软岩铁路隧道上跨既有公路隧道施工变形规律分析

张立东 ZHANG Li-dong

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710075；中交瑞通路桥养护科技有限公司，西安 710075）

0 引言

近些年，随着我国经济的蓬勃发展，交通事业与基础道路也加快了建设步伐。新建隧道上跨（下穿）既有隧道施工的情况也日益增多，其所产生的围岩扰动不可避免会起周边围岩应力重分布，进而造成既有隧道结构的变形，其影响程度随上下交叉隧道夹土层厚度的减小而增大。因此，针对新建隧道穿越施工对既有隧道的影响是现阶段交叉隧道施工段的重难点[1，2]。目前，新建隧道穿越既有路线时以下穿方式居多。对于下穿形式，既有隧道受新建隧道施工影响主要产生竖直方向的沉降位移，这一课题国内外众多学者已进行了深入研究[3，4]；对于上穿形式，在上覆土体卸载后，既有隧道因其释放的土体应力而产生隆起变形。梁荣柱等[5]基于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁，将既有隧道简化从而计算出上跨施工影响的解析解。

综上所述，关于新建软岩铁路隧道上跨施工对既有公路隧道影响相关研究目前较为缺乏。鉴于此，本文以某新建软岩铁路隧道上跨高速公路项目为工程背景，采用有限元软件进行数值模拟，重点研究上跨铁路隧道对既有公路隧道结构的变形与位移规律。

1 工程背景

1.1 新建隧道工程概况

隧道全长12329.5m，最大埋深约420m，轨面高程1005～1158m，为单洞单线隧道，穿越地层以风化砂岩夹泥岩夹砾岩为主。隧址区位于秦岭中山峡谷区，地形起伏大，构造作用强烈，不良地质发育。隧址区主要不良地质问题为滑坡、岩堆、泥石流，对施工影响较大。

1.2 新建隧道与既有隧道位置关系

新建隧道在DK143+596处与既有隧道左线斜交，角度为61.3°；在DK143+662处与既有隧道右线斜交，角度为62.6°。既有隧道拱顶距新建铁路隧道拱底净高60.8m，公铁交叉位置既有隧道为Ⅳ级围岩，支护参数为SⅣa型复合式衬砌。

2 数值模拟

2.1 模型建立

三维数值模拟计算模型大小为：纵向沿上跨隧道轴线方向取180m，横向边界长度取100m；垂直方向隧道取地表最低高程为120m，铁路隧道底部距模型下边界83m。模型顶部表面设为近似地表的自由边界，前、后、左、右和下部边界均施加水平约束，底部为固定约束。新建隧道采用拱部中管棚配合φ42小导管注浆进行超前支护，留核心土上下台阶开挖的施工方法，根据需要在拱顶上方路面中线处布置测点，模型共118993个单元、72772个节点，计算简图如图1所示。

图1 三维计算模型图

2.2 计算参数选取

三维有限元数值计算中的地层和相关结构的具体几何参数为实际设计值，物理力学参数的选取参考地勘、设计文件和设计资料获得。计算中，隧道围岩采用Mohr-Coulomb模型模拟，隧道衬砌结构采用弹性本构模型，围岩和衬砌结构均采用实体单元模拟。模型分析中衬砌结构及围岩按连续、均匀介质考虑。具体计算参数如表1所示。

表1 地层及支护结构参数表

2.3 施工过程的模拟和实现

新建隧道在公铁交叉位置采用留核心土上下台阶开挖工法，具体施工工序为：①开挖上部台阶并预留核心土；②施作上部的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，架立钢架；③钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度；④上台阶施工至适当距离后，先施作锁脚锚管，再复喷至设计厚度，开挖下部台阶，接长钢架，施作初期支护；⑤灌筑该段内仰拱及隧底填充；⑥利用衬砌模板台车一次性灌筑二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

3 数值模拟结果分析

3.1 地表变形分析

新建铁路隧道设计高程约为1075m，对应地表最低高程约为1104.6m，最小埋深约为26.9m，属于浅埋隧道，铁路隧道施工不可避免对地面造成影响，为此以下对该位置施工期地表沉降进行分析。鉴于模型施工步骤较多，出于篇幅考虑，分别选取“第1环开挖完成”、“第18环开挖完成”、“第36环开挖完成”、“第54环开挖完成”、“第72环开挖完成”、“第90环开挖完成”共6个典型工况进行分析。经数值模拟分析发现，地表沉降随着铁路隧道施工而逐渐发展，主要集中在隧道轴线两侧12m范围内。整体而言，距隧道轴线越近沉降值越大。

为更准确和直观分析地表沉降情况，在模型上方沿铁路隧道轴线方向和垂直于隧道轴线方向分别设置1条监测线，即测线1和测线2，测线1上共设32个测点，测点间距12m；测线2上共计26个测点，测点间距4m。

