上下重疊鐵路隧道合理凈距研究

摘要：隧道凈距是小凈距隧道施工相互影響強弱的決定性因素。以某上下重疊鐵路隧道為依托，采用數(shù)值模擬的方法建立三維仿真模型，針對上下重疊隧道施工時兩洞室間的相互影響展開分析，并探討了重疊隧道的合理凈距。研究結(jié)果表明：受上層隧道開挖卸荷影響，下層隧道整體產(chǎn)生一定向上回彈，拱頂沉降量值減小，水平收斂量值增大，且下層隧道墻腳位置處拉應力明顯增大；上下層隧道變形與受力均滿足相關(guān)規(guī)范要求，支護結(jié)構(gòu)安全可靠；從控制下層隧道變形及初支結(jié)構(gòu)受力角度出發(fā)，重疊隧道間凈距宜大于0.75H（H為隧道開挖凈高）。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道; 上下重疊隧道; 施工擾動; 合理凈距; 數(shù)值模擬

中國分類號：U452.2+6A

［定稿日期］2022-08-10

［作者簡介］羅勝利（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向為隧道及地下工程。

0 引言

21世紀以來，我國鐵路交通獲得飛速性發(fā)展，大量鐵路隧道也應運而生，同時由于受到地質(zhì)條件、施工技術(shù)等因素的制約，隧道修建時常在空間上采用雙洞并行的小凈距隧道結(jié)構(gòu)，但這對于隧道施工與運營中的安全性帶來了一定風險［1］。國內(nèi)外不少學者針對小凈距隧道間的合理凈距、開挖順序、施工工法及各隧道間的相互影響等方面展開了相關(guān)研究。例如：閆振虎等［2］提出小凈距隧道中夾巖柱上覆圍巖壓力計算公式，并提出了中夾巖柱的合理加固方案。崔光耀等［3］依托北京地鐵19號線新草區(qū)間新建小凈距隧道近接隧道群工程，探討了新建隧道預加固措施及施工順序。扈萍等［4］采用數(shù)值模擬的手段分析了小凈距盾構(gòu)隧道后行洞對先行洞的影響，提出隧道凈距達到盾構(gòu)隧道內(nèi)徑0.8倍時需采取加固措施。張海兵等［5］運用離散元數(shù)值方法，在考慮巖層傾面基礎(chǔ)上，得出層狀圍巖中小凈距公路隧道的合理凈距宜為0.6B（B為隧道跨度）。劉金剛［6］從不同的施工順序?qū)ο取⒑笮兴淼澜Y(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力影響角度出發(fā)，提出了重慶鐵路樞紐東環(huán)線磨心坡隧道和柿子坪隧道超小凈距交叉段宜采用“先上后下”的施工順序。

雖然針對小凈距隧道的研究積累了一定經(jīng)驗與成果，但依托工程大多為山嶺隧道與盾構(gòu)隧道，同時針對小凈距隧道的特例—上下重疊隧道的研究較少。因此本文以某上下重疊鐵路隧道工程為依托，首先采用數(shù)值模擬的手段針對原隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的安全性展開分析，而后探討了上下重疊隧道的合理凈距。論文研究成果可為類似隧道工程設(shè)計施工提供一定參考。

1 工程概況

某鐵路隧道進口里程段為上下層近距相鄰重疊隧道，其中下層為正線單洞雙線鐵路隧道，上層為預留高鐵單洞雙線隧道，上下層隧道凈距約為3 m，洞室間相對位置關(guān)系如圖1所示。隧道暗洞進口段埋深約15 m，其主要地層有第四系全新統(tǒng)人工填筑土、坡洪積層、坡殘積層、侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（J1z）泥巖夾砂巖、三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）砂巖及頁巖等，未見斷裂構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，屬Ⅴ級圍巖。上下層隧道均采用隧道拱部小導管超前支護，各洞室支護結(jié)構(gòu)如表1所示。

根據(jù)施工設(shè)計資料，上下重疊里程段隧道開挖時采用機械開挖方法，按照“先下后上”的開挖順序施工，即下層隧道二襯施工完畢后，再開挖上層隧道。各洞室采用兩臺階加臨時仰拱的施工方法，臨時仰拱采用厚度為8 cm的C25噴射混凝土。上臺階及邊墻每循環(huán)開挖進尺為1 m，仰拱開挖循環(huán)進尺為3 m，各洞室具體施工順序為：

（1）開挖①部，施作①部初期支護和臨時仰拱。

（2）開挖②部，施作②部初期支護。

（3）開挖③部，施作③部初期支護。

（4）開挖④部，施作④部初期支護。

（5）整體澆筑Ⅴ部仰拱及邊墻基礎(chǔ)。

（6）施作Ⅵ部仰拱填充及該部對應防排水工程。

（7）一次澆筑Ⅶ部拱墻襯砌（圖2）。

2 安全性分析

2.1 三維仿真模型建立

采用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值仿真模型，為消除邊界效應影響，模型左、右、底邊界取4倍隧道開挖跨度，頂邊界取隧道埋深，模型縱向取50 m。模型前、后、左、右、底邊界施加法向位移約束，如圖3所示。

地層采用符合摩爾-庫侖屈服準則的彈塑性本構(gòu)模擬，初期支護及二次襯砌采用實體單元模擬，錨桿采用Cable單元模擬。超前支護采用提高區(qū)域內(nèi)圍巖參數(shù)方法實現(xiàn)，鋼架結(jié)構(gòu)按等效剛度的方法將彈性模量折算給噴射混凝土［7］。根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［8］，圍巖及支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)取值見表2。

