同時(shí)控制塑性區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，CD法產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍和塑性發(fā)展程度較臺(tái)階法要小。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

在本工程現(xiàn)場(chǎng)施工中采用了CD法進(jìn)行開挖，在鐵路沿線和隧道洞內(nèi)布置了測(cè)點(diǎn)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)在開挖后的沉降和變形進(jìn)行了嚴(yán)格的監(jiān)控。

3.1 拱頂測(cè)點(diǎn)沉降

本文選用具有典型代表意義的斷面，里程GDZK51+127.5處的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。數(shù)值模擬的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工序與進(jìn)度進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，由于模型將實(shí)際工程問題進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，因此沉降值普遍較實(shí)際施工監(jiān)測(cè)值要小30%～50%。

圖2中橫坐標(biāo)為施工日期，縱坐標(biāo)為沉降值。測(cè)點(diǎn)位于本斷面后行洞隧道的拱頂處。本次分析提取了2個(gè)月的部分監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在隧道開挖以后迅速增大，約一個(gè)半月后沉降增長(zhǎng)得到緩和，2個(gè)多月的沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，總沉降約20 mm。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的反饋，第一個(gè)月開挖進(jìn)度約9 m，將有限元的計(jì)算數(shù)據(jù)按照時(shí)間進(jìn)行線性插值，得出的規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)基本一致。一個(gè)月半以后沉降增長(zhǎng)緩慢，最后達(dá)到穩(wěn)定。

圖2 拱頂處特征點(diǎn)沉降(單位:mm)

3.2 路基測(cè)點(diǎn)沉降

路基測(cè)點(diǎn)位于地表，沿鐵路路基進(jìn)行布置，自兩隧道連線中點(diǎn)正上方開始向兩側(cè)每10 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。數(shù)值模擬中參照實(shí)際測(cè)點(diǎn)布置，監(jiān)控相應(yīng)位置地表節(jié)點(diǎn)的位移，根據(jù)實(shí)際點(diǎn)位以相鄰節(jié)點(diǎn)位移量進(jìn)行線性插值，據(jù)此同現(xiàn)場(chǎng)路基沉降監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析。

圖3中橫坐標(biāo)為距隧道開挖中線距離，縱坐標(biāo)為斷面開挖穩(wěn)定后最終沉降值。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，0到25 m之間(右線隧道開挖影響)，數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)規(guī)律基本相同，即距隧道中線距離越近沉降值越大，反之則越小。0到-25 m之間，實(shí)際施工中，考慮到左側(cè)隧道開挖影響沉降值與軸線距離間變化并不顯著，而數(shù)值模擬中模型做了一定簡(jiǎn)化并具有對(duì)稱性，因此計(jì)算結(jié)果較為對(duì)稱，二者規(guī)律差別較小。

圖3 鐵路路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線(單位:mm)

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托實(shí)際工程，通過(guò)對(duì)下穿既有鐵路線的鄰近隧道采用不同的施工工法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同工法進(jìn)行隧道開挖產(chǎn)生的影響，得到結(jié)論如下:

1)CD法由于在開挖過(guò)程中設(shè)置了中隔壁等臨時(shí)支護(hù)，在施工中能更為有效地控制變形的發(fā)展，因此產(chǎn)生的各項(xiàng)位移均較臺(tái)階法要小。特別是下穿鐵路隧道對(duì)鐵路路基沉降控制有嚴(yán)格要求等特殊情況時(shí)，體現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)。

2)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和內(nèi)力變化方面，總體上CD法引起的最終內(nèi)力要略大于臺(tái)階法，材料性能得到充分發(fā)揮，其量值差距較小，這是由于CD法對(duì)變形的控制更為明顯，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的附加應(yīng)力更大。

3)施工期安全穩(wěn)定方面，通過(guò)對(duì)開挖過(guò)程中掌子面塑性區(qū)的分析，CD法在控制塑性區(qū)的發(fā)展方面較為有效，更能有效地保證開挖過(guò)程中掌子面和周邊圍巖的穩(wěn)定，確保施工的安全進(jìn)行。

4)將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)與CD法數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，盡管現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)值大于數(shù)值模擬，但二者在分布規(guī)律上較為符合，在一定程度上反映了現(xiàn)場(chǎng)施工中的實(shí)際問題，可以對(duì)設(shè)計(jì)和施工提供一定參考。

綜上所述，對(duì)于下穿既有鐵路的鄰近雙向隧道，不同工法開挖對(duì)于地層結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生的影響和規(guī)律是基本一致的，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)CD法較臺(tái)階法有一定優(yōu)勢(shì)，對(duì)保證周邊既有結(jié)構(gòu)安全和圍巖的穩(wěn)定等有一定幫助。但是在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)該考慮實(shí)際工程與數(shù)值模擬間存在的差異，充分考慮實(shí)際地質(zhì)條件，結(jié)合變形控制要求、成本控制要求等因素進(jìn)行綜合選擇。

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

［2］潘曉馬.鄰近隧道施工對(duì)既有隧道的影響［D］.成都:西南交通大學(xué)，2002.

［3］杜菊紅，黃宏偉，熊玉朝.小凈距隧道凈距研究及施工技術(shù)應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(3):488-493.

［4］張治國(guó)，黃茂松，王衛(wèi)東.鄰近開挖對(duì)既有軟土隧道的影響［J］.巖土力學(xué)，2009，30(5):1373-1380.

［5］劉艷青，鐘世航，盧汝綏，等.小凈距并行隧道力學(xué)狀態(tài)的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(5):590-594.

［6］張瓊武.基于圍巖穩(wěn)定性的小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)分析［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2002.

［7］彭琦.淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力及施工力學(xué)研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2008.

［8］呂培林，周順華.軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28(2):12-16.

［9］季大雪.武漢長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)下穿武九鐵路沉降影響分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(10):59-63.

［10］閆鑫，葉陽(yáng)升，張梅，等.地鐵隧道下穿既有鐵路橋施工影響分析［J］.鐵道建筑，2012(6):84-85.

［11］潘曉馬，張成滿，溫向東，等.新建隧道施工對(duì)鄰近既有隧道安全性影響數(shù)值分析［J］.鐵道建筑技術(shù)，2002(1):29-31.

［12］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

(責(zé)任審編趙其文)

U455.41+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.17

1003-1995(2015)02-0062-04

2014-04-01;

2014-11-28

雷建海(1976—)，男，四川岳池人，副教授，碩士。