輸水涵洞上跨鐵路隧道施工加固措施

章偉華 王英學(xué) 張子為 趙萬(wàn)強(qiáng)

【摘要】文章以向家壩灌區(qū)北總干渠工程為依托，采用有限元方法建立3個(gè)數(shù)值計(jì)算模型，分析研究輸水涵洞上跨鐵路隧道施工對(duì)鐵路隧道的影響，重點(diǎn)研究輸水管水壓對(duì)鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。研究結(jié)果表明：水壓作用下，相較于無(wú)加固措施，長(zhǎng)樁加固能改善襯砌結(jié)構(gòu)軸力的受力條件，短樁加固則對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)彎矩有較好的改善，綜合考慮安全性、適用性，選取短樁加固為最優(yōu)方案。

【關(guān)鍵詞】輸水隧洞; 隧道施工; 數(shù)值模擬; 上跨; 襯砌內(nèi)力

【中國(guó)分類(lèi)號(hào)】U449.52【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

隧道近接既有建筑物施工時(shí)，會(huì)對(duì)既有建筑物周?chē)耐馏w產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，破壞土體的穩(wěn)定性，使既有建筑物產(chǎn)生沉降，當(dāng)沉降量達(dá)到一定值時(shí)，是較大的安全隱患，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。為使隧道近接施工時(shí)對(duì)既有建筑物造成的擾動(dòng)影響盡可能減小，需要采取相應(yīng)的加固措施。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)近接工程的加固措施已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究：

張文[1]等對(duì)盾構(gòu)隧道近接既有管線施工進(jìn)行分析，通過(guò)多方案比較，提出在廢棄管線內(nèi)填混凝土，同時(shí)在管線外側(cè)加套鋼筒，并對(duì)管線周?chē)牡貙幼{加固的最優(yōu)方案。邵國(guó)霞[2]等基于三角模糊數(shù)并結(jié)合TOPSIS法構(gòu)建了一種新的既有高鐵近接地基加固方案優(yōu)選模型。路云[3]等在廣州地鐵西村站建設(shè)的地鐵隧道接近樁基施工中提出在既有基礎(chǔ)處加設(shè)鉆孔灌注樁或挖孔樁，使新增樁基與既有樁基共同承載，減小既有樁基沉降的加固方案。翁振華[4]采用雙機(jī)接力吊裝的方法，完成軟弱地基條件下盾構(gòu)拆卸吊裝施工，解決了近接深基坑進(jìn)行盾構(gòu)吊裝的地基加固難題。夏國(guó)政[5]等對(duì)隧道注漿加固模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了行之有效的注漿范圍和注漿參數(shù)。鄧海峰[6]對(duì)隧道近接水庫(kù)段地表施工進(jìn)行分析，提出分段漸進(jìn)帷幕注漿技術(shù)，對(duì)地表加固取得了明顯的效果。高玄濤[7]分析研究地鐵深基坑開(kāi)挖全過(guò)程對(duì)臨近建筑物的影響，重點(diǎn)研究基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑自身及鄰近建筑物變形的影響，并提出了可行的內(nèi)支撐方案。

從目前的研究資料來(lái)看，新建隧道近接其他建筑物的加固措施的優(yōu)選方案較多。但專(zhuān)門(mén)研究在輸水隧洞上跨既有鐵路隧道施工時(shí)，可以減小輸水管水壓對(duì)下部隧道結(jié)構(gòu)的影響的加固措施的文獻(xiàn)很少，因此需要進(jìn)一步的研究。

1 工程概況

向家壩灌區(qū)北總干渠工程與成貴鐵路90 °立交，交點(diǎn)位于成貴鐵路手爬巖隧道D2K129+500處，即北總干渠工程望江巖隧洞北總干20+182.504。成貴鐵路手爬巖隧道軌面至向家壩灌區(qū)北總干渠望江巖隧洞底板高差為14.904 m，上覆隧道至下伏隧道拱頂最小距離僅5 m左右（圖1）。

2 地質(zhì)概況

2.1 工程地質(zhì)

線路在紅層中通過(guò)，以白堊系（K）、侏羅系（J）砂泥巖為主。白堊系上統(tǒng)高坎壩組（K2gk）、白堊系下統(tǒng)窩頭山組（K1w）、侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）、侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3s）為含石膏底層。構(gòu)造以南北向弧形褶皺為主，主要不良地質(zhì)有：有毒有害氣體、順層、危巖落石、隧道淺埋，局部地段有軟土分部。

2.2 水文地質(zhì)

