公路隧道近距離上跨高鐵隧道安全影響分析

張 浩

ZHANG Hao

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308

China Railway Design Corporation, Tianjin 300308, China

0 引言

經(jīng)過幾十年幾代建設(shè)者的不懈努力，我國(guó)的隧道及地下工程修建水平已躋身國(guó)際先進(jìn)行列[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.5萬km，其中，投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共16 798座，總長(zhǎng)約19 630 km[2]。隨著我國(guó)隧道建設(shè)規(guī)模和速度的不斷增長(zhǎng)，近些年來無論是在山嶺隧道、城市隧道以及盾構(gòu)隧道領(lǐng)域，隧道相互交叉穿越的現(xiàn)象日益增多[3-5]。在新建隧道上跨、下穿或并行既有隧道施工時(shí)，會(huì)引起既有隧道周邊圍巖應(yīng)力重分布，繼而對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形產(chǎn)生影響，且影響程度隨著兩隧道間距離的減小而增大。在新建隧道施工過程中，如何確保既有隧道的結(jié)構(gòu)安全，滿足其正常運(yùn)營(yíng)要求是近鄰隧道施工中的重難點(diǎn)[6]。

本文基于某公路隧道近距離上跨某既有高鐵隧道工程，通過建立三維有限元模型，得到既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)的受力、變形隨新建公路隧道施工進(jìn)程的發(fā)展規(guī)律，并分析既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全性。以期為類似新建隧道上跨施工方案的制定提供一定的理論支撐。

1 工程概況

1.1 既有高鐵隧道工程概況

既有鐵路等級(jí)為雙線高速鐵路，運(yùn)行速度350 km/h，交叉隧道全長(zhǎng)4.7 km，最大埋深約182 m，處于Ⅲ級(jí)圍巖段落，隧道采用復(fù)合式襯砌，襯砌斷面參數(shù)及斷面圖見表1和圖1。

表1 既有高鐵隧道襯砌斷面參數(shù)表Table 1 Parameters of lining section of existing high speed railway tunnel

圖1 既有高鐵隧道襯砌斷面圖Fig.1 Cross section of existing high speed railway tunnel lining

1.2 新建公路隧道工程概況

新建公路是一條重要的國(guó)道干線公路，采用設(shè)計(jì)速度為80 km/h的雙向四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度為25.5 m。公路隧道建筑限界為10.25 m，凈高5 m，隧道內(nèi)輪廓如圖2所示。

圖2 新建公路隧道內(nèi)輪廓圖Fig.2 Outline of new highway tunnel

1.3 新建公路隧道與既有鐵路隧道相對(duì)位置關(guān)系

1.3.1 平面位置關(guān)系

新建公路隧道位于既有高鐵隧道上方，交叉角度約21°，公路路面與鐵路軌面設(shè)計(jì)高差37.198 m，隧道外輪廓最小凈距約25.8 m，平面位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 新建隧道與既有隧道平面位置關(guān)系圖Fig.3 Plane position relation diagram of new tunnel and existing tunnel

1.3.2 豎向位置關(guān)系

既有高鐵隧道交叉處軌面距離隧道結(jié)構(gòu)頂面9.6 m，此處新建公路隧道為2.5%的下坡段，交叉處結(jié)構(gòu)底面距離公路路面高程為1.8 m。豎向最不利點(diǎn)處（即公路隧道與鐵路隧道交叉處）新建公路隧道結(jié)構(gòu)底面距離既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)頂面最小凈距為25.8 m，交叉段豎向位置關(guān)系如圖4。

圖4 新建隧道與既有隧道交叉段豎向相對(duì)關(guān)系Fig.4 Vertical relative relationship between new tunnel and existing tunnel

2 有限元模型建立及參數(shù)選取

2.1 計(jì)算模型概述

為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響，考慮到施工過程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型取其有效影響范圍，模型取長(zhǎng)280 m，寬250 m。根據(jù)實(shí)際地形情況，自地表起取160 m厚土體作為計(jì)算范圍，其中隧道開挖外緣至左、右邊界最小距離48 m，約4倍開挖跨度，滿足計(jì)算精度要求。模型頂面取為自由邊界，底面采用豎向約束，其它面均采用法向約束。

土體采用3D實(shí)體單元模擬，假設(shè)為理想彈塑性材料，本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)侖模型。隧道初期支護(hù)采用板單元，二次襯砌采用3D實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型為彈性模型，按照工程設(shè)計(jì)方案中構(gòu)件實(shí)際截面特性確定。計(jì)算模型如圖5-圖7所示。

圖5 三維計(jì)算模型圖Fig.5 3D calculation model

圖6 新建公路隧道與既有高鐵隧道模型相對(duì)位置關(guān)系圖Fig.6 Relative position diagram of new highway tunnel and existing high speed railway tunnel model

