新建隧道上跨既有隧道施工安全影響分析

李金鵬

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 北京 102600）

21世紀(jì)以來，我國鐵路建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，尤其是在十三五規(guī)劃中，越來越多的新建鐵路工程已經(jīng)投入使用或者將要投入建設(shè)，但是在修建過程中，可能由于受地形地質(zhì)條件等多方面的因素限制，新建隧道不可避免地與已經(jīng)運(yùn)營的既有隧道在空間上發(fā)生交叉，這樣的交叉極有可能會導(dǎo)致既有隧道結(jié)構(gòu)破壞、影響其運(yùn)營安全[1]，同時也妨礙了新建隧道的安全施工，因此需要進(jìn)行上跨既有隧道安全研究。 本文用數(shù)值軟件 MIDAS，對新建隧道的施工進(jìn)行了靜力與動力爆破的模擬，對空間交叉的既有隧道進(jìn)行位移、內(nèi)力、振速等方面的安全評估。[2]

1 工程概況

1.1 新建鐵路隧道概況

曼邁一號隧道位于勐臘～大龍哈區(qū)間，為時速 160km/h單線隧道。隧道全長 3605m，最大埋深 291m，洞內(nèi)線路坡度為單面上坡，線路坡度為 10.8‰。洞內(nèi)鋪設(shè)有砟軌道，有砟軌道內(nèi)軌頂面至道床底面高度為766mm。

隧道出口緊鄰勐臘南大窩河大橋，且下方為213國道和昆磨高速公路。

1.2 既有公路隧道概況

七道班隧道屬于昆明-磨憨高速公路，是銀川-昆明高速公路（G85）的聯(lián)絡(luò)線之一。昆磨高速規(guī)劃里程692km，通車?yán)锍?61km。自昆明經(jīng)元江、思茅至磨憨口岸，全線均位于云南境內(nèi)，已于2008年全線通車。

1.3 新建鐵路隧道與既有公路隧道相對位置關(guān)系

曼邁一號隧道D1K483+070～D1K483+145段隧道洞身上跨昆磨高速公路七道班隧道，線路中線夾角為 32°51′25″，本隧隧底與公路隧頂凈距16.85m。

2 靜力數(shù)值計算方案

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)新建鐵路隧道施工圖以及既有公路隧道相關(guān)資料，新建鐵路隧道與既有公路隧道位置關(guān)系呈現(xiàn)一定的空間斜交關(guān)系，現(xiàn)利用MIDAS GTS-NX軟件建立三維有限元數(shù)值模型。在三維建模中，以新建鐵路隧道縱向為y軸，從小里程指向大里程為正；z軸垂直于巖層，往上為正；x軸與y軸和z軸滿足右手法則。

新建隧道外徑約為8.38m，由于隧道的影響范圍一般為3～5倍洞徑，橫向共選取100m；縱向從新建隧道里程D1K483+045到D1K483+145，共100m；下限取既有隧道底板以下50m，上限至山體表面，由于為淺埋隧道，山體表面地形對隧道有影響，因此，本模型考慮地表起伏。

2.2 基本參數(shù)的選取

2.3 施工步驟及分析工況

施工步驟具體分兩步進(jìn)行：

1新建鐵路隧道超前錨桿、暗洞開挖以及暗洞襯砌施做；

2新建隧道明挖段開挖、邊仰坡以及明洞結(jié)構(gòu)的施做。

2.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

工況1：新建鐵路隧道施工階段對既有公路隧道的影響

（一）D1K483+070～D1K483+130暗洞開挖以及暗洞襯砌施做對既有公路隧道的影響；

（1）位移分析

圖1 既有公路隧道襯砌變形云圖

圖中的正位移表示上抬，負(fù)位移表示沉降，由圖可以看到，最大上抬位移發(fā)生在新建隧道與既有隧道相交斷面處，端部有輕微的沉降值。在拱頂處，最大上抬位移為2.75mm，不超過5mm的襯砌上浮控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)檢算

在新建鐵路隧道開挖作用下，既有公路隧道襯砌的內(nèi)力結(jié)果如所示。

圖2既有公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布圖

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018），混凝土矩形截面中心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度的計算公式為：

從抗裂要求出發(fā)，混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度的計算公式為：

式中，Ra—混凝土極限抗壓強(qiáng)度；Rl—混凝土極限抗拉強(qiáng)度；K—安全系數(shù)；N——軸向力（MN）；b—截面的寬度（m）；h—截面的厚度（m）；α—軸向力的偏心影響系數(shù)，e0—截面偏心距（m）。

