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    公路隧道下穿對(duì)既有鐵路隧道的力學(xué)特性影響研究

    2020-07-18 01:56:16張志強(qiáng)
    四川建筑 2020年3期
    關(guān)鍵詞:內(nèi)力主應(yīng)力安全系數(shù)

    唐 旭,張志強(qiáng)

    (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)

    1 相關(guān)研究文獻(xiàn)

    近年來,隨著我國(guó)不斷推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),使得我國(guó)隧道建設(shè)事業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。在公路隧道的建設(shè)中,常會(huì)面臨下穿既有隧道的情況。由于下穿既有隧道工程容易對(duì)既有隧道產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致既有隧道產(chǎn)生移動(dòng)和變形,影響既有隧道的安全和使用壽命。因此有必要對(duì)相關(guān)工程施工期的既有隧道進(jìn)行相應(yīng)的分析,以確保既有隧道在下穿工程施工和運(yùn)營(yíng)階段的安全性。

    許多學(xué)者對(duì)隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物進(jìn)行了有意義的研究,如萬良勇[1]以北京地鐵7號(hào)線下穿既有雙井站為背景,對(duì)新建區(qū)間隧道“零距離”穿越既有車站結(jié)構(gòu)和區(qū)間隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,確定了相應(yīng)的施工開挖方案;姚海波[2]根據(jù)新建隧道的施工順序和與既有結(jié)構(gòu)物沉降的對(duì)應(yīng)關(guān)系,采用數(shù)值模擬,比較了不同工法對(duì)既有構(gòu)筑物的擾動(dòng)特點(diǎn);Lin[3]等人以長(zhǎng)沙某地鐵盾構(gòu)隧道下穿斜交隧道為背景,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段,對(duì)新隧道開挖和交角變化所引起的既有隧道的變形和內(nèi)力等特性變化進(jìn)行了深入研究;李棟[4]等人針對(duì)重慶花卉園地鐵區(qū)間隧道下穿既有天橋的復(fù)雜開挖條件,對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析,并結(jié)合數(shù)值模擬提出了相應(yīng)的控制措施;韓煊[5]等人分析了國(guó)內(nèi)外地鐵下穿既有線的典型案例,提出了適用于既有線在新建隧道下穿時(shí)產(chǎn)生沉降的預(yù)測(cè)分析方法。

    本文以重慶三環(huán)高速明月山公路隧道下穿滬蓉鐵路排花洞既有隧道為依托工程,采用三維有限差分軟件FLAC 3D對(duì)既有隧道在新建隧道采用CD法下穿施工過程中的內(nèi)力和變形特性進(jìn)行研究,以期為類似下穿既有隧道工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

    2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

    本文依托明月山公路隧道下穿滬蓉鐵路既有隧道工程的實(shí)際情況,采用FLAC 3D來進(jìn)行工程數(shù)值模擬。明月山公路隧道左、右線以48 °角與滬蓉鐵路排花洞既有隧道斜交,其結(jié)構(gòu)凈距為24.6 m(圖1)。

    圖1 隧道空間位置關(guān)系示意

    模型采用地層—結(jié)構(gòu)法,下穿隧道洞徑為11.75 m,洞高為8.835 m,綜合相關(guān)地質(zhì)資料及JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》相關(guān)圍巖的物理力學(xué)參數(shù),從簡(jiǎn)化計(jì)算和安全考慮,故取最不利情況,在下穿鐵路段設(shè)置為Ⅴ級(jí)圍巖,兩端為Ⅲ級(jí)圍巖,排花洞隧道采用C35鋼筋混凝土復(fù)合式襯砌,明月山隧道采用C20噴射混凝土和C35鋼筋混凝土。具體參數(shù)見表1。

    表1 材料參數(shù)

    計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則作為圍巖的屈服準(zhǔn)則。為防止邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響,模型的長(zhǎng)、寬和高分別為150 m、175 m和130 m。設(shè)計(jì)中采用CD法進(jìn)行下穿段的施工,以每?jī)砷摷転橐谎h(huán),左右線先后開挖,待一側(cè)二襯完成之后再開挖另一側(cè),其具體施工順序如圖2所示。既有隧道和新建隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性實(shí)體單元進(jìn)行模擬,巖土體采用三維六面體實(shí)體單元和三維四面體實(shí)體單元模擬,模型如圖3所示。

