路堑开挖卸荷对既有铁路隧道影响的数值分析

朱小鹏

（1.中铁二十五局集团有限公司第二工程公司，工程师，湖南 衡阳 421000)

新建高速公路以路堑形式近距离跨越既有隧道时，路堑开挖施工过程中不可避免地将造成下部既有隧道结构周围岩土体应力重分布〔1〕，从而引起隧道结构产生相应的内力和变形，严重时将会直接导致结构的损坏，影响隧道正常使用和安全〔2〕。因此，只有正确评估新建高速公路施工期间对既有隧道的影响程度，掌握既有隧道应力和位移的变化规律，提出合理化的设计及施工建议，才能达到路堑施工卸荷过程中保障既有铁路隧道安全运营的目的。

上部开挖卸载对下方既有隧道影响的研究方法主要有：现场实测分析〔3-7〕法、经验公式法〔8〕、力学计算法〔9〕和有限单元法〔10-14〕等。但总体而言，目前国内对上部开挖卸载对既有隧道结构影响的研究多集中于单一工程实例的研究〔15〕，因而还处于总结和经验积累阶段。

本文结合新建永吉高速公路采用深挖路堑形式上跨焦柳铁路罗依溪隧道工程，采用数值分析技术研究了山体开挖对隧道主体结构安全性和稳定性影响，进而对深挖路堑的施工过程提出合理性的建议。本文研究成果可以为新建高速公路路堑开挖跨越既有铁路隧道的设计和施工提供借鉴与参考。

1 工程概况

永顺至吉首高速公路为湖南省西北部区域重要省际通道，是湖南省高速公路网规划“七纵九横”中第七纵的重要组成部分。新建永吉高速公路以路堑形式上跨焦柳铁路罗依溪隧道位于焦柳铁路k 1 040+752.36处。

新建永吉高速与铁路隧道交叉处，其走向基本和既有焦柳铁路垂直，交叉角为83°，在交叉点前后130m范围内新建高速公路均为挖方地段。因公路路堑开挖导致隧道顶覆土减薄对应的铁路里程范围为k 1 040+723～k 1 040+811，影响范围内原隧道顶覆土厚度为93～119m。高速公路建成后，公铁交叉点处铁路隧道顶至公路路面的最小覆土厚度为55.3m，即公路路堑的最大挖深约52m。该路堑处罗依溪褶曲带内，路堑边坡岩性主要为硅质岩、硅质页岩，受构造影响，该段产状杂乱无序，产状175°∠18°，硅质页岩中间夹多层极薄的石煤层，岩质软硬不均，岩体完整性及边坡稳定性均较差。

罗依溪隧道建于1975年，隧道长1 391m，中心里程k 1 041+256，洞内净宽5.60m，洞高6.37m，拱圈及边墙为170级砼，洞口顶山坡上设有天沟。公铁交叉处岩层较破碎，从上到下基本可分为：上不为寒武系的牛蹄坡胶质页岩，由于断层通过，基岩极为破碎，几乎是10～20 cm的棱块状出现；下部为灯影硅质层夹少量的白云灰质岩和页岩；受区域断层影响，灯影硅质层整个岩质褶曲的同时，微褶曲极为发育，形成各个方向的小褶曲，原生基岩坚而脆。尤其在洞身通过地带。地下水较发育。综合收集的资料及现场踏勘情况，路堑施工前罗依溪铁路隧道洞体结构及排水状况目前良好。

2 计算模型与参数

2.1 隧道模型与参数 在新建永吉高速公路上跨既有铁路罗依溪隧道段，公铁路交叉点里程为铁k 1 040+752.36=公k 31+400，铁路隧道上部山坡因公路路堑开挖形成的倒梯形影响面对应的影响范围为k 1 040+722.8～k 1 040+811。隧道洞内净宽5.60m，洞高6.37m，拱圈及边墙为170级砼，沿隧道方向取130m，隧道横向取100m，下部底板距洞底30m，上限为山体表面，隧道顶覆土厚度为93～119m，利用数值分析软件建立三维有限元模型，见图1。

