新建鐵路對下部飲水隧道的影響分析

汪琳 李永奎 徐海濤

某新建鐵路上跨既有飲水隧道，兩者最短垂直距離為9.2 m，為評估新建鐵路施工階段與運營階段對飲水隧道的影響，基于有限元軟件建立等比例模型，從應力和位移2方面進行全面評估。數值模擬結果表明：由新建鐵路施工與運營，導致飲水隧道的位移增量值不超過1 mm，豎向最大應力增量變化幅度為1.82%，基本可忽略不計。

新建鐵路； 飲水隧道； 位移增量； 應力增量； 評估

U452.2+6 A

［定稿日期］2022-05-25

［作者簡介］汪琳（1989—），男，本科，工程師，主要從事鐵路路基及基坑支護設計工作；李永奎（1992—），男，碩士，工程師，主要從事鐵路和公路路基設計工作。

近年來，隨著交通建設的不斷深入，從過去對空間簡單使用，轉變至現在的多層次多方位復雜利用，新建鐵路、公路上跨或下穿既有基礎設施的概率逐漸增大，因此評估分析新建工程對既有建筑物正常使用的影響，具有較大的工程實踐價值。

目前，國內外研究新建工程對既有建筑物的文獻較多，研究對象多為新建隧道對既有鐵路、既有公路和既有隧道的影響。趙東平等［1］ 、袁溢［2］、鄭俊杰等［3］、王明年等［4］基于FLAC3D對新建隧道上穿既有隧道的施工方式進行了研究，給出了爆破施工的安全控制范圍；王小林等［5］利用MIDAS GTX有限元軟件，以隧道半斷面深孔注漿半徑為控制變量，分析了新建地鐵隧道對上部既有鐵路路基的沉降變形影響；郭宏博［6］對上下交叉隧道施工進行分析，得出施工引起結構內力變化規律；周斌等［7］利用ANASYS有限元，分析了新建公路隧道施工對既有鐵路隧道內力的影響，得出既有隧道結構滿足規范要求；Kimura等［8］基于離心機模型試驗，研究了倫敦地鐵施工導致地表沉降的規律；劉洪洲等［9］利用三維數值模擬，分析了地鐵盾構施工對地表沉降的影響。

綜上所述，基于有限元軟件，分析新建鐵路對既有建筑物的影響是常用方式。但目前研究新建鐵路對下部既有飲水隧道的影響報道較少。不同工程實例的地質情況、支護措施以及隧道尺寸等都存在差異，針對實際工程有必要進行單獨分析。本文以某新建鐵路項目為依托，考慮施工階段和運營階段對下部飲水隧道內力和變形的影響，研究成果為評估既有設計的合理性提供參考價值。

1 工程概況

受鐵路線位的控制，某新建鐵路需上跨外徑為6.6 m的既有馬蹄形飲水隧道，襯砌為0.6 m厚的鋼筋混凝土結構，鐵路路肩與飲水隧洞頂部之間為微風化巖層，巖體厚度約為19 m。受地形的限制，該區段鐵路需開挖既有邊坡坡腳以實現收坡處理，經計算最后采用樁板墻支護形式。為了減小鐵路施工對飲水隧道產生破壞，擬采用人工水磨鉆施工錨固樁，因此在建模中不需考慮機械荷載。

交叉段地層為三疊系上統文賓山組上段（T3wb）泥質砂巖、炭質砂巖夾煤。灰色、灰黑色，泥質結構，薄—中厚層狀構造，節理裂隙發育。強風化層W3厚約6～12 m，屬Ⅳ級軟石；碎塊狀強風化W3呈碎塊狀，巖質較軟，屬Ⅳ級軟石；弱風化層W2巖質較軟，屬Ⅳ級軟石。

