軟巖鐵路隧道上跨既有公路隧道施工變形規(guī)律分析

張立東 ZHANG Li-dong

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安 710075；中交瑞通路橋養(yǎng)護科技有限公司，西安 710075）

0 引言

近些年，隨著我國經濟的蓬勃發(fā)展，交通事業(yè)與基礎道路也加快了建設步伐。新建隧道上跨（下穿）既有隧道施工的情況也日益增多，其所產生的圍巖擾動不可避免會起周邊圍巖應力重分布，進而造成既有隧道結構的變形，其影響程度隨上下交叉隧道夾土層厚度的減小而增大。因此，針對新建隧道穿越施工對既有隧道的影響是現(xiàn)階段交叉隧道施工段的重難點[1，2]。目前，新建隧道穿越既有路線時以下穿方式居多。對于下穿形式，既有隧道受新建隧道施工影響主要產生豎直方向的沉降位移，這一課題國內外眾多學者已進行了深入研究[3，4]；對于上穿形式，在上覆土體卸載后，既有隧道因其釋放的土體應力而產生隆起變形。梁榮柱等[5]基于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁，將既有隧道簡化從而計算出上跨施工影響的解析解。

綜上所述，關于新建軟巖鐵路隧道上跨施工對既有公路隧道影響相關研究目前較為缺乏。鑒于此，本文以某新建軟巖鐵路隧道上跨高速公路項目為工程背景，采用有限元軟件進行數(shù)值模擬，重點研究上跨鐵路隧道對既有公路隧道結構的變形與位移規(guī)律。

1 工程背景

1.1 新建隧道工程概況

隧道全長12329.5m，最大埋深約420m，軌面高程1005～1158m，為單洞單線隧道，穿越地層以風化砂巖夾泥巖夾礫巖為主。隧址區(qū)位于秦嶺中山峽谷區(qū)，地形起伏大，構造作用強烈，不良地質發(fā)育。隧址區(qū)主要不良地質問題為滑坡、巖堆、泥石流，對施工影響較大。

1.2 新建隧道與既有隧道位置關系

新建隧道在DK143+596處與既有隧道左線斜交，角度為61.3°；在DK143+662處與既有隧道右線斜交，角度為62.6°。既有隧道拱頂距新建鐵路隧道拱底凈高60.8m，公鐵交叉位置既有隧道為Ⅳ級圍巖，支護參數(shù)為SⅣa型復合式襯砌。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

三維數(shù)值模擬計算模型大小為：縱向沿上跨隧道軸線方向取180m，橫向邊界長度取100m；垂直方向隧道取地表最低高程為120m，鐵路隧道底部距模型下邊界83m。模型頂部表面設為近似地表的自由邊界，前、后、左、右和下部邊界均施加水平約束，底部為固定約束。新建隧道采用拱部中管棚配合φ42小導管注漿進行超前支護，留核心土上下臺階開挖的施工方法，根據需要在拱頂上方路面中線處布置測點，模型共118993個單元、72772個節(jié)點，計算簡圖如圖1所示。

圖1 三維計算模型圖

2.2 計算參數(shù)選取

三維有限元數(shù)值計算中的地層和相關結構的具體幾何參數(shù)為實際設計值，物理力學參數(shù)的選取參考地勘、設計文件和設計資料獲得。計算中，隧道圍巖采用Mohr-Coulomb模型模擬，隧道襯砌結構采用彈性本構模型，圍巖和襯砌結構均采用實體單元模擬。模型分析中襯砌結構及圍巖按連續(xù)、均勻介質考慮。具體計算參數(shù)如表1所示。

表1 地層及支護結構參數(shù)表

2.3 施工過程的模擬和實現(xiàn)

新建隧道在公鐵交叉位置采用留核心土上下臺階開挖工法，具體施工工序為：①開挖上部臺階并預留核心土；②施作上部的初期支護，即初噴4cm厚混凝土，架立鋼架；③鉆設徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度；④上臺階施工至適當距離后，先施作鎖腳錨管，再復噴至設計厚度，開挖下部臺階，接長鋼架，施作初期支護；⑤灌筑該段內仰拱及隧底填充；⑥利用襯砌模板臺車一次性灌筑二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1 地表變形分析

新建鐵路隧道設計高程約為1075m，對應地表最低高程約為1104.6m，最小埋深約為26.9m，屬于淺埋隧道，鐵路隧道施工不可避免對地面造成影響，為此以下對該位置施工期地表沉降進行分析。鑒于模型施工步驟較多，出于篇幅考慮，分別選取“第1環(huán)開挖完成”、“第18環(huán)開挖完成”、“第36環(huán)開挖完成”、“第54環(huán)開挖完成”、“第72環(huán)開挖完成”、“第90環(huán)開挖完成”共6個典型工況進行分析。經數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，地表沉降隨著鐵路隧道施工而逐漸發(fā)展，主要集中在隧道軸線兩側12m范圍內。整體而言，距隧道軸線越近沉降值越大。