从图2、图3可以看出，沿铁路隧道轴线方向，地表沉降值随隧道开挖而逐渐增大；施工完成后，地表最大沉降值为3.16mm，距开挖起点距离48m。沿垂直铁路隧道轴线方向，地表沉降曲线呈V形分布，最大沉降值为3.09mm，位于隧道轴线位置；地表沉降主要集中在隧道轴线两侧12m范围内；地表沉降主要为开挖瞬间的地表瞬时沉降，前期扰动及后期固结沉降所占比例较小。

图2 监测线1沉降曲线

图3 监测线2沉降曲线

3.2 既有隧道位移分析

为分析新建铁路隧道开挖对既有隧道结构变形影响，以下结合公铁交叉区域隧道空间位置关系，根据铁路隧道掌子面距既有公路隧道距离不同，确定了3种典型工况，具体如表2所示。

经分析，既有公路隧道的结构变形主要集中在铁路隧道掌子面抵达公路隧道正上方至开挖结束这个阶段；沿既有公路隧道轴线方向，隧道结构变形呈倒V形分布，即在公铁交叉位置出现隆起，而在两端存在轻微沉降，隆起和沉降最大差值约为0.06mm；既有公路隧道水平位移随铁路隧道掌子面前进而逐渐增大，最大水平位移约0.02mm，隧道左、右线变形曲线基本一致，均呈横向“S”形，如图4所示。

图4 既有隧道竖向位移云图（工况3）

3.3 既有隧道受力分析

新建铁路隧道施工前后，既有公路隧道衬砌最大主应力与最小主应力如表3所示。可以看出，随新建铁路隧道的施工，既有公路隧道最大拉应力、最大压应力均有所提高，均位于拱脚位置，且均满足相关规范要求。

表3 既有公路隧道二次衬砌受力

3.4 新建隧道施工稳定性分析

3.4.1 拱顶竖向位移

铁路隧道开挖后，拱顶将会出现沉降，而拱底将会隆起。离拱顶越近，沉降值越大，拱顶的最大沉降值为14.67mm；竖向离拱底越近，隆起值越大，拱底的最大隆起值为13.49mm。

鉴于新建隧道在公铁交叉位置围岩级别为Ⅴ级，围岩类型为强风化泥岩夹砾岩夹砂岩，隧道埋深小于50m。根据计算结果，取隧道拱顶相对下沉控制阈值为0.08%。本次模拟中，新建隧道拱顶最大沉降值为14.67mm，计算得到拱顶相对下沉为14.67/10.40/1000×100%=0.141%＜0.16%，满足相关规范要求。

3.4.2 拱腰水平位移

铁路隧道开挖后，两侧围岩位移为向外挤出变形。隧道的左边围岩的水平最大位移值为9.73mm，右边围岩的水平最大位移值为-12.2mm，将二者绝对值相加得出洞周水平挤出变形值为21.93mm。

鉴于新建铁路隧道在公铁隧道交叉位置围岩级别为Ⅴ级，围岩类型为强泥岩夹砾岩夹砂岩，隧道埋深小于50m。根据计算结果，取隧道拱腰水平相对净空变化控制阈值为0.20%×（1.1～1.2）=0.22%~0.24%。本次模拟中，新建隧道洞周水平位移最大值为21.93mm，计算得到拱腰水平相对净空变化为21.93/8.38/1000×100%=0.262%＜0.50%，满足相关规范要求。

4 结论

本文以某新建软岩铁路隧道上跨既有公路隧道为工程背景，进行数值模拟，探究上跨铁路隧道施工对既有公路隧道的结构变形与位移规律，得到以下结论：①上跨铁路隧道施工引起的地表沉降主要为开挖瞬间的地表瞬时沉降，前期扰动及后期固结沉降所占比例较小。施工完成后，沿铁路隧道轴线方向地表最大沉降值为3.16mm；沿垂直铁路隧道轴线方向，地表沉降曲线呈V形分布，最大沉降值为3.09mm。②新建铁路隧道施工对既有隧道影响较小，既有公路隧道的结构变形主要集中在铁路隧道掌子面抵达公路隧道正上方至开挖结束这个阶段。沿既有公路隧道轴线方向，隧道结构变形呈倒V形分布，隆起和沉降最大差值约为0.06mm；既有隧道最大水平位移约0.02mm，同时左、右线变形曲线基本一致，均呈横向“S”形。既有公路隧道最大拉应力、最大压应力均有所提高，均位于拱脚位置；既有公路隧道最大拉应力为69.43kPa；最大压应力为579.80kPa。③铁路隧道拱顶最大沉降值为14.67mm，水平位移最大值为21.93mm，均满足规范要求。