暗挖隧道施工對(duì)既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響分析

富濤 唐禮 張志強(qiáng)

基于Midas GTS數(shù)值模擬軟件建立了蔡家關(guān)暗挖隧道下穿川黔鐵路數(shù)值仿真模型，研究了隧道采用CRD暗挖施工期間對(duì)既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響。研究結(jié)果表明：相較于左線隧道施工，右線隧道施工對(duì)其上方線路結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響更大；雙線暗挖隧道施工結(jié)束后，受影響最大的4處交叉點(diǎn)位移均小于控制值，證明采用蔡家關(guān)暗挖隧道下穿川黔鐵路是安全可行的。

暗挖隧道； 下穿； 既有鐵路； 沉降

U452.2+6 A

［定稿日期］2021-11-16

［基金項(xiàng)目］國(guó)家高鐵聯(lián)合基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：U1934213）；國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：51878572）

［作者簡(jiǎn)介］富濤（1984—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事隧道設(shè)計(jì)及施工研究工作。

受有限地下修建空間的影響，在地下工程建設(shè)過(guò)程中將不可避免地出現(xiàn)暗挖隧道下穿既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)的情況［1］，而隧道下穿過(guò)程中將會(huì)引起地層的損失和路基沉降，降低軌道結(jié)構(gòu)的平順性，對(duì)軌道上方列車的運(yùn)營(yíng)安全造成不良的影響，甚至產(chǎn)生無(wú)法接受的后果［2］。因此，在施工前明確隧道暗挖作業(yè)對(duì)既有軌道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響，判斷是否更改隧道施工方案，對(duì)于確保隧道建成后上方鐵路正常運(yùn)營(yíng)具有十分重要的意義。

目前，對(duì)于暗挖隧道下穿既有鐵路線路結(jié)構(gòu)的影響研究方法主要有模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬［3-5］，而數(shù)值模擬憑借其耗資少、時(shí)間短、仿真能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于相關(guān)研究中。朱正國(guó)等［7］采用數(shù)值模擬軟件分析了單雙線鐵路隧道下穿公路期間，公路路面的沉降規(guī)律。謝雄耀等［8］采用三維有限元軟件分析了暗挖隧道施工對(duì)地表上方既有建筑結(jié)構(gòu)所造成的擾動(dòng)影響，并提出了適當(dāng)增加注漿壓力能夠減少地表沉降值。張旭等［9］采用數(shù)值模擬的方式分析了隧道密貼下穿施工引起既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律，據(jù)此提出了下穿施工期間既有地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降控制方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其方案的準(zhǔn)確性。因此，文章依據(jù)貴陽(yáng)蔡家關(guān)1號(hào)隧道擬下穿運(yùn)營(yíng)川黔鐵路的實(shí)際情況，建立相應(yīng)的數(shù)值仿真模型，確定暗挖隧道下穿期間對(duì)既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響，為該隧道下穿作業(yè)是否安全提供相應(yīng)的參考。

1 工程概況

貴陽(yáng)市太金線蔡家關(guān)1號(hào)隧道在修建過(guò)程中擬通過(guò)隧道形式下穿川黔鐵路。擬建蔡家關(guān)隧道與川黔鐵路軌道路基相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

擬建蔡家關(guān)隧道為三心圓斷面，拱部半徑為9.0 m，邊墻半徑為5.8 m，仰拱半徑為18 m，角隅半徑1.0 m，采用CRD法進(jìn)行修建。

隧道所采用CRD法施工次序：①開挖先行導(dǎo)洞上斷面；②施工先行導(dǎo)洞上斷面初期支護(hù)；③開挖先行導(dǎo)洞下斷面；④施工先行導(dǎo)洞下斷面初期支護(hù)；⑤開挖后行導(dǎo)洞上斷面；⑥施工后行導(dǎo)洞上斷面初期支護(hù)；⑦開挖后行導(dǎo)洞下斷面；⑧施工后行導(dǎo)洞下斷面初期支護(hù)；⑨拆除臨時(shí)支護(hù)，仰拱澆筑；⑩鋪設(shè)防水層后二次襯砌整體模筑。CRD施工工序如圖2所示。