2 有限元模型

為消除模型邊界效應對模擬結果的準確性產生影響，采用鄭穎人建議的邊界范圍：左端邊界為1.5H，坡頂至右端邊界2.5H，上下邊界總高不低于2H。選取模型寬度為77.7 m、長度80.0 m、總高度75.5 m，其中飲水隧道拱底至模型底部的高度為20.0 m。約束情況：前后、左右平面受水平約束，底平面受豎向約束，上平面受施加初始引起的應力邊界約束。共劃分310 622個單元，計算中，抗滑樁、擋土板和隧道襯砌采用彈性實體單元模擬，地層采用彈塑性實體單元模擬。建模信息如圖1所示。

2.1 物理力學指標

根據已有地質勘查報告，并參考《工程地質手冊》，給出數值模擬范圍內土層和支護結構參數，如表1所示。

2.2 計算過程

整個數值模擬共有3個步驟： ①施加邊界約束與初始應力，計算模型的初始應力場；②施工模型范圍內抗滑樁和擋土板，開挖樁前巖土體露出設計線，模擬施工開挖對飲水隧道內力和位移的影響。③鐵路施工完成后，參考TB 10001-2016《鐵路路基設計規范》，添加列車靜荷載，模擬鐵路運營對引水隧道內力與位移的變化。

3 計算結果分析

評估既有飲水隧道的安全性，關注點在于新建鐵路施工和運營階段，對其內力和位移產生的影響。為便于后續描述，將修建鐵路支護和開挖過程簡稱為開挖階段，添加列車荷載簡稱為加載階段。將初始應力下既有飲水隧道的內力值和位移值，與開挖階段和加載階段的模擬結果進行對比分析，可以評估出新建鐵路對既有飲水隧道產生的影響。為定量分析模擬結果，選取垂直于飲水隧道并通過抗滑樁中部的平面作為研究分析斷面。

3.1 位移結果分析

3.1.1 豎向位移

圖2是3個階段下隧道襯砌的豎向位移云圖。圖2（a）是模擬的初始應力場，通過圖2（a）可知，飲水隧道的最大豎向位移出現在拱頂中部區域，值為0.61 mm，豎向位移從拱頂中部區域逐漸向拱底中部區域減小，最小豎向位移值為0.24 mm，初始應力場下隧道整體豎向位移值不大，分析是因為飲水隧道與新建鐵路之間存在約19 m厚的微風化泥質砂巖，能夠較好地形成應力拱，實現應力重分布。圖2（b）是模擬的開挖階段，通過圖2（b）發現，開挖階段的豎向位移整體有向上隆起的趨勢，符合應力釋放現象，與兩側拱腰成-45°夾角區域的位移回彈量最大，為1.41×10-3 mm。圖2（c）是模擬的加載階段，添加鐵路影響范圍內的豎向面荷載67.8 kPa，產生附加位移最大值為0.04 mm，加載階段的位移變化趨勢與原始階段基本一致。圖3是3個階段下，模型切片范圍內整體豎向位移云圖，從圖3（a）與圖3（b）可以看出引水隧道中部沿線范圍內出現明顯突變，表明出現應力集中現象；從圖3（c）可發現，在附加應力作用下，產生的附加豎向位移呈層狀分布，并在飲水隧道附近出現小范圍位移突變。

3.1.2 水平位移

圖4是3個階段的隧道襯砌水平位移云圖，將圖2（a）與圖4（a）對比分析發現，出現最大位移的區域存在顯著差異，水平最大位移出現在與拱腰成-45°夾角的襯砌外側，水平位移沿飲水隧道中線對稱分布，最大水平位移為8.47×10-2 mm。從圖4（b）與圖（c）發現在開挖階段與加載階段，附加最大水平位移出現區域與豎向基本相同，均位于拱頂。

