高速公路隧道施工對既有鐵路隧道的影響分析

周 斌 林承華 龔 倫

(1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北武漢 430000;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430000; 3.西南交通大學，四川成都 610000)

1 工程概況

重慶繞城高速公路施家梁隧道為左右并行的隧道，襯砌類型為復合式襯砌，初期支護為鋼筋網、錨桿、噴射混凝土，二次襯砌為模筑混凝土，錨桿采用全粘結藥卷錨桿。工程所處地形地貌屬中低山地貌，三疊系地層，覆蓋層坡殘積0 m～3 m，坡洪積2 m～6 m，基巖為砂巖、頁巖、煤層夾灰巖，局部灰巖、白云巖分布。施家梁隧道左線在LK44+652.6 ～LK44+672.8，右線在K44+679.35 ～K44+700處上穿遂渝鐵路新龍鳳隧道。該鐵路隧道為高速鐵路隧道，鐵路隧道正洞及導洞已完成施工，預計遠期在增建二線時導洞將進行擴挖施工。公路隧道與鐵路隧道交叉處，鐵路隧道正洞與導洞的凈距為12.50 m，中心距為19.34 m;兩公路隧道的凈距為46.74 m，中心距為63.25 m;鐵路隧道正洞與公路隧道凈高差為18.48 m;隧道平面投影的交角為72°。

2 數值模擬概況

2.1 計算模型

為充分模擬隧道的三維空間效應，計算模型所取范圍是:沿鐵路新龍鳳隧道縱向取210 m(約為公路隧道13倍開挖洞徑)，沿公路施家梁隧道縱向取105 m(約為鐵路隧道11倍開挖洞徑)，公路隧道拱頂上方巖層厚度取100 m，隧道底板下巖層厚度取35 m(約為鐵路隧道3.5倍開挖洞徑)，模擬計算采用ANSYS有限元通用程序。約束情況:前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面。在整個模擬過程中，有限元模型共劃分77 080個單元，計算中二次襯砌采用彈性殼單元模擬，地層及初期支護采用彈塑性實體單元模擬。有限元模型如圖1～圖3所示。開挖順序見圖4，圖5。

2.2 計算參數的選取

計算時圍巖和建筑材料的物理力學指標結合《西部開發省際公路通道重慶繞城公路北段施家梁隧道與遂渝鐵路新龍鳳隧道交叉設計相關資料》及JTG D70-2004公路隧道設計規范加以選取，具體如表1所示。

圖1 模型整體網格

圖2 未擴挖鐵路二線時相對位置圖

圖3 擴挖鐵路二線時相對位置圖

圖4 公路隧道開挖順序示意圖（單位：m）

圖5 鐵路隧道擴挖順序示意圖（單位：m）

表1 圍巖及建筑材料的物理力學參數

2.3 計算荷載及開挖支護效果實現

荷載主要考慮地層自重應力場以及混凝土襯砌的重力，公路隧道埋深約300 m，建模時為簡化模型的網格劃分，拱頂上方實際取100 m埋深，其余200 m巖層的荷載按“等效荷載法”加到巖層頂面上。開挖效果的模擬采用空單元法來實現，具體是通過ANSYS軟件提供的單元“死”功能來實現，在三維有限元計算中，巖土體的本構方程采用Drucker-Prager彈塑性的非線性本構模型。

2.4 施工步驟

為充分模擬隧道的實際開挖效果、確定隧道之間相互影響的范圍以及影響程度，采用了18個荷載步驟進行施工全過程模擬，公路隧道6步開挖完成，而且模擬時假定左右洞同時開挖，鐵路隧道擴挖10步完成。具體為:形成初始地應力場→既有鐵路隧道及鐵路平行導坑的形成→開挖公路隧道左、右洞第一段并進行支護→開挖公路隧道左、右洞第二段并進行支護→……→開挖公路隧道左、右洞第六段并進行支護→擴挖鐵路隧道第一段并進行支護→擴挖鐵路隧道第二段并進行支護→……→擴挖鐵路隧道第十段并進行支護，其施工順序示意圖如圖4所示。

3 數值模擬結果與分析

3.1 影響范圍的確定

為確定受公路施家梁隧道施工影響的既有鐵路新龍鳳隧道的范圍，作出了公路隧道施工完成后鐵路隧道拱頂位移沿隧道縱向的變化曲線，如圖6所示。圖6中顯示，在公路隧道施工通過后，公路隧道下方的鐵路隧道拱頂產生明顯的上拱現象，受公路隧道施工影響的既有鐵路新龍鳳隧道范圍約為140 m(DK128+156～DK128+296)，在公路隧道施工時，要對鐵路隧道受影響范圍進行隧道結構受力及變形監測，如圖7所示。

圖6 隧道拱頂位移沿隧道縱向的變化曲線

圖7 既有鐵路新龍鳳隧道范圍

3.2 影響范圍內結構內力分析及安全度評價

為對受公路隧道施工影響的既有鐵路新龍鳳隧道范圍內襯砌結構的內力進行安全度評價，現選取3個典型截面進行內力分析，其示意圖如圖8所示。

圖8 內襯砌典型截面選取

表2 斷面1橫縱向內力檢算結果

為全面評價襯砌的安全度，對每個典型截面的拱頂、拱腰、邊墻以及仰拱的橫向內力、縱向內力進行了檢算，檢算結果如表2～表4所示。

表3 斷面2橫縱向內力檢算結果

表4 斷面3橫縱向內力檢算結果

從結構檢算來看，鐵路隧道雖然受到公路隧道施工的影響，但結構安全系數滿足規范要求。

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