新建上跨公路隧道對既有下方鐵路隧道結構安全影響分析

王開陽

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司,重慶 401135)

隨著國家對基建行業的大力支持,我國鐵路、公路工程迎來了快速發展階段,鐵路隧道與公路隧道交叉、鐵路橋梁鄰近既有鐵路隧道、公路路基鄰近公路隧道等近接工程逐漸增多。在這些近接工程中,隧道上跨隧道的案例較多,施工風險也更大,如上跨隧道修建后下方隧道由深埋變為淺埋,或由淺埋變為超淺埋等,隧道埋深狀態的改變意味著隧道結構受力模式的改變,嚴重影響結構安全。上跨隧道的開挖卸荷還極易造成下方隧道隆起變形,嚴重影響隧道運營安全。

國內外學者結合數值分析、室內試驗、現場監測等多種研究手段深入研究了新建隧道上跨施工對下方既有隧道結構變形、受力的影響[1-6],并取得了顯著成果。新建隧道上跨施工后,下方隧道是否能滿足安全運營要求,需通過結構安全性評估確定。本文依托重慶至黔江鐵路徐家堡隧道工程,借助有限元軟件MIDAS模擬新建公路隧道上跨既有鐵路隧道開挖支護全過程,通過計算分析公路隧道上跨后下方鐵路隧道圍巖變形規律、支護結構受力及安全系數,同時結合現場監測,以此驗證既有隧道的結構安全性,為類似工程提供參考。

1 工程概況

重慶至黔江鐵路(渝黔線)徐家堡隧道位于重慶市南川區水江鎮境內,隧道起止里程為DK101+920-DK108+250,全長6 330 m,為單洞雙線隧道,隧道寬14.3 m,高12.2 m,隧道橫斷面如圖1所示。

圖1 交叉段鐵路隧道橫斷面(單位:cm)

隧道于DK104+510-DK104+400下穿在建渝湘高速復線水江隧道,平面夾角約66°,兩隧間凈距約15 m,交叉段隧道圍巖以灰巖、白云巖為主,圍巖等級主要為IV級,公路隧道埋深約35 m,兩隧道具體空間關系如圖2所示。為了確保近接工程的施工安全性,根據施工組織設計,鐵路隧道先于公路隧道施工。

圖2 上跨公路與下穿鐵路空間位置關系(單位:m)

2 三維數值模型

2.1 模型建立

本文借助大型有限元軟件Midas GTS NX建立三維數值計算模型,通過模擬新建公路隧道上跨既有鐵路隧道施工全過程,分析新建公路隧道對既有隧道結構的影響。根據圣維南原理,隧道輪廓至模型邊界距離應為3～5倍洞徑[7-8],由此,建立數值計算模型范圍為100 m×150 m×120 m,模型共生成單元總數為199 429個,節點總數為208 596個,具體如圖3所示。數值計算中,圍巖、支護結構等均采用混合六面體單元模擬,同時圍巖采用摩爾-庫倫本構,隧道襯砌及初支等結構采用彈性本構。

圖3 三維數值計算模型

2.2 計算步設計

根據施工組織設計,鐵路隧道先建設完成后再進行上跨公路隧道修建。下方鐵路隧道采用全斷面法鉆爆施工,循環進尺1～2 m;為了減小爆破對既有隧道的影響,上跨公路隧道采用懸臂掘進機非爆開挖,進尺控制在2 m以內。本模型計算按照初始地應力平衡(步序1)→渝黔線鐵路隧道修建(步序2)→渝黔線鐵路隧道二襯施作(步序3)→水江隧道修建(步序4)→水江隧道二襯施作(步序5)→提取計算結果(步序6)的步驟進行。

2.3 模型參數

下方鐵路隧道初支采用25 cm厚C25噴射混凝土,鋼拱架采用I18型鋼@0.8 m;上方公路隧道采用20 cm厚C25噴射混凝土,鋼拱架采用I18型鋼@0.8 m。模型計算時,將鋼拱架力學參數通過式(1)[9]等效換算到初噴混凝土中,采用MIDAS中內置的板單元進行初支的模擬,對于隧道襯砌及路基結構采用實體單元。

E=E0+SdEd/S0

(1)

式中:E為初支彈模;E0為混凝土彈模;Ed為鋼拱架彈模;Sd為鋼拱架截面積;S0為混凝土截面積。

根據地勘資料,交叉段圍巖主要為灰巖和白云巖,圍巖等級主要為IV級,圍巖參數結合《鐵路隧道設計規范》(TB10003-2016)綜合取值,具體如表1所示。

表1 隧道圍巖力學特性及支護參數

3 地層結構模型分析

3.1 襯砌結構受力分析

MIDAS中結構受力以受拉為正,受壓為負,故而結構最大主應力為拉應力,最小主應力為壓應力。為進一步分析上跨隧道開挖對下方隧道圍巖變形的影響,取計算步序3、步序5對應襯砌結構受力分析,并選取公路隧道正上跨鐵路隧道斷面,兩階段襯砌受力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 計算步序3襯砌主應力云圖(單位:kPa)

圖5 計算步序5襯砌主應力云圖(單位:kPa)

如圖4、圖5所示,公路隧道建設前,襯砌結構受壓規律表現為拱腳>邊墻>拱腰>拱頂>仰拱,拱腳處最大壓應力為3.085 MPa;襯砌結構受拉規律表現為仰拱>拱頂>拱腳,仰拱處最大拉應力為0.647 MPa。公路隧道建設后,襯砌結構受壓規律仍表現為拱腳>邊墻>拱腰>拱頂>仰拱,拱腳處最大壓應力為6.179 MPa;襯砌結構受拉規律仍表現為仰拱>拱頂>拱腳,仰拱處最大拉應力為1.005 MPa。