為更準確和直觀分析地表沉降情況，在模型上方沿鐵路隧道軸線方向和垂直于隧道軸線方向分別設置1條監(jiān)測線，即測線1和測線2，測線1上共設32個測點，測點間距12m；測線2上共計26個測點，測點間距4m。

從圖2、圖3可以看出，沿鐵路隧道軸線方向，地表沉降值隨隧道開挖而逐漸增大；施工完成后，地表最大沉降值為3.16mm，距開挖起點距離48m。沿垂直鐵路隧道軸線方向，地表沉降曲線呈V形分布，最大沉降值為3.09mm，位于隧道軸線位置；地表沉降主要集中在隧道軸線兩側12m范圍內；地表沉降主要為開挖瞬間的地表瞬時沉降，前期擾動及后期固結沉降所占比例較小。

圖2 監(jiān)測線1沉降曲線

圖3 監(jiān)測線2沉降曲線

3.2 既有隧道位移分析

為分析新建鐵路隧道開挖對既有隧道結構變形影響，以下結合公鐵交叉區(qū)域隧道空間位置關系，根據鐵路隧道掌子面距既有公路隧道距離不同，確定了3種典型工況，具體如表2所示。

經分析，既有公路隧道的結構變形主要集中在鐵路隧道掌子面抵達公路隧道正上方至開挖結束這個階段；沿既有公路隧道軸線方向，隧道結構變形呈倒V形分布，即在公鐵交叉位置出現(xiàn)隆起，而在兩端存在輕微沉降，隆起和沉降最大差值約為0.06mm；既有公路隧道水平位移隨鐵路隧道掌子面前進而逐漸增大，最大水平位移約0.02mm，隧道左、右線變形曲線基本一致，均呈橫向“S”形，如圖4所示。

圖4 既有隧道豎向位移云圖（工況3）

3.3 既有隧道受力分析

新建鐵路隧道施工前后，既有公路隧道襯砌最大主應力與最小主應力如表3所示?？梢钥闯?，隨新建鐵路隧道的施工，既有公路隧道最大拉應力、最大壓應力均有所提高，均位于拱腳位置，且均滿足相關規(guī)范要求。

表3 既有公路隧道二次襯砌受力

3.4 新建隧道施工穩(wěn)定性分析

3.4.1 拱頂豎向位移

鐵路隧道開挖后，拱頂將會出現(xiàn)沉降，而拱底將會隆起。離拱頂越近，沉降值越大，拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?4.67mm；豎向離拱底越近，隆起值越大，拱底的最大隆起值為13.49mm。

鑒于新建隧道在公鐵交叉位置圍巖級別為Ⅴ級，圍巖類型為強風化泥巖夾礫巖夾砂巖，隧道埋深小于50m。根據計算結果，取隧道拱頂相對下沉控制閾值為0.08%。本次模擬中，新建隧道拱頂最大沉降值為14.67mm，計算得到拱頂相對下沉為14.67/10.40/1000×100%=0.141%＜0.16%，滿足相關規(guī)范要求。

3.4.2 拱腰水平位移

鐵路隧道開挖后，兩側圍巖位移為向外擠出變形。隧道的左邊圍巖的水平最大位移值為9.73mm，右邊圍巖的水平最大位移值為-12.2mm，將二者絕對值相加得出洞周水平擠出變形值為21.93mm。

鑒于新建鐵路隧道在公鐵隧道交叉位置圍巖級別為Ⅴ級，圍巖類型為強泥巖夾礫巖夾砂巖，隧道埋深小于50m。根據計算結果，取隧道拱腰水平相對凈空變化控制閾值為0.20%×（1.1～1.2）=0.22%~0.24%。本次模擬中，新建隧道洞周水平位移最大值為21.93mm，計算得到拱腰水平相對凈空變化為21.93/8.38/1000×100%=0.262%＜0.50%，滿足相關規(guī)范要求。

4 結論

本文以某新建軟巖鐵路隧道上跨既有公路隧道為工程背景，進行數(shù)值模擬，探究上跨鐵路隧道施工對既有公路隧道的結構變形與位移規(guī)律，得到以下結論：①上跨鐵路隧道施工引起的地表沉降主要為開挖瞬間的地表瞬時沉降，前期擾動及后期固結沉降所占比例較小。施工完成后，沿鐵路隧道軸線方向地表最大沉降值為3.16mm；沿垂直鐵路隧道軸線方向，地表沉降曲線呈V形分布，最大沉降值為3.09mm。②新建鐵路隧道施工對既有隧道影響較小，既有公路隧道的結構變形主要集中在鐵路隧道掌子面抵達公路隧道正上方至開挖結束這個階段。沿既有公路隧道軸線方向，隧道結構變形呈倒V形分布，隆起和沉降最大差值約為0.06mm；既有隧道最大水平位移約0.02mm，同時左、右線變形曲線基本一致，均呈橫向“S”形。既有公路隧道最大拉應力、最大壓應力均有所提高，均位于拱腳位置；既有公路隧道最大拉應力為69.43kPa；最大壓應力為579.80kPa。③鐵路隧道拱頂最大沉降值為14.67mm，水平位移最大值為21.93mm，均滿足規(guī)范要求。