通過圖2與圖4中3個階段的橫向對比分析，發現開挖階段與加載階段對隧道襯砌水平位移和豎向位移的影響均可忽略不計，位移最大變化量小于1 mm。

3.2 內力分析

3.2.1 豎向應力

圖5是3個階段的豎向應力云圖。通過圖5（a）可發現，最大豎向應力位于兩側拱腰處，最大值是1.10 MPa，應力從拱腰向拱底與拱頂中部區域逐漸減小至18.10 kPa。對圖5（b）分析發現，因邊坡開挖導致飲水隧道應力出現了小范圍的重分布，拱腰最大應力出現小范圍增加，而拱頂與拱底中部區域的最小應力減小至18.00 kPa，變化幅度為0.56%；對圖5（c）分析發現，在施加附加應力下，豎向應力整體出現增大趨勢，與初始應力場相比，拱腰區域最大應力增加到1.12 MPa，變化幅度為1.82%，拱頂與拱底中部區域的最小應力增加到18.11 kPa，變化幅度為0.06%。從應力變化幅度可以看出，鐵路施工階段與加載階段對飲水涵洞豎向內力的影響不大，不會造成飲水隧道應力增量過大而出現承載力不足的現象。

3.2.2 水平應力

圖6是3個階段的水平應力云圖。圖6（a）是初始應力下的水平應力場，最大水平應力與豎向最大應力出現區域基本一致，位于兩側拱腰處，最大水平應力為0.22 MPa，水平最大應力值約為豎向壓應力最大值的1/5；圖6（b）開挖階段水平應力整體出現減小現象，最大水平應力變化幅度為0.4%。圖6（c）為加載階段，與初始最大應力相比，拱腰中部區域外側最大水平應力基本不變。表明開挖階段和加載階段對隧道襯砌水平應力基本無影響。

4 監測方案

根據數值模擬結果可知，最大水平應力與最大豎向應力均位于隧道兩側拱腰中部區域，因此通過埋入測力計對飲水隧道拱腰中部進行收斂監測；位移變化最大值出現在拱頂中部，通過埋入位移計，對隧道拱頂中部的位移進行監測，以控制分析飲水隧道的沉降變化量。監測點布置如圖7所示。

5 結論

（1）位移結果表明，開挖階段和加載階段，對既有飲水隧道襯砌位移影響較小，水平位移與豎向位移新增量值均小于1 mm。

（2）應力結果顯示，新建鐵路在開挖階段和加載階段，對既有飲水隧道襯砌豎向應力和水平的影響較小，最大水平應力約是最大豎向應力的1/5。

綜上，新建鐵路在非爆施工與正常運營階段，對既有隧道內力和位移影響基本可以忽略不計，不會影響既有飲水隧道的正常使用。評估的準確性還需通過后續觀測數據來驗證。

參考文獻

［1］ 趙東平，王明年. 小凈距交叉隧道爆破振動響應研究［J］. 巖土工程學報，2007，29（1）： 116-119.

［2］ 袁溢. 新建鐵路隧道下穿既有運營隧道的設計與施工［J］.鐵道標準設計，2014，58（6）：98-101.

［3］ 鄭俊杰，包德勇，龔彥峰，等. 鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技術研究［J］. 鐵道工程學報，2006（8）：80-84.

［4］ 王明年， 潘曉馬，張成滿，等. 鄰近隧道爆破振動響應研究［J］. 巖土力學， 2004，25（3）： 412-414.

［5］ 王小林，李冀偉，劉硯鵬，等.新建隧道下穿施工對既有鐵路的影響研究［J］ .路基工程，2012（6）：106-109.

［6］ 郭宏博.上下交叉隧道近接施工影響分區研究［D］.成都：西南交通大學土木工程學院，2008.

［7］ 周斌，林承華，龔倫.高速公路隧道施工對既有鐵路隧道的影響分析［J］.山西建筑，2012，38（28）：171-173.

［8］ T.Kimura， R.T.Mair. Centrifugal Testing of Model Tunnels in Soft Clay ［A］.Pros.of 10th Int.Conf.Soil Mechanics & Foundation Engineering Stockholm， Balkema， 1981， 2（1）： 183-186.

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