圖7 新建公路隧道與既有高鐵隧道模型相對(duì)位置俯視圖Fig.7 Top view of relative position of new highway tunnel and existing high speed railway tunnel model

2.2 計(jì)算參數(shù)

巖土力學(xué)及建筑材料參數(shù)取值如表2所示。

表2 巖土力學(xué)及建筑材料參數(shù)Table 2 Geotechnical mechanics and building material parameters

2.3 模擬過程

（1）初始地應(yīng)力平衡：模型在自重荷載的作用下求解至初始應(yīng)力平衡狀態(tài)后，將位移清零。

（2）既有高鐵隧道模擬。將鐵路隧道土體鈍化，激活初期支護(hù)和二次襯砌，達(dá)到隧道與土體之間的應(yīng)力平衡狀態(tài)后，將位移清零。

（3）新建公路隧道開挖模擬。交替開挖公路隧道左、右線，逐步將模型中的開挖土體鈍化，并隨之激活初期支護(hù)和二次襯砌。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移

施工各關(guān)鍵階段，既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖如圖8-圖10所示。

圖8 開挖初始階段既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖（mm）Fig.8 Vertical displacement nephogram of existing tunnel structure at initial excavation stage (mm)

圖9 開挖至交叉位置既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖（mm）Fig.9 Vertical displacement nephogram of existing tunnel structure from excavation to intersection (mm)

圖10 開挖結(jié)束既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖（mm）Fig.10 Vertical displacement nephogram of existing tunnel structure after excavation (mm)

從圖8-圖10可以看出：隨著新建公路隧道開挖，既有高鐵隧道逐漸產(chǎn)生隆起，且隆起值隨著公路隧道開挖逐漸增大；當(dāng)公路隧道開挖至高鐵隧道正上方時(shí)，隆起值達(dá)到最大值；隨著公路隧道開挖掌子面逐漸遠(yuǎn)離高鐵隧道，隆起值逐漸減小。

整個(gè)施工過程中，既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向位移變化范圍為0.01～0.51mm，滿足隧道結(jié)構(gòu)豎向變形量≤5mm的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

施工完成后隧道結(jié)構(gòu)拱頂、拱腰、仰拱各部位豎向位移沿隧道縱向變化情況如圖11所示。

圖11 施工完成后沿隧道縱向結(jié)構(gòu)各部位豎向位移Fig.11 After the completion of the construction，the vertical displacement of each part along the longitudinal structure of the tunnel

由圖11可知，施工完成后，隧道結(jié)構(gòu)拱頂和仰拱位置最大豎向位移發(fā)生在里程DK270+150位置附近，且拱頂和仰拱各部位豎向位移沿隧道縱向變化趨勢(shì)基本一致。由于新建公路隧道與既有高鐵隧道斜交，兩側(cè)拱腰最大豎向位移位置有所不同。可以看出，新建隧道施工對(duì)周圍圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致臨近圍巖應(yīng)力重分布，引起地層損失，帶動(dòng)既有高鐵隧道整體發(fā)生隆起。

3.2 既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)水平位移

施工各關(guān)鍵階段，既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)水平位移云圖如圖12-圖14所示。

圖12 開挖初始階段既有隧道結(jié)構(gòu)水平位移云圖（mm）Fig.12 Horizontal displacement nephogram of existing tunnel structure at initial excavation stage （mm）

圖13 開挖至交叉位置既有隧道結(jié)構(gòu)水平位移云圖（mm）Fig.13 Horizontal displacement nephogram of existing tunnel structure from excavation to intersection （mm）

圖14 開挖結(jié)束既有隧道結(jié)構(gòu)水平位移云圖（mm）Fig.14 Horizontal displacement nephogram of existing tunnel structure after excavation （mm）

從圖12-圖14可以看出：隨著新建公路隧道開挖，既有高鐵隧道水平位移呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)新建公路隧道開挖至既有隧道正上方時(shí)達(dá)到最大水平位移值；隨著新建公路隧道開挖掌子面逐漸遠(yuǎn)離隧道，水平位移值逐漸減小。

整個(gè)施工過程中，既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移范圍為0.019～0.143 mm，滿足隧道結(jié)構(gòu)水平位移值≤3 mm的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

施工完成后隧道結(jié)構(gòu)拱頂、拱腰、仰拱各部位水平位移沿隧道縱向變化情況如圖15所示。

圖15 施工完成后沿隧道縱向結(jié)構(gòu)各部位豎向位移變化Fig.15 After the construction，the vertical displacement changes along the longitudinal structure of the tunnel

由圖15可知，新建隧道施工完成后，隧道結(jié)構(gòu)沿隧道縱向水平位移變化較小。隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在里程DK270+75與DK270+225附近，受新建公路隧道斜交上跨施工的影響，在交叉點(diǎn)附近隧道上部圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布，因此相比于拱腰、仰拱部位，隧道拱頂位置水平位移較大。