图1 计算模型

网格划分采用四节点四面体单元，由于进行流固耦合分析，围岩和土体单元类型为C3 D 10 MP。模型共有单元45 122个，节点65 843个，其中既有铁路隧道单元2 968个，节点6 533个，公路开挖单元5 162个，节点8 673个。隧道支护采用壳单元模拟，选择单元类型S 4，共生成704个单元，360个节点。围岩材料的力学屈服准则采用岩土工程中常用的摩尔-库伦模型，隧道支护为弹性材料，数值计算所采用的力学参数如表1所示。材料的吸湿曲线参考采用同一种参数数据〔16〕，如表2所示。

表1 数值计算采用的力学参数

表2 孔压和饱和度关系

3 计算结果分析

为了便于分析公路路堑开挖对既有隧道主体结构安全的影响分析，提取隧道周边关键点的应力和位移，关键点位置如图2所示。

图2 计算结果监测点

3.1 位移分析 路堑开挖结束后的位移云图见图3,隧道结构变形见图4所示。

图3 路堑开挖结束后的位移云图

图4 隧道变形示意图

由图3可以看出路堑开挖位移影响范围主要包含开挖部分一定范围内的邻近区域。随着路堑的开挖，路堑底部有向上隆起的变形，路堑边坡坡脚向路堑内变形，公路与隧道交叉处路堑底部出现较大的上拱变形；此外，既有隧道处于上方路堑开挖变形位移场的影响范围内。图4表明基坑开挖引起隧道结构上部卸载，导致隧道产生了竖向和水平向位移，同时隧道横截面也会产生收敛变形；距离公路隧道交叉点处越近，隧道结构变形越明显，严重时可能出现隧道衬砌开裂、接缝渗水等安全隐患。

图5示意了图2中公路与隧道交叉点处隧道洞周关键点（拱顶、拱底和左拱腰）位移随开挖进度的变化情况。

图5 公路与隧道交叉点隧道洞周位移随开挖进度变化图

由图5可知：路堑开挖引起的关键点竖向变形远大于其他方向的变形；路堑开挖卸载过程中，交叉点处隧道段面各关键点水平方向上产生的位移很小，这是因为隧道埋深较大，在卸载过程中没有产生附加的偏压荷载；隧道位移主要集中在竖直方向上，且随着路堑施工开挖的进行，隧道上覆土卸载逐渐增加，隧道断面整体位移逐渐增大，拱顶最大向上位移达12mm。

公路与隧道交叉段隧道拱顶位移随开挖进度变化如图6所示。图6中横坐标零点表示公路与隧道交叉点的位置，距离为正表示处于交叉点Y轴正方向，距离为负表示沿Y轴负方向。

图6 隧道拱顶位移随开挖进度变化图

由图6可看出隧道拱顶的位移会随着路堑开挖卸载而逐渐增大，且距离公路隧道交叉点处越近变形越明显，距离公路隧道交叉点处越远变形越小。路堑开挖卸载对下部隧道位移的影响范围大约为公路隧道交叉点两侧40～50m。

3.2 应力分析 公路与隧道交叉点处隧道洞周各关键点主应力随开挖进度变化见图7所示（ABAQUS以拉应力为正，压应力为负）。

图7 交叉点隧道洞周主应力随开挖进度变化图

由图7可知随着路堑开挖进行，拱顶、拱腰和拱底的最大主应力均逐渐增大，最小主应力变化不大，拱顶最大主应力达0.94 MPa，两侧边墙应力变化不大。这是由于隧道上部开挖卸载导致隧道拱顶产生附加拉应力，受其影响可能会导致隧道衬砌的破坏和隧道渗水病害的加剧。

