引水工程隧洞施工對既有鐵路隧道安全影響評估

張 建

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

新建隧道下穿既有隧道首先引起周圍地層移動，進(jìn)而引起臨近既有隧道的變位，當(dāng)變位不均勻時(shí)還會產(chǎn)生附加應(yīng)力，勢必對既有隧道的安全產(chǎn)生威脅。新建隧道下穿施工對既有隧道的這種影響不僅與新建隧道的掘進(jìn)有關(guān)，還與隧道的覆土條件密切相關(guān)［1-2］。

本文結(jié)合實(shí)際工程采用三維仿真數(shù)值分析［3-4］，研究了新建隧道下穿施工對既有隧道位移和應(yīng)力的影響，考慮引水隧洞施工過程，動態(tài)分析了鐵路隧道軌道板的水平位移、豎向位移特征以及隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)位移、軸力、彎矩和安全系數(shù)特征。

1 工程概況

1.1 引水隧洞基本情況

閩江竹岐—大樟溪引水工程取水點(diǎn)選在閩江右岸竹岐鄉(xiāng)上游約3.6 km，線路長37.546 km，其中隧洞4段35.874 km，管道3段1.672 km，設(shè)計(jì)流量24 m3/s。隧洞開挖洞徑5.5 m，為方便施工斷面采用平底圓型，底寬4.5 m。隧洞沿線根據(jù)不同地質(zhì)情況，分別采用鋼筋混凝土襯砌(與向莆鐵路交匯段一定范圍采用鋼筋混凝土襯砌，并做加強(qiáng)灌漿處理)、掛網(wǎng)噴錨支護(hù)和不襯砌3種結(jié)構(gòu)形式。鋼筋混凝土襯砌厚0.5 m，噴混凝土厚0.12～0.15 m，不襯砌段及噴錨段底部采用厚0.15 m的素混凝土找平。

1.2 向莆鐵路道德山隧道基本情況

隧道區(qū)屬戴云山脈南段，山脈主要走向?yàn)槟媳毕蚝捅蔽飨颍椒辶至ⅰＫ淼绤^(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季較短，暖熱濕潤。隧道區(qū)分布的地層較簡單，主要為侏羅系上統(tǒng)南園組第三段(J3nc)火山巖、火山碎屑巖。此外，零星分布有第四系沖洪積層、坡洪積層、殘坡積層。

向莆鐵路道德山隧道為單洞雙線隧道;隧道長6 043 m;隧道線間距4.6 m，隧道進(jìn)出口斜切洞門明挖段采用整體式襯砌，其余段均采用復(fù)合式襯砌。

1.3 引水隧洞與鐵路隧道的交叉位置關(guān)系

引水隧洞從鐵路隧道下部交叉穿越，交叉角約63°，交叉點(diǎn)向莆鐵路軌面高程約49.86 m，竹岐—大樟溪引水隧洞中心高程約16.39 m;兩隧洞之間垂直巖體厚度約30 m。該處輸水隧洞上覆山巖厚度約330 m。

2 三維仿真數(shù)值分析模型

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析，所取計(jì)算范圍為100 m×100 m ×360 m(X ×Y×Z)，X，Y，Z 分別為橫、順?biāo)淼婪较颍琙為豎向。在此區(qū)域模擬，通過激活和鈍化開挖區(qū)的圍巖單元、襯砌單元模擬隧道施工過程及其圍巖位移。整個(gè)三維有限元計(jì)算模型共25 184個(gè)單元，其中節(jié)點(diǎn)10 259個(gè)，結(jié)構(gòu)單元4 660個(gè)。三維計(jì)算模型見圖1，引水隧洞及鐵路隧道相互關(guān)系及計(jì)算模型見圖2。

圖1 三維計(jì)算模型

圖2 交叉隧道相互關(guān)系及計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

在計(jì)算中，圍巖采用摩爾—庫侖模型;鐵路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用板殼單元，其本構(gòu)模型為彈性。在模擬過程中，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

列車荷載:考慮隧道軌道板上同時(shí)并存兩列列車，每列列車荷載在軌底平面上的分布寬度為2.5 m，其荷載相當(dāng)于66 kPa。

2.3 模擬過程

隧洞采用了全斷面開挖方式模擬。具體的模擬過程如下:

1)邊界條件和初始條件。模型的四周、底部邊界為法向約束，地表自由，模型首先達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。

2)開挖。模擬過程中，隧洞沿著其軸線方向推進(jìn)，每步開挖后，立即對模型進(jìn)行求解，使其處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。

3)支護(hù)。開挖后，在隧洞周圍施作初期支護(hù)和二次襯砌。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

為分析引水隧洞在施工過程中對鐵路隧道圍巖位移、二次襯砌結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力的影響，分析時(shí)選取5個(gè)典型施工步，分別為第5，10，15，22和28施工步。其中第5施工步為隧洞已施工20 m，此時(shí)開挖面距鐵路隧道底部36 m;第10施工步為隧洞已施工40 m，此時(shí)開挖面距鐵路隧道底部16 m;第15施工步為隧洞已施工56 m，此時(shí)引水隧洞工作面正好位于鐵路隧道底部;第22施工步為隧洞已施工88 m，此時(shí)開挖面已過鐵路隧道底部32 m;第28施工步為隧洞已施工112 m，此時(shí)引水隧洞模型已貫通。通過分析這5個(gè)典型施工步結(jié)束后的結(jié)果，可以從整體上評估出隧洞在掘進(jìn)過程中其上部鐵路隧道的安全性。

3.1 隧道軌道板位移

圖3為隧洞施工過程中2個(gè)典型施工步后鐵路隧道軌道板水平位移云圖。

圖3 隧洞施工時(shí)鐵路隧道軌道板水平位移(單位:mm)

由分析結(jié)果可以看出:從第1～第15施工步，隧洞施工逐漸向鐵路隧道正底面靠近，此時(shí)隨著隧洞的掘進(jìn)，鐵路隧道軌道板有正方向的水平位移且其值逐漸增大。從第16～第28施工步，隧洞開挖面已經(jīng)越過鐵路隧道底部并逐漸遠(yuǎn)離鐵路隧道。此時(shí)，以前正方向位移的鐵路隧道軌道板正方向位移逐漸減小，第28施工步完成后，其值為+0.04 mm，而另一側(cè)的鐵路隧道軌道板的負(fù)方向水平位移值逐漸增大，第28施工步完成后，其值為－0.05 mm。故施工完成后，隧洞先施工側(cè)為正的水平位移，后施工側(cè)為負(fù)的水平位移，其最大水平位移差為0.09 mm。

同理分析隧洞施工過程中鐵路隧道軌道板豎向位移云圖，在計(jì)算模型范圍內(nèi)鐵路隧道的軌道板會發(fā)生整體下沉，其最大值僅為0.54 mm。計(jì)算表明下穿引水隧洞的施工對鐵路隧道軌道板的位移影響非常小，不影響鐵路隧道的安全運(yùn)營。

3.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移

圖4為隧洞施工過程中2個(gè)典型施工步鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)水平位移云圖。

圖4 隧洞施工時(shí)鐵路隧道二襯水平位移(單位:mm)

由分析結(jié)果可以看出:從第1～第10施工步，隧洞施工逐漸向鐵路隧道正底面靠近，此時(shí)隨著隧洞的掘進(jìn)，鐵路隧道二次襯砌有向正方向的水平位移且其值逐漸增大，并且最大位移區(qū)域主要分布在靠近隧洞開挖側(cè)的隧道二次襯砌墻腳處。第10施工步結(jié)束后，其最大值為0.07 mm。從第10～第28施工步，隧洞開挖面越過鐵路隧道底部并逐漸遠(yuǎn)離鐵路隧道。此時(shí)，隧道二次襯砌兩側(cè)墻腳處有最大的水平位移且以前正方向位移的鐵路隧道二次襯砌正方向位移逐漸減小，第28施工步完成后，其值為+0.04 mm，而另一側(cè)的鐵路隧道二次襯砌墻腳處的負(fù)方向水平位移值逐漸增大，第28施工步完成后，其值為－0.04 mm。故施工完成后，隧洞先施工側(cè)隧道二次襯砌為正的水平位移，后施工側(cè)隧道二次襯砌為負(fù)的水平位移，其最大水平位移差為0.08 mm。