公路隧道建設前后,下方鐵路隧道結構受力規律雖未發生改變,但公路隧道的修建導致下方鐵路隧道上方土體大量卸荷,破壞了原有的承載拱效應,圍巖應力重分布,受荷模式的改變導致既有隧道結構應力增加。鋼筋混凝土結構為受壓構件,相較于受壓,襯砌受拉越大越危險,公路隧道建設后,既有隧道襯砌結構最大受拉增加0.358 MPa,位于隧道仰拱處,公路隧道的修建對既有隧道仰拱截面最為不利,但結構所受最大拉壓應力均小于結構承載能力限值,結構安全。

3.2 隧道圍巖變形分析

MIDAS中圍巖及結構變形以同坐標軸相同方向為正,故而沉降變形為負,隆起變形為正。為進一步分析公路隧道施工對隧道圍巖變形的影響,取計算步序3、步序5對應圍巖變形進行分析,同時為了更加直觀反映出公路隧道建設前后圍巖的變形特征,通過切片方式取公路隧道上跨鐵路隧道斷面處進行分析,兩階段圍巖豎向變形云圖如圖6所示。

圖6 圍巖變形云圖(單位:mm)

從圖6可知,公路隧道建設前,鐵路隧道圍巖豎向變形規律表現為拱腳、仰拱發生隆起變形,拱頂、拱腰、邊墻發生沉降變形,隆起變形量表現為仰拱>拱腳,沉降變形量表現為拱頂>拱腰>邊墻,相較之下,圍巖變形由仰拱隆起變形控制,最大變形量位于仰拱處,值為2.440 mm;公路隧道建設后,鐵路隧道圍巖豎向變形規律表現為邊墻、拱腳、仰拱發生隆起變形,拱頂、拱腰發生沉降變形,隆起變形量表現為仰拱>拱腳>邊墻,沉降變形量表現為拱頂>拱腰,相較之下,圍巖變形仍由仰拱隆起變形控制,最大變形量位于仰拱處,值為3.613 mm。

上方土體大量開挖卸荷,導致下方既有鐵路隧道發生整體隆起變形,隆起變形最大增量位于隧道仰拱處,新建隧道建設前后既有隧道仰拱變形差值為1.173 mm。

3.3 現場監測數據對比分析

由地層結構數值模型計算結果可知,公路隧道施工對下方鐵路隧道產生的主要影響表現為引起結構隆起變形,為驗證數值計算的合理性,采取現場實時監測的手段進行驗證,兩者交叉處既有隧道圍巖最終變形穩定值如圖7所示。

圖7 襯砌結構變形計算與測試結果(單位:mm)

從圖7中可以看出,監測值與模擬值的變化規律相同,實際拱頂累計變形為-2.367 mm,計算值為-2.133 mm,相對誤差為9.8%,拱腰、邊墻處相對誤差更小,說明采用有限元模擬公路隧道上跨鐵路隧道施工,能較好的反映工程實際。

4 荷載結構模型分析

為分析上跨隧道修建后既有隧道結構拉壓應力變化規律,地層結構法中采用三維實體單元模擬二襯結構,可通過結構拉壓應力云圖直觀分析,但因此無法反映結構彎矩、軸力等內力云圖,故采用荷載結構模型進行補充分析。由于公路隧道大角度上跨既有隧道,故將兩者凈距視為交叉斷面處既有隧道埋深進行保守計算。

根據隧道開挖跨度和《鐵路隧道設計規范》可算出既有鐵路隧道深淺埋分界線為17.37 m。公路隧道修建前,交叉段處鐵路隧道埋深約60 m,隧道埋深狀態為深埋隧道;公路隧道修建后,鐵路隧道埋深約15 m,隧道埋深狀態為淺埋隧道。

考慮公路隧道修建前,鐵路隧道荷載主要為圍巖壓力;公路隧道修建后,鐵路隧道受荷主要為圍巖壓力、上跨隧道結構自重及隧道運營期的車輛荷載(考慮為20 kPa),荷載計算結果如表2所示。

表2 公路隧道修建前后下方鐵路隧道二襯荷載

根據《鐵路隧道設計規范》,IV級圍巖彈抗取為K=350 MPa/m。公路隧道修建前,鐵路隧道襯砌結構內力云圖如圖8所示。

圖8 公路隧道修建前隧道襯砌結構內力

由此可計算出公路隧道前,下方鐵路隧道襯砌結構安全系數,具體如表3所示。

表3 隧道修建前結構驗算

公路隧道修建后,鐵路隧道襯砌結構內力云圖如圖9所示。

圖9 公路隧道修建后隧道襯砌結構內力

由此,可計算出公路隧道修建后下方鐵路隧道襯砌結構安全系數,具體如表4所示。

表4 隧道修建后結構驗算

綜上,公路隧道修建前,下方鐵路隧道襯砌結構最不利截面位于拱頂處,最小安全系數為7.05;公路隧道修建后,下方鐵路隧道襯砌結構最不利截面仍位于拱頂處,最小安全系數為4.73,公路隧道的修建對下方鐵路隧道有一定影響,但仍在安全可控范圍內。

5 結論

(1)公路隧道修建前后下方既有鐵路隧道結構受力規律未發生改變,但新建隧道的施工破壞了既有隧道的承載拱效應,導致結構受力增加,仰拱處拉應力增加最大,值為1.005 MPa。

(2)上方土體的大量開挖卸荷導致下方既有隧道結構整體上浮,相較而言,下方既有隧道仰拱隆起變形最大,變形增量為1.173 mm。

(3)公路隧道修建前后,下方鐵路隧道襯砌結構最小安全系數分別為7.05、4.73,說明公路隧道的修建對下方鐵路隧道有一定影響,但仍在安全可控范圍內。