數(shù)值模擬過程中，為充分考慮隧道在實際開挖過程中的應力調(diào)整，通過采取應力釋放的方法模擬實際開挖［9-10］。本計算模型Ⅴ級圍巖條件下應力釋放率控制在50%，即初支施作后增加50%的節(jié)點反力，二襯施作后釋放所有荷載。

2.2 隧道位移分析

圖4給出模型最終狀態(tài)下支護結(jié)構(gòu)橫向與豎向位移云圖。由圖4可見，隧道開挖完畢后，各洞室最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂與拱底處，表現(xiàn)為拱頂沉降與拱底隆起，符合隧道開挖宏觀規(guī)律。重疊隧道中上層隧道拱頂位置出現(xiàn)最大沉降量，約為5.49 mm；下層隧道仰拱位置出現(xiàn)最大隆起量，約為5.62 mm。同時下層隧道最大收斂量位于邊墻附近，而上層隧道最大收斂量出現(xiàn)在墻腳附近。

提取下層隧道施工期與上層隧道施工期2個工況下，模型中部斷面最大拱頂相對下沉量與水平相對收斂量，并與TB 10121-2007《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》［11］對比，如表3所示。由表可見，上層隧道開挖使得下層隧道拱頂沉降量值約減小33.28%，這是由于上層隧道開挖對于下層隧道會起到卸荷的效果，致使下層隧道整體產(chǎn)生一定的向上回彈，表現(xiàn)為下層隧道拱頂沉降量值的減小及拱底隆起量值的增大。同時上層隧道開挖對下層隧道水平收斂帶來不利影響，使得邊墻處水平相對收斂增大約61.21%?？傮w而言，各洞室位移量值均滿足規(guī)范要求，隧道位移整體處于可控范圍內(nèi)。

2.3 初期支護受力分析

表4給出下層隧道施工期與上層隧道施工期2個工況下，模型中部斷面初支拱頂、邊墻、墻腳與仰拱4個位置處最大與最小主應力的極值。從表中可見，下層隧道最大壓應力位于邊墻位置，而上層隧道最大壓應力位于拱頂位置，同時上層隧道與下層隧道均在墻腳位置處出現(xiàn)最大拉應力。上層隧道開挖后使得下層隧道壓應力減小，但各典型位置處拉應力均增大，其中墻腳位置處拉應力增長幅度最大，約42.19%。由于混凝土材料抗拉能力低，可見上層隧道開挖對下層隧道初支結(jié)構(gòu)受力帶來不利影響。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》要求，支護結(jié)構(gòu)各位置處應力量值均未超過抗拉與彎曲抗壓設(shè)計強度值1.3 MPa，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 隧道合理凈距研究

隧道凈距為小凈距隧道各洞室間相互影響強弱的決定性因素，因此本節(jié)通過分析上下重疊隧道不同洞室凈距下支護結(jié)構(gòu)位移與受力特征，判斷重疊隧道的合理凈距。研究時保持下層隧道埋深不變，改變上層隧道位置，選取隧道凈距為0.25H、0.5H、0.75H、H、1.25H與1.5H（H為隧道開挖凈高）共6種工況開展數(shù)值計算分析，以上層隧道施工后下層隧道支護結(jié)構(gòu)位移與受力量值作為評價指標，選取最合理的隧道凈距。

3.1 隧道位移分析

圖5給出不同凈距工況下，下層隧道拱頂下沉量值與水平收斂量值變化曲線。由圖8可見，隨重疊隧道間凈距的增大，下層隧道拱頂下沉量值略微增大，這是由于上層隧道開挖對下層隧道的卸荷效果在不斷減弱。同時水平收斂量值不斷減小，初始變化幅度顯著，當重疊隧道間距大于0.75H時，洞室水平收斂受凈距影響變化不敏感，量值逐漸趨于穩(wěn)定，可見上層隧道開挖對下層隧道位移的影響減弱。因此從控制下層隧道變性的角度出發(fā)，重疊隧道間凈距宜大于0.75H。

3.2 初期支護受力分析

圖6給出不同凈距工況下，下層隧道初期支護各監(jiān)測點處最大與最小主應力變化曲線。由圖6可知，最大與最小主應力變化規(guī)律不同，隨凈距增大，初支最小主應力略微增大，且當凈距大于0.5H時，最小主應力量值趨于穩(wěn)定。初至最大主應力隨隧道凈距增大不斷變小，且墻腳處最大主應力量值變化幅度最為明顯。當凈距大于0.75H時，最大主應力對凈距變化不敏感，因此從下層隧道初支結(jié)構(gòu)受力安全的角度出發(fā)，重疊隧道間凈距宜大于0.75H。

4 結(jié)論

本文依托某上下重疊鐵路隧道，采用數(shù)值仿真的手段對隧道施工中的安全性及重疊隧道合理凈距展開研究，得出主要結(jié)論：

（1）通過數(shù)值模擬的手段，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，隧道支護結(jié)構(gòu)位移與受力均處于可控范圍內(nèi)，支護結(jié)構(gòu)安全可靠。

（2）重疊隧道施工時，上層隧道開挖對下層隧道起到卸荷效果，使得下層隧道拱頂沉降量值減小，而水平收斂量值增大；同時下層隧道初支結(jié)構(gòu)壓應力減小，拉應力增大，且墻腳位置拉應力增長幅度最大。

（3）重疊隧道間凈距大于0.75H時（H為隧道開挖凈高），上層隧道開挖對下層隧道影響較小，下層隧道水平收斂量值有明顯降低，同時下層隧道初支結(jié)構(gòu)受拉有明顯改善。

參考文獻

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