暗挖隧道施工對既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)的擾動影響分析

富濤 唐禮 張志強

基于Midas GTS數(shù)值模擬軟件建立了蔡家關(guān)暗挖隧道下穿川黔鐵路數(shù)值仿真模型，研究了隧道采用CRD暗挖施工期間對既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)的擾動影響。研究結(jié)果表明：相較于左線隧道施工，右線隧道施工對其上方線路結(jié)構(gòu)的擾動影響更大；雙線暗挖隧道施工結(jié)束后，受影響最大的4處交叉點位移均小于控制值，證明采用蔡家關(guān)暗挖隧道下穿川黔鐵路是安全可行的。

暗挖隧道； 下穿； 既有鐵路； 沉降

U452.2+6 A

［定稿日期］2021-11-16

［基金項目］國家高鐵聯(lián)合基金項目（項目編號：U1934213）；國家自然科學基金（項目編號：51878572）

［作者簡介］富濤（1984—），男，碩士，高級工程師，主要從事隧道設(shè)計及施工研究工作。

受有限地下修建空間的影響，在地下工程建設(shè)過程中將不可避免地出現(xiàn)暗挖隧道下穿既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)的情況［1］，而隧道下穿過程中將會引起地層的損失和路基沉降，降低軌道結(jié)構(gòu)的平順性，對軌道上方列車的運營安全造成不良的影響，甚至產(chǎn)生無法接受的后果［2］。因此，在施工前明確隧道暗挖作業(yè)對既有軌道結(jié)構(gòu)的擾動影響，判斷是否更改隧道施工方案，對于確保隧道建成后上方鐵路正常運營具有十分重要的意義。

目前，對于暗挖隧道下穿既有鐵路線路結(jié)構(gòu)的影響研究方法主要有模型試驗、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬［3-5］，而數(shù)值模擬憑借其耗資少、時間短、仿真能力強等優(yōu)點，被廣泛用于相關(guān)研究中。朱正國等［7］采用數(shù)值模擬軟件分析了單雙線鐵路隧道下穿公路期間，公路路面的沉降規(guī)律。謝雄耀等［8］采用三維有限元軟件分析了暗挖隧道施工對地表上方既有建筑結(jié)構(gòu)所造成的擾動影響，并提出了適當增加注漿壓力能夠減少地表沉降值。張旭等［9］采用數(shù)值模擬的方式分析了隧道密貼下穿施工引起既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律，據(jù)此提出了下穿施工期間既有地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降控制方案，并通過現(xiàn)場實驗證實了其方案的準確性。因此，文章依據(jù)貴陽蔡家關(guān)1號隧道擬下穿運營川黔鐵路的實際情況，建立相應(yīng)的數(shù)值仿真模型，確定暗挖隧道下穿期間對既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)的擾動影響，為該隧道下穿作業(yè)是否安全提供相應(yīng)的參考。

1 工程概況

貴陽市太金線蔡家關(guān)1號隧道在修建過程中擬通過隧道形式下穿川黔鐵路。擬建蔡家關(guān)隧道與川黔鐵路軌道路基相對位置關(guān)系如圖1所示。

擬建蔡家關(guān)隧道為三心圓斷面，拱部半徑為9.0 m，邊墻半徑為5.8 m，仰拱半徑為18 m，角隅半徑1.0 m，采用CRD法進行修建。

隧道所采用CRD法施工次序：①開挖先行導(dǎo)洞上斷面；②施工先行導(dǎo)洞上斷面初期支護；③開挖先行導(dǎo)洞下斷面；④施工先行導(dǎo)洞下斷面初期支護；⑤開挖后行導(dǎo)洞上斷面；⑥施工后行導(dǎo)洞上斷面初期支護；⑦開挖后行導(dǎo)洞下斷面；⑧施工后行導(dǎo)洞下斷面初期支護；⑨拆除臨時支護，仰拱澆筑；⑩鋪設(shè)防水層后二次襯砌整體模筑。CRD施工工序如圖2所示。

隧道圍巖自上而下分別為素填土、泥巖、石灰?guī)r，屬于Ⅴ級圍巖。隧道采取的主要支護措施：隧道拱頂120°范圍內(nèi)采用超前管棚結(jié)合超前小導(dǎo)管的方式進行加固，并通過結(jié)構(gòu)中預(yù)留的注漿孔壓注水泥漿進行加固；系統(tǒng)錨桿采用D25中空注漿錨桿，錨桿長度為4.0 m，錨桿間距為1 m（環(huán)）×0.5 m（縱）；初支采用28 cm厚C25噴射混凝土；二次襯砌采用65 cm厚C35防水鋼筋混凝土襯砌；臨時中隔壁采用20 cm厚C25噴射混凝土進行支護。