公路与隧道交叉段隧道拱顶主应力随开挖进度的变化见图8所示。

图8 隧道拱顶主应力随开挖进度的变化

由图8可知：随着路堑的开挖，公路与隧道交叉段中心点附近隧道拱顶最大主应力有所增大，最小主应力量值略有减小，影响范围大约为公路隧道交叉点两侧40m。

3.3 衬砌受力分析 隧道二衬采用壳单元模拟进行分析，得到下部既有隧道衬砌的轴力分布（见图9）及弯矩分布（见图10）。由计算结果对比可知隧道衬砌在路堑开挖后轴力和弯矩的分布几乎不变，量值略有增大。

图9 路堑开挖结束后隧道衬砌结构轴力分布

图10 路堑开挖结束后隧道衬砌结构弯矩分布

3.4 渗流场分析 路堑开挖前，地下水位在地表下10～15m处，路堑开挖后地下水位有所下降，孔隙水压力产生重分布。

隧道围岩孔压随路堑开挖进度的变化见图11所示。由图11可知，在路堑开挖前隧道围岩空隙水压力在公路与铁路交叉段分布均匀，随着隧道上覆土中路堑的开挖，地下水位的分布发生改变，导致交叉段隧道围岩孔隙水压力分布不均匀（见图12所示）。

图11 隧道围岩孔压随开挖进度的变化

图12 交叉点隧道洞周渗流速度随开挖进度变化图

如图12所示，随着公路和隧道交叉点附近孔隙水压力重分布，在没有地下水补给的情况下，下方既有隧道附近的孔压会变小，隧道洞周渗流速度会有所下降。但是交叉点附近隧道围岩受上部开挖卸载的影响会导致隧道周围孔隙比增大，如图13所示，这是由于上部卸载导致隧道围岩产生附加的张拉应力形成的。实际工程中附加的张拉应力会导致隧道围岩细小裂缝发展贯通形成大的渗流路径，在地下水有丰富补给的情况下会导致隧道围岩内部裂隙贯通、开裂等，容易导致隧道灾害及次生灾害的产生。

图13 交叉点隧道洞周点孔隙比随开挖进度变化图

4 施工建议

1）鉴于焦柳铁路为电气化铁路，为确保施工期间隧道顶部电气化承力索的平顺稳定，新建永吉高速公路与铁路交叉段施工过程中建议采用机械挖掘，严禁采用爆破施工。

2）鉴于此处隧道围岩较破碎，受断层影响地下水较发育，建议公路路堑开挖至路槽后尽快采用C15砼封闭路堑基坑，严禁长时间裸露路堑基坑。

3）建议施工期间做好排水措施，及时挖沟将路堑基坑内的雨水排走，禁止新建公路排水系统进入铁路排水系统。

4）建议施工中加强对公路和隧道交叉段路堑边坡和既有隧道的监控量测，重点监测路堑边坡坡脚位移、隧道拱顶位移及渗水情况，发现问题及时调整，以确保工程质量和周边环境安全。

5 结论

本文针对新建高速公路采用路堑形式跨越既有铁路隧道交叉部位建立了三维数值分析模型，分析隧道围岩变形、隧道围岩应力以及隧道渗流随施工进程的变化规律。得出以下结论：

1）新建高速公路路堑开挖会导致其下方既有铁路隧道结构在路堑开挖的影响范围内整体向上回弹，距离公路隧道交叉点越近，向上变形越明显，且交叉点处隧道拱顶有较大的竖直向上位移。

2）公路路堑开挖卸载导致隧道周围压应力有所减小，局部产生拉应力，最大拉应力出现在既有隧道拱顶区域。

3）隧道衬砌在路堑开挖后轴力和弯矩的分布几乎不变，量值略有增大。

4）公路路堑开挖导致隧道附近的孔压和渗流速度会变小，但同时导致隧道附近围岩孔隙比增大，不利于隧道渗流的稳定性，容易导致隧道灾害及次生灾害的产生。

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