本標(biāo)段地表水以河流為主，地下水以第四系松散砂卵礫石層為主，含水量豐富，可溶巖中的巖溶水及砂泥巖中的基巖裂隙水次之，其中巖溶水較為豐富，暗河、巖溶泉十分發(fā)育。大部分地表水對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性，部分地段地表水及含煤層、石膏、巖鹽及鐵礦等地層中的地下水一般具有侵蝕性。對(duì)砼具弱～強(qiáng)硫酸型酸性侵蝕及弱～中等溶出性侵蝕，按鐵建設(shè)[2005]157號(hào)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，其侵蝕等級(jí)為H2。

3 建立模型及工況

依據(jù)地質(zhì)資料，將地層參數(shù)可分為兩層，淺表地層及深表地層。支護(hù)參數(shù)分為初期支護(hù)、二次襯砌及工程加固措施。初支采用C20混凝土，二次及工程加固措施采用C40混凝土。選取的地層參數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)及加固設(shè)施的工程材料如表1所示。

本項(xiàng)目采用FLAC3D軟件進(jìn)行施工過(guò)程的模擬分析，根據(jù)上述材料參數(shù)表建立模型，輸水涵洞上跨鐵路隧道模型基本尺寸為60 m×35 m×45 m（方向x、y、z），兩隧道凈距為5 m，隧道交叉角度為90 °，地層土體采用各向同性模型，屈服破壞遵循摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，初期支護(hù)采用實(shí)體單元模擬，二次襯砌采用Shell單元模擬。整體有限元模型和新建輸水隧洞與既有鐵路隧道的空間相對(duì)位置如圖2所示。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4.1 加固措施施工引起下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力

對(duì)下伏隧道的襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂、拱腰、拱腳處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，待上覆輸水隧洞分部開(kāi)挖完成后，分別計(jì)算三種工況的加固措施所引起的下伏隧道的內(nèi)力，并選取最不利截面切片，根據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)畫(huà)彎矩圖、軸力圖和內(nèi)力曲線圖（圖4、圖5）。

由以上三種工況下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖和監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)力曲線圖，可以看出不同加固措施的施作對(duì)下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力會(huì)造成不同程度的影響。長(zhǎng)樁加固工況與無(wú)加固措施彎矩軸力分布規(guī)律類(lèi)似，拱頂附近彎矩和軸力極值稍大。短樁加固工況對(duì)拱腰以上結(jié)構(gòu)影響較大，會(huì)出現(xiàn)正負(fù)彎矩交替變化的現(xiàn)象，這是由于短樁施作深度只達(dá)到襯砌結(jié)構(gòu)的上拱腰位置，對(duì)這部分結(jié)構(gòu)會(huì)有較強(qiáng)的約束作用，并使隧道周?chē)男〔糠滞馏w受擠壓作用而應(yīng)力重分布，使隧道的襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布情況發(fā)生較大的改變。

4.2 水壓引起下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力

對(duì)上覆隧道進(jìn)行模擬灌水，水量為滿灌，為簡(jiǎn)化模型運(yùn)算量，將水壓等效為均布荷載施加在上覆隧道的底板上，再次計(jì)算下伏隧道的內(nèi)力，并選取最不利截面切片，根據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)畫(huà)彎矩圖、軸力圖、內(nèi)力曲線圖及水壓引起的內(nèi)力變化曲線圖（圖6～圖8）。

在加入水壓后，長(zhǎng)樁加固工況與無(wú)加固措施彎矩軸力分布規(guī)律類(lèi)似，彎矩分布無(wú)明顯變化，極值略大于無(wú)加固措施，但減小了負(fù)軸力分布區(qū)。短樁加固工況依然對(duì)拱腰以上結(jié)構(gòu)影響明顯，在短樁底部高度處，正彎矩達(dá)到極值6.0 kN·m，之后開(kāi)始減小，這在一定程度上體現(xiàn)出了圣維南原理，負(fù)軸力增加明顯。

5 結(jié)論

本文采用FLAC3D三維有限元方法分析研究了上跨輸水涵洞的水壓對(duì)鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，主要結(jié)論如下：

（1）加固措施的施作對(duì)下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱腰以上結(jié)構(gòu)內(nèi)力會(huì)造成影響較大，其中短樁工況下會(huì)使彎矩出現(xiàn)正負(fù)交替變化。

（2）施加水壓后，長(zhǎng)樁、短樁加固內(nèi)力分布規(guī)律大體相同，短樁受力條件略好于長(zhǎng)樁。

（3）為了降低上覆水壓對(duì)隧道的影響，建議采用工況III的加固方案。采用工況III的短樁加固方案比工況II的工藝簡(jiǎn)單，樁底開(kāi)挖深度小，而取得的效果與工況II較為一致，為推薦方案。

參考文獻(xiàn)

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