隧道圍巖自上而下分別為素填土、泥巖、石灰?guī)r，屬于Ⅴ級(jí)圍巖。隧道采取的主要支護(hù)措施：隧道拱頂120°范圍內(nèi)采用超前管棚結(jié)合超前小導(dǎo)管的方式進(jìn)行加固，并通過(guò)結(jié)構(gòu)中預(yù)留的注漿孔壓注水泥漿進(jìn)行加固；系統(tǒng)錨桿采用D25中空注漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度為4.0 m，錨桿間距為1 m（環(huán)）×0.5 m（縱）；初支采用28 cm厚C25噴射混凝土；二次襯砌采用65 cm厚C35防水鋼筋混凝土襯砌；臨時(shí)中隔壁采用20 cm厚C25噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

2 模型建立

根據(jù)蔡家關(guān)1號(hào)隧道的實(shí)際情況，通過(guò)Midas GTS數(shù)值模擬軟件建立了三維計(jì)算模型，模型尺寸長(zhǎng)103 m×130 m×92.2 m，沿隧道縱向取130 m，沿既有鐵路縱向取103 m，模型底部取擬建隧道仰拱下方50 m，頂面取擬建場(chǎng)區(qū)實(shí)際地面，如圖3所示。模型中圍巖、隧道襯砌等結(jié)構(gòu)均采用彈塑性實(shí)體單元模擬，服從摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。模型前后左右面均為水平約束，底面豎向約束，頂部為自由面。為便于計(jì)算，在數(shù)值模擬中將管棚和小導(dǎo)管、錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)體系按照經(jīng)驗(yàn)等效簡(jiǎn)化為隧道拱部的注漿區(qū)，計(jì)算中采用的圍巖物理力學(xué)參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1、表2所示。

根據(jù)擬實(shí)施的施工方案，數(shù)值模擬先開挖左線隧道，右線隧道滯后左線30 m后進(jìn)行開挖，開挖過(guò)程中CRD分部施工間隔長(zhǎng)度為10 m。每開挖一分部，讓模型運(yùn)行一定時(shí)間，然后再進(jìn)行下一分部的開挖施工模擬。同時(shí)，結(jié)合目前川黔鐵路最大運(yùn)營(yíng)速度（120 km/h）及《鐵路線路修理規(guī)則》中的相關(guān)要求，選取隧道施工后10 m弦的高低偏差管理值2 mm作為評(píng)價(jià)高鐵路基是否受到嚴(yán)重影響的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

擬建蔡家關(guān)隧道采用CRD施工工法下穿川黔鐵路軌道路基期間，當(dāng)隧道施工至軌道的正下方時(shí)，即圖1所示的4處交叉點(diǎn)處，對(duì)路基結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響較大，因此選擇隧道下穿施工初期、施工至4處交叉點(diǎn)、下穿施工末期這6種典型下穿情況進(jìn)行分析，如圖4所示。

由于隧道施工對(duì)既有鐵路的豎向位移影響主要為開挖面豎向沉降，故提取上述6種不同施工階段情況下鐵路路基結(jié)構(gòu)的豎向沉降位移情況，如圖5所示。同時(shí)提取最終施工結(jié)束后川黔上下行線路高鐵路基結(jié)構(gòu)的豎向沉降剖面數(shù)據(jù)，如圖6、圖7所示。

4 結(jié)論

采用Midas GTS數(shù)值模擬軟件建立了暗挖隧道下穿鐵路擾動(dòng)影響分析數(shù)值模型，明確了暗挖隧道施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響，得到的主要結(jié)論：

（1）暗挖隧道施工后下行線路結(jié)構(gòu)比上行的位移沉降更大，因此在施工時(shí)應(yīng)尤其注意控制右線隧道施工時(shí)引起的上行線路結(jié)構(gòu)沉降。

（2）受隧道施工影響最大的4處交叉點(diǎn)的最大沉降分別

為-1.5 mm、-2.2 mm、-2.1 mm、-3.5 mm，上行線10 m弦最大沉降值為0.98 mm，下行線10 m弦最大值為1.20 mm，均滿足道床10 m弦偏差允許值2 mm的控制要求，說(shuō)明采用CRD法進(jìn)行暗挖隧道下穿鐵路施工是安全可行的。

參考文獻(xiàn)

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