新建上跨公路隧道对既有下方铁路隧道结构安全影响分析

王开阳

(中铁十八局集团隧道工程有限公司,重庆 401135)

随着国家对基建行业的大力支持,我国铁路、公路工程迎来了快速发展阶段,铁路隧道与公路隧道交叉、铁路桥梁邻近既有铁路隧道、公路路基邻近公路隧道等近接工程逐渐增多。在这些近接工程中,隧道上跨隧道的案例较多,施工风险也更大,如上跨隧道修建后下方隧道由深埋变为浅埋,或由浅埋变为超浅埋等,隧道埋深状态的改变意味着隧道结构受力模式的改变,严重影响结构安全。上跨隧道的开挖卸荷还极易造成下方隧道隆起变形,严重影响隧道运营安全。

国内外学者结合数值分析、室内试验、现场监测等多种研究手段深入研究了新建隧道上跨施工对下方既有隧道结构变形、受力的影响[1-6],并取得了显著成果。新建隧道上跨施工后,下方隧道是否能满足安全运营要求,需通过结构安全性评估确定。本文依托重庆至黔江铁路徐家堡隧道工程,借助有限元软件MIDAS模拟新建公路隧道上跨既有铁路隧道开挖支护全过程,通过计算分析公路隧道上跨后下方铁路隧道围岩变形规律、支护结构受力及安全系数,同时结合现场监测,以此验证既有隧道的结构安全性,为类似工程提供参考。

1 工程概况

重庆至黔江铁路(渝黔线)徐家堡隧道位于重庆市南川区水江镇境内,隧道起止里程为DK101+920-DK108+250,全长6 330 m,为单洞双线隧道,隧道宽14.3 m,高12.2 m,隧道横断面如图1所示。

图1 交叉段铁路隧道横断面(单位:cm)

隧道于DK104+510-DK104+400下穿在建渝湘高速复线水江隧道,平面夹角约66°,两隧间净距约15 m,交叉段隧道围岩以灰岩、白云岩为主,围岩等级主要为IV级,公路隧道埋深约35 m,两隧道具体空间关系如图2所示。为了确保近接工程的施工安全性,根据施工组织设计,铁路隧道先于公路隧道施工。

图2 上跨公路与下穿铁路空间位置关系(单位:m)

2 三维数值模型

2.1 模型建立

本文借助大型有限元软件Midas GTS NX建立三维数值计算模型,通过模拟新建公路隧道上跨既有铁路隧道施工全过程,分析新建公路隧道对既有隧道结构的影响。根据圣维南原理,隧道轮廓至模型边界距离应为3～5倍洞径[7-8],由此,建立数值计算模型范围为100 m×150 m×120 m,模型共生成单元总数为199 429个,节点总数为208 596个,具体如图3所示。数值计算中,围岩、支护结构等均采用混合六面体单元模拟,同时围岩采用摩尔-库伦本构,隧道衬砌及初支等结构采用弹性本构。

图3 三维数值计算模型

2.2 计算步设计

根据施工组织设计,铁路隧道先建设完成后再进行上跨公路隧道修建。下方铁路隧道采用全断面法钻爆施工,循环进尺1～2 m;为了减小爆破对既有隧道的影响,上跨公路隧道采用悬臂掘进机非爆开挖,进尺控制在2 m以内。本模型计算按照初始地应力平衡(步序1)→渝黔线铁路隧道修建(步序2)→渝黔线铁路隧道二衬施作(步序3)→水江隧道修建(步序4)→水江隧道二衬施作(步序5)→提取计算结果(步序6)的步骤进行。

2.3 模型参数

下方铁路隧道初支采用25 cm厚C25喷射混凝土,钢拱架采用I18型钢@0.8 m;上方公路隧道采用20 cm厚C25喷射混凝土,钢拱架采用I18型钢@0.8 m。模型计算时,将钢拱架力学参数通过式(1)[9]等效换算到初喷混凝土中,采用MIDAS中内置的板单元进行初支的模拟,对于隧道衬砌及路基结构采用实体单元。

E=E0+SdEd/S0

(1)

式中:E为初支弹模;E0为混凝土弹模;Ed为钢拱架弹模;Sd为钢拱架截面积;S0为混凝土截面积。

根据地勘资料,交叉段围岩主要为灰岩和白云岩,围岩等级主要为IV级,围岩参数结合《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)综合取值,具体如表1所示。

表1 隧道围岩力学特性及支护参数

3 地层结构模型分析

3.1 衬砌结构受力分析

MIDAS中结构受力以受拉为正,受压为负,故而结构最大主应力为拉应力,最小主应力为压应力。为进一步分析上跨隧道开挖对下方隧道围岩变形的影响,取计算步序3、步序5对应衬砌结构受力分析,并选取公路隧道正上跨铁路隧道断面,两阶段衬砌受力云图如图4、图5所示。

图4 计算步序3衬砌主应力云图(单位:kPa)

图5 计算步序5衬砌主应力云图(单位:kPa)

如图4、图5所示,公路隧道建设前,衬砌结构受压规律表现为拱脚>边墙>拱腰>拱顶>仰拱,拱脚处最大压应力为3.085 MPa;衬砌结构受拉规律表现为仰拱>拱顶>拱脚,仰拱处最大拉应力为0.647 MPa。公路隧道建设后,衬砌结构受压规律仍表现为拱脚>边墙>拱腰>拱顶>仰拱,拱脚处最大压应力为6.179 MPa;衬砌结构受拉规律仍表现为仰拱>拱顶>拱脚,仰拱处最大拉应力为1.005 MPa。