同理分析隧洞施工過程中5個(gè)典型施工步鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移云圖，在計(jì)算模型范圍內(nèi)鐵路隧道二次襯砌會發(fā)生整體下沉，其最大下沉位移區(qū)域主要分布于交叉處左右墻腳處，最大值僅為0.50 mm。計(jì)算結(jié)果表明下穿引水隧道的施工對鐵路隧道二次襯砌的位移影響非常小。

3.3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

圖5為隧洞施工過程中2個(gè)典型施工步鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)軸力云圖。圖6為隧洞施工過程中2個(gè)典型施工步鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)彎矩云圖。

圖5 隧洞施工時(shí)鐵路隧道二襯軸力(單位:kN)

圖6 隧洞施工時(shí)鐵路隧道二襯彎矩(單位:kN·m)

由分析結(jié)果可以看出:在下部隧洞未施工時(shí)，鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)拱頂?shù)妮S力最小，其值為+0.08 kN，兩側(cè)墻腳處的軸力最大，其值為－4.12 kN。下部隧洞施工過程中，軸力出現(xiàn)正值(出現(xiàn)受拉的情況);軸力值均有不同程度的增大。第10施工步時(shí)，隧道襯砌最大正軸力分布于襯砌右拱肩部位，其最大值為34.12 kN;第15施工步時(shí)，下部隧洞施工至隧道的正下部，此時(shí)最大正軸力分布于交叉處的隧道二次襯砌右邊墻處，其最大值為52.81 kN;第22施工步時(shí)，此時(shí)最大正軸力分布于交叉處的隧道二次襯砌左右墻腳處，其值為63.12 kN;第28施工步結(jié)束時(shí)，此時(shí)最大正軸力分布于交叉處的隧道二次襯砌左右墻腳處，其值為54.18 kN。

從圖6可以看出:下部隧洞施工過程中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩值較小，且變化也不明顯。其中最大正彎矩為0.71 kN·m，最大負(fù)彎矩為0.41 kN·m。根據(jù)以上各典型施工步的二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)［5］采用破損階段法進(jìn)行檢算。其安全系數(shù)超過規(guī)范規(guī)定的3.6的安全系數(shù)，鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

1)鐵路隧道的開挖直徑為13～15 m，引水隧洞的開挖直徑為5.5 m，引水隧洞與鐵路隧道的距離在34 m左右，引水隧洞與鐵路隧道的間距在2.0D～3.5D之間，屬于要注意的范圍，因此需要分析引水隧道施工對鐵路隧道的影響。

2)隧洞施工過程中，鐵路隧道軌道板會發(fā)生方向相反的水平方向的位移，其最大水平位移差僅為0.09 mm;隧道軌道板會發(fā)生整體下沉，其最大下沉區(qū)域位于與隧洞交叉處的鐵路隧道軌道板處，其值為0.54 mm。遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值，不影響鐵路隧道的安全運(yùn)營。

3)隧洞施工過程中，鐵路隧道二次襯砌會發(fā)生方向相反的水平方向的位移，最大水平位移差僅為0.08 mm;隧道二次襯砌會發(fā)生整體下沉，其最大下沉位移區(qū)域主要分布于交叉處左右墻腳處，最大值僅為0.50 mm。不影響鐵路隧道的安全運(yùn)營。

4)隧洞施工過程中，鐵路隧道二次襯砌軸力出現(xiàn)正值，混凝土結(jié)構(gòu)受拉，但其值較小，最大值僅為63.12 kN;襯砌結(jié)構(gòu)彎矩值較小，變化也不明顯。

5)按規(guī)范采用破損階段法對典型施工步襯砌結(jié)構(gòu)檢算，其安全系數(shù)在128～535之間遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定的3.6的安全系數(shù)，鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全。

［1］魏新江，魏綱，丁智.城市隧道工程施工技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［2］田憲國.盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對建筑物的影響及其控制技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2010(5):34-36.

［3］張頂鋒.越江隧道保護(hù)區(qū)內(nèi)新建平行隧道對既有隧道的影響機(jī)理及控制技術(shù)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.

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［5］中華人民共和國鐵道部.TB1003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.