2 模型建立

根據(jù)蔡家關(guān)1號隧道的實際情況，通過Midas GTS數(shù)值模擬軟件建立了三維計算模型，模型尺寸長103 m×130 m×92.2 m，沿隧道縱向取130 m，沿既有鐵路縱向取103 m，模型底部取擬建隧道仰拱下方50 m，頂面取擬建場區(qū)實際地面，如圖3所示。模型中圍巖、隧道襯砌等結(jié)構(gòu)均采用彈塑性實體單元模擬，服從摩爾庫倫準則。模型前后左右面均為水平約束，底面豎向約束，頂部為自由面。為便于計算，在數(shù)值模擬中將管棚和小導(dǎo)管、錨桿等支護結(jié)構(gòu)體系按照經(jīng)驗等效簡化為隧道拱部的注漿區(qū)，計算中采用的圍巖物理力學參數(shù)及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1、表2所示。

根據(jù)擬實施的施工方案，數(shù)值模擬先開挖左線隧道，右線隧道滯后左線30 m后進行開挖，開挖過程中CRD分部施工間隔長度為10 m。每開挖一分部，讓模型運行一定時間，然后再進行下一分部的開挖施工模擬。同時，結(jié)合目前川黔鐵路最大運營速度（120 km/h）及《鐵路線路修理規(guī)則》中的相關(guān)要求，選取隧道施工后10 m弦的高低偏差管理值2 mm作為評價高鐵路基是否受到嚴重影響的控制標準。

3 計算結(jié)果分析

擬建蔡家關(guān)隧道采用CRD施工工法下穿川黔鐵路軌道路基期間，當隧道施工至軌道的正下方時，即圖1所示的4處交叉點處，對路基結(jié)構(gòu)的擾動影響較大，因此選擇隧道下穿施工初期、施工至4處交叉點、下穿施工末期這6種典型下穿情況進行分析，如圖4所示。

由于隧道施工對既有鐵路的豎向位移影響主要為開挖面豎向沉降，故提取上述6種不同施工階段情況下鐵路路基結(jié)構(gòu)的豎向沉降位移情況，如圖5所示。同時提取最終施工結(jié)束后川黔上下行線路高鐵路基結(jié)構(gòu)的豎向沉降剖面數(shù)據(jù)，如圖6、圖7所示。

4 結(jié)論

采用Midas GTS數(shù)值模擬軟件建立了暗挖隧道下穿鐵路擾動影響分析數(shù)值模型，明確了暗挖隧道施工對既有結(jié)構(gòu)的擾動影響，得到的主要結(jié)論：

（1）暗挖隧道施工后下行線路結(jié)構(gòu)比上行的位移沉降更大，因此在施工時應(yīng)尤其注意控制右線隧道施工時引起的上行線路結(jié)構(gòu)沉降。

（2）受隧道施工影響最大的4處交叉點的最大沉降分別

為-1.5 mm、-2.2 mm、-2.1 mm、-3.5 mm，上行線10 m弦最大沉降值為0.98 mm，下行線10 m弦最大值為1.20 mm，均滿足道床10 m弦偏差允許值2 mm的控制要求，說明采用CRD法進行暗挖隧道下穿鐵路施工是安全可行的。

參考文獻

［1］ 鄭余朝，蔡佳良，袁竹，等.地鐵隧道下穿既有鐵路近接影響分區(qū)和施工控制研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53（6）：202-209.

［2］ 仇文革. 地下工程近接施工力學原理與對策的研究［D］.西南交通大學，2003.

［3］ 李昌寧，雷向峰.隧道銑挖法施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2012，32（S1）：32-35.

［4］ 李波，吳立，鄧宗偉，等.高速鐵路隧道圍巖抗力系數(shù)現(xiàn)場試驗與理論研究［J］.巖土力學，2015，36（2）：532-540.

［5］ 錢王蘋，漆泰岳，樂弋舟，等.盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路的安全因素分析及應(yīng)用［J］.鐵道科學與工程學報，2017，14（11）：2282-2289.

［6］ 吳鎮(zhèn)，張秀山，王磊.小半徑曲線疊落盾構(gòu)隧道下穿京滬高鐵隔離樁設(shè)置參數(shù)研究［J］.鐵道標準設(shè)計，2020，64（9）：88-94.

［7］ 朱正國，黃松，朱永全.鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降規(guī)律和控制基準研究［J］.巖土力學，2012，33（2）：558-563+576.

［8］ 謝雄耀，張永來，周彪，等.盾構(gòu)隧道下穿老舊建筑物群微沉降控制技術(shù)研究［J］.巖土工程學報，2019，41（10）：1781-1789.

［9］ 張旭，張成平，韓凱航，等.隧道下穿既有地鐵車站施工結(jié)構(gòu)沉降控制案例研究［J］.巖土工程學報，2017，39（4）：759-766.