3.3 既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

施工各階段，既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖如圖16-圖18所示。

圖16 開挖初始階段既有隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖（kPa）Fig.16 Maximum principal stress nephogram of existing tunnel structure at initial excavation stage (kPa)

圖17 開挖至交叉位置既有隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖（kPa）Fig.17 Nephogram of maximum principal stress of existing tunnel structure from excavation to intersection (kPa)

圖18 開挖結(jié)束既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖（kPa）Fig.18 Maximum principal stress nephogram of existing high speed railway tunnel structure after excavation (kPa)

從圖16-圖18可以看出：由于新建公路隧道工程的開挖引起擾動(dòng)作用，既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力受到小幅度影響。

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)而言，拉應(yīng)力往往是控制應(yīng)力。整個(gè)新建公路隧道開挖過程中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大值為0.358 MPa，小于《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2016）中C40混凝土容許應(yīng)力值0.68 MPa的控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，新建公路隧道上跨施工引起的既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)變化處于安全范圍內(nèi)。

4 新建公路隧道開挖施工對(duì)既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響分析

目前，國(guó)內(nèi)隧道施工無論采用機(jī)械開挖還是爆破開挖，都不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而對(duì)周邊圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。特別是臨近既有工程爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊波，可能會(huì)導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，甚至威脅隧道運(yùn)營(yíng)安全。因此，進(jìn)行新建隧道施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響分析是十分必要的。

4.1 機(jī)械開挖對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響

與爆破振動(dòng)相比，機(jī)械振動(dòng)具有振動(dòng)幅值小、頻率低、衰減慢和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。本文新建隧道與既有隧道的最小凈距為25.8 m，結(jié)合國(guó)內(nèi)外同類工程施工經(jīng)驗(yàn)[7，8]，在各項(xiàng)減震技術(shù)措施落實(shí)到位的基礎(chǔ)上，機(jī)械開挖引起的既有隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度峰值可控制在4 cm/s以內(nèi)，滿足振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，從振動(dòng)安全角度來講，本項(xiàng)目采用機(jī)械開挖對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響相對(duì)較小。

4.2 爆破開挖對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響

根據(jù)《鐵路工程爆破振動(dòng)安全技術(shù)規(guī)程》（TB 10313-2019），爆破振動(dòng)安全允許距離按下式計(jì)算。

式中：

R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，kg；

V——保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；

K，α——與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，在無試驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下，可參考表3確定。

表3 爆區(qū)不同巖性的K、α取值Table 3 K，α value of different lithology in blasting area

新建公路隧道與既有高鐵隧道交叉節(jié)點(diǎn)附近圍巖為頁(yè)巖夾泥灰?guī)r，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體較完整，呈大塊狀結(jié)構(gòu)，隧道圍巖等級(jí)Ⅲ級(jí)。本工程取K=100，a=1.4，R=25.8 m，爆破振速取規(guī)范安全允許最小值4 cm/s。可以計(jì)算得出，允許的最大炸藥量：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在本工程最小凈距的工況下，最大單響藥量不應(yīng)超過17.35 kg。因此，新建隧道若采用爆破施工，極易造成隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)振速大于安全振速允許值。

因此，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先采用機(jī)械開挖，避免爆破開挖。若受現(xiàn)場(chǎng)巖層條件限制，機(jī)械開挖不具備條件時(shí)，應(yīng)采用微震爆破，且需嚴(yán)格控制爆破振速不大于4 cm/s；必要時(shí)應(yīng)采用靜態(tài)爆破措施，以減少爆破對(duì)鐵路的影響。同時(shí)，在新建隧道開挖施工過程中，應(yīng)對(duì)既有鐵路隧道采取振動(dòng)監(jiān)測(cè)措施，并加強(qiáng)對(duì)既有隧道的巡檢和監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論及建議

本文對(duì)一新建公路隧道近距離上跨既有高鐵隧道施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了既有高鐵隧道在新建隧道施工過程中的內(nèi)力、變形情況，并通過計(jì)算分析給出了新建隧道的開挖意見，以期為類似工程提供參考。

（1）新建公路隧道施工過程中，既有高鐵隧道主體結(jié)構(gòu)整體發(fā)生隆起，并產(chǎn)生小幅度的水平位移，但隆起和水平位移值都在可控范圍之內(nèi)，滿足隧道主體結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）新建公路隧道施工過程中，既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力受到一定影響，由此產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力值很小，滿足C40混凝土容許應(yīng)力值控制標(biāo)準(zhǔn)。

（3）本工程新建公路隧道近距離上跨既有高鐵隧道，施工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)既有鐵路隧道影響較大。應(yīng)優(yōu)先采用機(jī)械開挖，避免爆破開挖。若受現(xiàn)場(chǎng)巖層條件限制，機(jī)械開挖不具備條件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)采用微震爆破，嚴(yán)格控制最大單響藥量，必要時(shí)可采用靜態(tài)爆破。