分別取新建鐵路隧道與既有公路隧道交叉斷面處，既有隧道襯砌拱頂、左右拱腳以及仰拱處的內(nèi)力進(jìn)行安全系數(shù)檢算，如所示。

表1 與新建隧道交叉斷面襯砌結(jié)構(gòu)受力及安全系數(shù)檢算表

根據(jù)檢算結(jié)果，可以看出七道班隧道各控制點(diǎn)處均為抗壓，且安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的 1.7，這說明了新建曼邁一號隧道的修建對既有七道班公路隧道的影響較小，基本未改變了既有襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，不會影響既有隧道襯砌的安全。

（二）D1K483+130～D1K483+145明挖段開挖、邊仰坡以及明洞結(jié)構(gòu)的施做對既有公路隧道的影響

（1）位移分析

圖3 既有公路隧道襯砌變形云圖

圖中的正位移表示上抬，負(fù)位移表示沉降，本次模型試驗采取位移累加的方式，由圖可以看到，最大上抬位移發(fā)生在新建隧道與既有隧道相交斷面處，端部有輕微的沉降值。在拱頂處，最大上抬位移為由暗洞開挖及支護(hù)后的2.75mm增加到3.05mm，不超過5mm的襯砌上浮控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)檢算

表2 與新建隧道交叉斷面襯砌結(jié)構(gòu)受力及安全系數(shù)檢算表

在新建鐵路隧道開挖作用下，既有公路隧道襯砌的內(nèi)力結(jié)果所示。分別取新建鐵路隧道與既有公路隧道交叉斷面處，既有隧道襯砌拱頂、左右拱腳以及仰拱處的內(nèi)力進(jìn)行安全系數(shù)檢算，檢算結(jié)果顯示，既有隧道各特征點(diǎn)處滿足強(qiáng)度承載能力，且安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，這說明了新建鐵路隧道明洞及邊仰坡的開挖對既有公路隧道的影響較小，基本未改變了既有結(jié)構(gòu)的承載能力，不會影響既有隧道襯砌的安全。

2、工況2：新建鐵路運(yùn)營階段對既有公路隧道的影響

（1）位移分析

運(yùn)營階段采取的是施工階段完成后進(jìn)行位移清零的模型，在運(yùn)營階段，既有七道班公路隧道將會產(chǎn)生附加的沉降變形，變形在拱頂處達(dá)到最大值0.295mm，往下逐步減小。從總體上看，七道班隧道沉降量很小，最大沉降量不超過10mm變形控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，新建曼邁一號鐵路隧道運(yùn)營階段的列車荷載不會對既有七道班公路隧道襯砌安全造成影響。

3 爆破數(shù)值計算方案

3.1 模態(tài)分析

采用MIDAS GTS-NX特征值分析功能進(jìn)行模態(tài)分析，利用子空間迭代法求出結(jié)構(gòu)的固有頻率以及周期。

表3 計算模型振型

3.2 計算工況

由于計算新建鐵路隧道爆破點(diǎn)位于交叉點(diǎn)正上方時，對既有隧道影響最大，因此，選取此工況。

3.3 爆破計算結(jié)果及分析

當(dāng)新建鐵路隧道在交叉點(diǎn)上方爆破時，位于交叉點(diǎn)處的公路隧道受影響最大。根據(jù)時程分析結(jié)果，可以得出該斷面拱頂、左右拱腰、左右拱底以及仰拱處的質(zhì)點(diǎn)振速時程曲線。

圖 4 拱頂質(zhì)點(diǎn)速度時程曲線

當(dāng)新建鐵路隧道在既有公路隧道正上方爆破時，既有隧道在交叉斷面處主要受到垂直振速的影響，振速均相對較小，在影響程度方面，既有隧道拱頂與右拱腰受到的影響最大，其振速達(dá)到1.67cm/s與1.92m/s，隨著應(yīng)力波往下傳遞，振速開始衰減，均未超過4cm/s的容許值。

4 結(jié)論

1、新建鐵路隧道的開挖使得既有公路隧道發(fā)生一定程度的上抬現(xiàn)象。在拱頂處，最大上抬位移為3.05mm，不超過5mm的襯砌上抬控制標(biāo)準(zhǔn)，因此，新建鐵路隧道的開挖基本不會對既有公路的正常運(yùn)營造成影響。

2、新建鐵路隧道運(yùn)營后，在車輛荷載的作用下，既有公路隧道出現(xiàn)輕微的附加沉降，最大值約為0.327mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10mm的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，不會對既有公路隧道的正常運(yùn)營造成影響。

3、新建曼邁一號鐵路隧道修建及運(yùn)營對既有七道班公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)承載能力的影響比較小，基本未改變既有結(jié)構(gòu)的承載能力，安全系數(shù)滿足要求。

4、爆破分析顯示，在控制最大裝藥量的情況下，既有公路隧道最大振速為1.92cm/s，未超過4cm/s的容許值，因此不會危及行車安全。