公路邊坡開挖對既有鐵路隧道的影響分析

林海洋 袁鄭棋

摘 要：以工程實際為例，應用MIDAS-GTS軟件進行三維有限元數值模擬，分析了新建公路邊坡開挖對既有鐵路隧道位移、襯砌結構內力的影響，得出路基邊坡開挖對一定距離范圍外既有隧道的影響結論，為類似工程提供參考。

關鍵詞：邊坡開挖;既有隧道;數值模擬;變形;內力

0 引言

隨著我國交通事業的不斷發展，公路、鐵路的建設不斷增多，由于地形地質的影響，較好的路線走廊帶也越來越少，多條路線共用同一條走廊帶的情況不斷出現。在實際工程實施過程中，經常會遇到新建公路臨近原有鐵路隧道的情況，這些新舊工程之間的距離較小，新公路的修建必定會對既有隧道產生不利影響，所以在新建項目方案設計階段，就要結合路線方案充分考慮施工期及運營期對既有隧道的影響，確保新建公路和既有隧道的結構安全，因此分析既有鐵路隧道在臨近新建公路邊坡開挖后結構的內力和位移是必要的，本文依托溫州水門路項目，從靜力學角度研究了公路邊坡開挖對既有鐵路隧道的影響。

1 工程實例

溫州水門路項目采用《公路工程技術標準》中四車道一級公路標準，設計速度為80 km/h，路基標準橫斷面寬度24.5 m，分離式路基單幅寬度12.25 m。

既有樂清灣鐵路新村隧道采用曲墻復合式襯砌，Ⅱ級圍巖及Ⅲ級圍巖一般段隧道采用曲墻加底板的襯砌結構形式，Ⅲ級圍巖地下水發育段采用曲墻帶仰拱的襯砌結構形式，Ⅳ～Ⅴ級圍巖采用曲墻帶仰拱的襯砌結構形式。洞口段、淺埋偏壓、斷層破碎帶、巖性接觸帶、節理密集帶等地段進行結構加強。

新建水門路右線路塹邊坡與新村隧道水平距離最近，相距48 m。

2 有限元分析

2.1 模型建立

新建公路邊坡與既有隧道位置關系呈現一定的空間關系，現利用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元數值模型。既有鐵路隧道外徑約為7.76 m，考慮到隧道的影響范圍一般為3～5倍洞徑，在既有鐵路隧道中心線左側取30 m，新建公路中線右側取35 m，橫向共選取120 m;縱向從新建公路右線里程YK0+650到YK0+710，共60 m;下限取既有隧道仰拱以下30 m，上限為山體表面。既有隧道襯砌及其與新建公路邊坡相對位置關系如圖1所示。

2.2 基本參數的選取

綜合巖土工程勘察以及相關的規范、設計手冊，確定在有限元分析中所采用的物理力學參數如表1-1所示。

2.3 既有隧道變形及內力限值

目前，關于襯砌變形的控制標準尚未有明確的規定，參考北京、浙江等地軌道交通工程建設監控量測的實踐，并結合大量的接近工程經驗，在不同重要性等級下，既有線隧道結構控制指標參考值如表1-2所示。

樂清灣鐵路支線主要承擔樂清灣港區貨物運輸服務，是樂清灣港區聯系并輻射內地的后方通道，也是現有金溫鐵路的出海通道，一旦發生事故將會造成嚴重的影響。考慮到該隧道目前尚未運營通車，在設計中按照重要性等級為Ⅱ級來進行襯砌變形控制。

3 數值計算結果分析

3.1 新建公路邊坡開挖對既有隧道的變形影響分析

在新建公路邊坡開挖作用下，巖體及既有隧道襯砌三個方面的變形云圖如圖2-1所示。圖中的正位移表示變形方向與坐標軸一致，負位移表示與坐標軸相反。

由圖2-1可以看到，在公路邊坡開挖施工過程中，既有隧道的主要產生沿著開挖面方向（T1方向）的水平變形以及豎向的變形（T3方向）為主，而沿著隧道縱向的變形基本比上述兩方向小1～2個數量級，基本可以忽略不計。

在邊坡開挖作用下，既有鐵路隧道全斷面均產生沿著開挖面方向的變形，迎開挖面一側變形比背開挖側大，最大值約為2.3 mm，不超過4 mm的水平變形控制標準。

由于邊坡坡腳高程低于既有隧道底約8 m，因此邊坡的開挖也導致了既有隧道發生了一定程度的沉降。不過由于距離較遠，約48 m，既有隧道基本位于沉降槽外，最大沉降值約為0.36 mm，遠低于10 mm的沉降控制標準。

3.2 新建公路邊坡開挖對既有隧道的內力影響分析

在新建公路邊坡開挖作用下，既有隧道襯砌的軸力及彎矩分布如圖2-2和圖2-3所示。

根據《鐵路隧道設計規范》（TB10003-2016），當時，混凝土矩形截面中心及偏心受壓構件的抗壓強度的計算公式為：

當時，從抗裂要求出發，混凝土矩形截面偏心受壓構件的抗拉強度的計算公式為：

式中，—混凝土極限抗壓強度;—混凝土極限抗拉強度;—安全系數;——軸向力（MN）;—截面的寬度（m）;—截面的厚度（m）;—構件的縱向彎曲系數，對于隧道襯砌可取;—軸向力的偏心影響系數，—截面偏心距（m）。

以下選取兩個典型斷面（公路右線YK0+686，以下稱斷面一以及YK0+696斷面，以下稱斷面二），對既有隧道襯砌拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腳以及仰拱處的襯砌結構各特征點處受力，并計算安全系數檢算，分別如表2-1和表2-2所示。

以上檢算結果顯示，既有隧道兩個斷面各特征點處的抗壓強度和抗壓強度安全系數均能滿足規范要求，這說明新建公路邊坡的開挖沒有改變既有隧道襯砌結構的承載能力，不會危及既有隧道的結構安全。

4 結論

在公路邊坡開挖施工過程中，既有隧道的主要產生沿著開挖面方向（T1方向）的水平變形以及豎向的變形（T3方向）為主，而沿著隧道縱向的變形基本比上述兩方向小1～2個數量級，基本可以忽略不計。

在邊坡開挖作用下，既有鐵路隧道全斷面均產生沿著開挖面方向的變形，迎開挖面一側變形比背開挖側大，在相距約48 m情況下，既有隧道變形最大值約為2.3 mm，不超過4 mm的水平變形控制標準。

開挖邊皮高程低于既有隧道高程時，邊坡的開挖也導致了既有隧道發生了一定程度的沉降。在高差約8 m、水平距離48 m情況下，既有隧道基本位于沉降槽外，最大沉降值約為0.36 mm，遠低于10 mm的沉降控制標準。

在相距約48 m情況下，既有隧道各特征點處的抗壓強度和抗壓強度安全系數均能滿足規范要求，這說明新建公路邊坡的開挖沒有改變既有隧道襯砌結構的承載能力，不會危及既有隧道的結構安全。

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