    圖2 隧道施工順序

    圖3 整體模型示意

    3 不同計(jì)算工況設(shè)置

    為分析CD法開挖新建隧道對(duì)既有隧道的影響,在平衡初始地應(yīng)力場(chǎng)和開挖支護(hù)既有隧道后,進(jìn)行新建隧道的施工計(jì)算??紤]到最不利影響影響,故取既有隧道與新建隧道左右線交叉斷面為典型研究斷面,并設(shè)置5個(gè)典型工況:工況一(左線剛開挖)、工況二(左線開挖至交叉斷面)、工況三(左線貫通)、工況四(右線開挖至交叉斷面)、工況五(右線貫通),來探究新建隧道對(duì)既有隧道的影響。開挖支護(hù)既有隧道后的豎向應(yīng)力分布如圖4所示。

    圖4 排花洞隧道開挖支護(hù)后模型豎向應(yīng)力云圖

    4 計(jì)算結(jié)果分析

    4.1 既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力

    通過計(jì)算可得在下穿既有隧道的不同施工階段下既有隧道二襯的最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。

    由圖5可以看出,左線開始開挖(工況一)時(shí),既有隧道二襯的最小主應(yīng)力為10.783 MPa,為壓應(yīng)力。隨著施工的不斷進(jìn)行,二襯結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力逐漸增大,并保持為壓應(yīng)力。二襯結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力的最大值發(fā)生在拱腳附近,在左右線貫通后最小主應(yīng)力達(dá)到最大值11.626 MPa。

    圖5 不同施工階段既有隧道二襯最小主應(yīng)力(單位:Pa)

    圖6 不同施工階段既有隧道二襯最大主應(yīng)力(單位:Pa)

    由圖6可以看出,左線開始開挖(工況一)時(shí),既有隧道二襯的最大主應(yīng)力為0.449 MPa,為拉應(yīng)力。隨著施工的不斷進(jìn)行,可以看到二襯結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力保持為拉應(yīng)力,并逐漸增大。二襯結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力發(fā)生在拱肩附近,在左右線貫通后最大主應(yīng)力達(dá)到最大值0.519 MPa。

    4.2 既有隧道結(jié)構(gòu)位移

    根據(jù)施工模擬的計(jì)算結(jié)果,提取各施工步下典型研究斷面各關(guān)鍵截面的水平位移和豎向位移的計(jì)算結(jié)果,采用Origin軟件繪制圖7、圖8。

    圖7 研究斷面關(guān)鍵部位在不同施工步的水平位移

    圖8 研究斷面關(guān)鍵部位在不同施工步的豎向位移

    隨著新建隧道施工的不斷進(jìn)行,由圖7和圖8可知,研究斷面二襯結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的水平位移和豎向位移逐漸增大。在右線貫通并施作完二襯后,水平位移和豎向位移達(dá)到最大。其中,最大水平位移出現(xiàn)在右墻腰處,為0.277 mm;最大豎向位移出現(xiàn)在仰拱處,為5.234 mm。根據(jù)TG/GW102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》的相關(guān)要求,可知研究斷面的位移變形滿足相關(guān)規(guī)定的限值。

    4.3 既有隧道二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

    根據(jù)計(jì)算結(jié)果,依據(jù)TB10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.5.1的相關(guān)規(guī)定,采用破損階段法計(jì)算施工完成后研究斷面二襯結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),結(jié)果如表2所示。

    表2 既有隧道截面內(nèi)力及安全系數(shù)

    由表2中既有隧道二襯結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的截面內(nèi)力可知,二襯內(nèi)部均為軸向壓力,且最大軸力出現(xiàn)在墻腳處,為2375.2 kN;二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)受拉時(shí),彎矩在拱頂處達(dá)到最大值217 kN·m;二襯結(jié)構(gòu)外側(cè)受拉時(shí),彎矩在墻腳處達(dá)到最大值86.7 kN·m。通過對(duì)各關(guān)鍵截面安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析,可以發(fā)現(xiàn)最小安全系數(shù)值4.57出現(xiàn)在墻腳處,且研究斷面各截面的安全系數(shù)遠(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)的相關(guān)規(guī)范規(guī)定的抗裂和抗壓安全系數(shù)臨界值2.4和2.0。

    5 結(jié)論

    本文探究了采用CD法開挖的新建隧道對(duì)既有隧道的擾動(dòng)影響,通過對(duì)既有隧道二襯結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移以及安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析,得到了以下結(jié)論:

    (1)新建隧道在下穿既有隧道時(shí),會(huì)對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)及周圍應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響;

    (2)在不同施工階段下,隨著新建隧道左右線開挖和支護(hù)的進(jìn)行,既有隧道的二襯結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移隨之逐漸增大;

    (3)CD法開挖可以對(duì)掌子面乃至整個(gè)開挖隧道起到很好的變形控制作用,新建隧道采用CD法開挖可以有效降低施工期間對(duì)既有隧道的擾動(dòng),確保既有隧道結(jié)構(gòu)的安全。因此在下穿既有隧道的施工中,可以考慮采用CD法及其他施工變形控制措施,確保既有隧道結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。

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