公路邊坡開挖對既有鐵路隧道的影響分析

林海洋 袁鄭棋

摘 要：以工程實際為例，應用MIDAS-GTS軟件進行三維有限元數(shù)值模擬，分析了新建公路邊坡開挖對既有鐵路隧道位移、襯砌結(jié)構內(nèi)力的影響，得出路基邊坡開挖對一定距離范圍外既有隧道的影響結(jié)論，為類似工程提供參考。

關鍵詞：邊坡開挖;既有隧道;數(shù)值模擬;變形;內(nèi)力

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，公路、鐵路的建設不斷增多，由于地形地質(zhì)的影響，較好的路線走廊帶也越來越少，多條路線共用同一條走廊帶的情況不斷出現(xiàn)。在實際工程實施過程中，經(jīng)常會遇到新建公路臨近原有鐵路隧道的情況，這些新舊工程之間的距離較小，新公路的修建必定會對既有隧道產(chǎn)生不利影響，所以在新建項目方案設計階段，就要結(jié)合路線方案充分考慮施工期及運營期對既有隧道的影響，確保新建公路和既有隧道的結(jié)構安全，因此分析既有鐵路隧道在臨近新建公路邊坡開挖后結(jié)構的內(nèi)力和位移是必要的，本文依托溫州水門路項目，從靜力學角度研究了公路邊坡開挖對既有鐵路隧道的影響。

1 工程實例

溫州水門路項目采用《公路工程技術標準》中四車道一級公路標準，設計速度為80 km/h，路基標準橫斷面寬度24.5 m，分離式路基單幅寬度12.25 m。

既有樂清灣鐵路新村隧道采用曲墻復合式襯砌，Ⅱ級圍巖及Ⅲ級圍巖一般段隧道采用曲墻加底板的襯砌結(jié)構形式，Ⅲ級圍巖地下水發(fā)育段采用曲墻帶仰拱的襯砌結(jié)構形式，Ⅳ～Ⅴ級圍巖采用曲墻帶仰拱的襯砌結(jié)構形式。洞口段、淺埋偏壓、斷層破碎帶、巖性接觸帶、節(jié)理密集帶等地段進行結(jié)構加強。

新建水門路右線路塹邊坡與新村隧道水平距離最近，相距48 m。

2 有限元分析

2.1 模型建立

新建公路邊坡與既有隧道位置關系呈現(xiàn)一定的空間關系，現(xiàn)利用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元數(shù)值模型。既有鐵路隧道外徑約為7.76 m，考慮到隧道的影響范圍一般為3～5倍洞徑，在既有鐵路隧道中心線左側(cè)取30 m，新建公路中線右側(cè)取35 m，橫向共選取120 m;縱向從新建公路右線里程YK0+650到Y(jié)K0+710，共60 m;下限取既有隧道仰拱以下30 m，上限為山體表面。既有隧道襯砌及其與新建公路邊坡相對位置關系如圖1所示。

2.2 基本參數(shù)的選取

綜合巖土工程勘察以及相關的規(guī)范、設計手冊，確定在有限元分析中所采用的物理力學參數(shù)如表1-1所示。

2.3 既有隧道變形及內(nèi)力限值

目前，關于襯砌變形的控制標準尚未有明確的規(guī)定，參考北京、浙江等地軌道交通工程建設監(jiān)控量測的實踐，并結(jié)合大量的接近工程經(jīng)驗，在不同重要性等級下，既有線隧道結(jié)構控制指標參考值如表1-2所示。

樂清灣鐵路支線主要承擔樂清灣港區(qū)貨物運輸服務，是樂清灣港區(qū)聯(lián)系并輻射內(nèi)地的后方通道，也是現(xiàn)有金溫鐵路的出海通道，一旦發(fā)生事故將會造成嚴重的影響?？紤]到該隧道目前尚未運營通車，在設計中按照重要性等級為Ⅱ級來進行襯砌變形控制。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 新建公路邊坡開挖對既有隧道的變形影響分析

在新建公路邊坡開挖作用下，巖體及既有隧道襯砌三個方面的變形云圖如圖2-1所示。圖中的正位移表示變形方向與坐標軸一致，負位移表示與坐標軸相反。

由圖2-1可以看到，在公路邊坡開挖施工過程中，既有隧道的主要產(chǎn)生沿著開挖面方向（T1方向）的水平變形以及豎向的變形（T3方向）為主，而沿著隧道縱向的變形基本比上述兩方向小1～2個數(shù)量級，基本可以忽略不計。

在邊坡開挖作用下，既有鐵路隧道全斷面均產(chǎn)生沿著開挖面方向的變形，迎開挖面一側(cè)變形比背開挖側(cè)大，最大值約為2.3 mm，不超過4 mm的水平變形控制標準。

由于邊坡坡腳高程低于既有隧道底約8 m，因此邊坡的開挖也導致了既有隧道發(fā)生了一定程度的沉降。不過由于距離較遠，約48 m，既有隧道基本位于沉降槽外，最大沉降值約為0.36 mm，遠低于10 mm的沉降控制標準。

3.2 新建公路邊坡開挖對既有隧道的內(nèi)力影響分析

在新建公路邊坡開挖作用下，既有隧道襯砌的軸力及彎矩分布如圖2-2和圖2-3所示。

根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》（TB10003-2016），當時，混凝土矩形截面中心及偏心受壓構件的抗壓強度的計算公式為：

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

式中，—混凝土極限抗壓強度;—混凝土極限抗拉強度;—安全系數(shù);——軸向力（MN）;—截面的寬度（m）;—截面的厚度（m）;—構件的縱向彎曲系數(shù)，對于隧道襯砌可取;—軸向力的偏心影響系數(shù)，—截面偏心距（m）。

以下選取兩個典型斷面（公路右線YK0+686，以下稱斷面一以及YK0+696斷面，以下稱斷面二），對既有隧道襯砌拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腳以及仰拱處的襯砌結(jié)構各特征點處受力，并計算安全系數(shù)檢算，分別如表2-1和表2-2所示。

以上檢算結(jié)果顯示，既有隧道兩個斷面各特征點處的抗壓強度和抗壓強度安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，這說明新建公路邊坡的開挖沒有改變既有隧道襯砌結(jié)構的承載能力，不會危及既有隧道的結(jié)構安全。

4 結(jié)論

在公路邊坡開挖施工過程中，既有隧道的主要產(chǎn)生沿著開挖面方向（T1方向）的水平變形以及豎向的變形（T3方向）為主，而沿著隧道縱向的變形基本比上述兩方向小1～2個數(shù)量級，基本可以忽略不計。

在邊坡開挖作用下，既有鐵路隧道全斷面均產(chǎn)生沿著開挖面方向的變形，迎開挖面一側(cè)變形比背開挖側(cè)大，在相距約48 m情況下，既有隧道變形最大值約為2.3 mm，不超過4 mm的水平變形控制標準。

開挖邊皮高程低于既有隧道高程時，邊坡的開挖也導致了既有隧道發(fā)生了一定程度的沉降。在高差約8 m、水平距離48 m情況下，既有隧道基本位于沉降槽外，最大沉降值約為0.36 mm，遠低于10 mm的沉降控制標準。

在相距約48 m情況下，既有隧道各特征點處的抗壓強度和抗壓強度安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，這說明新建公路邊坡的開挖沒有改變既有隧道襯砌結(jié)構的承載能力，不會危及既有隧道的結(jié)構安全。

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