公路隧道建设前后,下方铁路隧道结构受力规律虽未发生改变,但公路隧道的修建导致下方铁路隧道上方土体大量卸荷,破坏了原有的承载拱效应,围岩应力重分布,受荷模式的改变导致既有隧道结构应力增加。钢筋混凝土结构为受压构件,相较于受压,衬砌受拉越大越危险,公路隧道建设后,既有隧道衬砌结构最大受拉增加0.358 MPa,位于隧道仰拱处,公路隧道的修建对既有隧道仰拱截面最为不利,但结构所受最大拉压应力均小于结构承载能力限值,结构安全。

3.2 隧道围岩变形分析

MIDAS中围岩及结构变形以同坐标轴相同方向为正,故而沉降变形为负,隆起变形为正。为进一步分析公路隧道施工对隧道围岩变形的影响,取计算步序3、步序5对应围岩变形进行分析,同时为了更加直观反映出公路隧道建设前后围岩的变形特征,通过切片方式取公路隧道上跨铁路隧道断面处进行分析,两阶段围岩竖向变形云图如图6所示。

图6 围岩变形云图(单位:mm)

从图6可知,公路隧道建设前,铁路隧道围岩竖向变形规律表现为拱脚、仰拱发生隆起变形,拱顶、拱腰、边墙发生沉降变形,隆起变形量表现为仰拱>拱脚,沉降变形量表现为拱顶>拱腰>边墙,相较之下,围岩变形由仰拱隆起变形控制,最大变形量位于仰拱处,值为2.440 mm;公路隧道建设后,铁路隧道围岩竖向变形规律表现为边墙、拱脚、仰拱发生隆起变形,拱顶、拱腰发生沉降变形,隆起变形量表现为仰拱>拱脚>边墙,沉降变形量表现为拱顶>拱腰,相较之下,围岩变形仍由仰拱隆起变形控制,最大变形量位于仰拱处,值为3.613 mm。

上方土体大量开挖卸荷,导致下方既有铁路隧道发生整体隆起变形,隆起变形最大增量位于隧道仰拱处,新建隧道建设前后既有隧道仰拱变形差值为1.173 mm。

3.3 现场监测数据对比分析

由地层结构数值模型计算结果可知,公路隧道施工对下方铁路隧道产生的主要影响表现为引起结构隆起变形,为验证数值计算的合理性,采取现场实时监测的手段进行验证,两者交叉处既有隧道围岩最终变形稳定值如图7所示。

图7 衬砌结构变形计算与测试结果(单位:mm)

从图7中可以看出,监测值与模拟值的变化规律相同,实际拱顶累计变形为-2.367 mm,计算值为-2.133 mm,相对误差为9.8%,拱腰、边墙处相对误差更小,说明采用有限元模拟公路隧道上跨铁路隧道施工,能较好的反映工程实际。

4 荷载结构模型分析

为分析上跨隧道修建后既有隧道结构拉压应力变化规律,地层结构法中采用三维实体单元模拟二衬结构,可通过结构拉压应力云图直观分析,但因此无法反映结构弯矩、轴力等内力云图,故采用荷载结构模型进行补充分析。由于公路隧道大角度上跨既有隧道,故将两者净距视为交叉断面处既有隧道埋深进行保守计算。

根据隧道开挖跨度和《铁路隧道设计规范》可算出既有铁路隧道深浅埋分界线为17.37 m。公路隧道修建前,交叉段处铁路隧道埋深约60 m,隧道埋深状态为深埋隧道;公路隧道修建后,铁路隧道埋深约15 m,隧道埋深状态为浅埋隧道。

考虑公路隧道修建前,铁路隧道荷载主要为围岩压力;公路隧道修建后,铁路隧道受荷主要为围岩压力、上跨隧道结构自重及隧道运营期的车辆荷载(考虑为20 kPa),荷载计算结果如表2所示。

表2 公路隧道修建前后下方铁路隧道二衬荷载

根据《铁路隧道设计规范》,IV级围岩弹抗取为K=350 MPa/m。公路隧道修建前,铁路隧道衬砌结构内力云图如图8所示。

图8 公路隧道修建前隧道衬砌结构内力

由此可计算出公路隧道前,下方铁路隧道衬砌结构安全系数,具体如表3所示。

表3 隧道修建前结构验算

公路隧道修建后,铁路隧道衬砌结构内力云图如图9所示。

图9 公路隧道修建后隧道衬砌结构内力

由此,可计算出公路隧道修建后下方铁路隧道衬砌结构安全系数,具体如表4所示。

表4 隧道修建后结构验算

综上,公路隧道修建前,下方铁路隧道衬砌结构最不利截面位于拱顶处,最小安全系数为7.05;公路隧道修建后,下方铁路隧道衬砌结构最不利截面仍位于拱顶处,最小安全系数为4.73,公路隧道的修建对下方铁路隧道有一定影响,但仍在安全可控范围内。

5 结论

(1)公路隧道修建前后下方既有铁路隧道结构受力规律未发生改变,但新建隧道的施工破坏了既有隧道的承载拱效应,导致结构受力增加,仰拱处拉应力增加最大,值为1.005 MPa。

(2)上方土体的大量开挖卸荷导致下方既有隧道结构整体上浮,相较而言,下方既有隧道仰拱隆起变形最大,变形增量为1.173 mm。

(3)公路隧道修建前后,下方铁路隧道衬砌结构最小安全系数分别为7.05、4.73,说明公路隧道的修建对下方铁路隧道有一定影响,但仍在安全可控范围内。