馬澤軍 劉春陽

(1.天津市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300050;2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300457)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求不斷增加。受地形、地質(zhì)條件的限制，常常會(huì)出現(xiàn)兩條隧道線路并行或交叉的問題，如既有隧道旁修建新隧道，新建隧道上跨或下穿既有隧道等［1-3］。本文應(yīng)用有限元計(jì)算軟件MIDAS-GTS，分析新建隧道施工時(shí)，對(duì)既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響，判斷既有隧道是否存在破壞區(qū)及存在的位置和范圍，并對(duì)既有隧道進(jìn)行安全使用性評(píng)估。

1 概述

1)工程概況。新彩隧道段上跨廈深鐵路梅林隧道，交角約31°。新彩隧道開挖跨度16.848 m，開挖高度11.21 m;梅林隧道開挖跨度14.8 m，開挖高度12.74 m。隧道開挖底面距梅林隧道拱頂開挖線2.85 m～4.76 m。新彩隧道雙線并行，為淺埋段，覆土約為10.0 m～15.0 m。場(chǎng)地主要地層為人工雜填土，人工雜填土層厚度約為20 m～29 m，呈稍密狀，主要由塊石等組成(粒徑0.2 m～1.2 m)，含量約60% ～70%，其他由粘性土以及礫石等充填。地表植被發(fā)育，未見地下水。2)隧道北口段擬用施工方法。根據(jù)新建隧道場(chǎng)地的地勘結(jié)果，對(duì)新建隧道的施工方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文擬采用明挖暗埋法進(jìn)行新彩隧道的施工。梅林隧道在施工時(shí)采用了帷幕注漿方式全斷面注漿加固。為了減少挖方，保持原有生態(tài)風(fēng)貌，不破壞既有隧道的支護(hù)體系，新建隧道此段范圍內(nèi)加厚底板;同時(shí)，交叉段前后影響范圍內(nèi)采用φ50小導(dǎo)管地基注漿加固。為了降低土方量，減少對(duì)原狀山體的破壞，同時(shí)為了降低對(duì)梅林隧道的卸載作用，隧道分三級(jí)開挖，每級(jí)邊坡的坡度從上往下依次為1∶1，1∶0.75 和1∶0.5;邊坡防護(hù)采用噴混 +鋼筋網(wǎng) + 錨桿的防護(hù)手段，邊坡防護(hù)錨桿采用梅花形設(shè)置，間距1.2 m ×1.2 m。

2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

1)隧道模型。按照新彩隧道地區(qū)地形、地質(zhì)圖確定模型計(jì)算尺寸，如圖1所示。2)模型計(jì)算參數(shù)。圍巖按Ⅵ級(jí)圍巖計(jì)算，計(jì)算參數(shù)參照新建隧道地勘報(bào)告與JTG D70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范選取。3)列車荷載。通過對(duì)有限元模型施加均布荷載來模擬新彩隧道運(yùn)營的車輛活荷載。新彩隧道的道路性質(zhì)為城市Ⅰ級(jí)主干路;車道數(shù)目為三車道。按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)規(guī)定，汽車荷載近似按汽車—超20級(jí)考慮，計(jì)算得到的汽車均布荷載為15.7 kN/m，如圖2所示。4)施工過程的模擬。新彩隧道的實(shí)際施工步驟如下:a.先開挖左線隧道一級(jí)、二級(jí)及三級(jí)邊坡，并施作邊坡支護(hù)，右線邊坡開挖順序與左線開挖順序相同;b.左線隧道三級(jí)邊坡開挖完工后，施工左線襯砌，10 m為一段;c.施工右線隧道襯砌50 m，一次回填約50 m左線隧道和右線隧道三級(jí)邊坡;d.施工右線隧道襯砌100 m;e.回填左線隧道和右線隧道三級(jí)邊坡50 m;f.新彩隧道投入運(yùn)營。按照上述開挖順序，一共有36個(gè)施工步，GTS模型中隧道施工的主要施工步的施工模擬如圖3所示。

圖1 隧道模型網(wǎng)格圖

圖2 新彩隧道荷載

圖3 典型施工步驟

3 計(jì)算結(jié)果及分析

1)梅林隧道豎向變形研究。為了模擬隧道開挖對(duì)既有隧道內(nèi)力及位移的影響，從36個(gè)施工步中選取了8個(gè)典型的施工步進(jìn)行研究，具體為:a.左線隧道三級(jí)邊坡開挖10 m;b.左線隧道三級(jí)邊坡開挖30 m;c.左線隧道三級(jí)邊坡開挖50 m;d.右線隧道三級(jí)邊坡開挖70 m;e.右線隧道三級(jí)邊坡開挖80 m;f.右線隧道三級(jí)邊坡開挖100 m;g.回填至一級(jí)邊坡;h.新彩隧道投入運(yùn)營。以既有梅林隧道的拱頂位置為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各施工階段引起的拱頂最大位移值如表1所示。

表1 拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大豎向位移

從拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線中發(fā)現(xiàn):隧道開挖前，最大縱向位移斷面隨著左線隧道的開挖逐漸向掌子面前方移動(dòng);右洞開挖對(duì)掌子面前方既有隧道影響較大，使掌子面前方既有隧道豎向位移逐漸增大;最大縱向位移斷面主要出現(xiàn)在交叉段附近。新建新彩隧道左線與既有梅林隧道交叉處為y=27.2 m截面，取既有隧道深度為27.2 m處的拱頂中心點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪出該點(diǎn)隨施工步推進(jìn)變化的變形曲線，如圖4所示。

圖4 特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線圖

從圖4可以看出，施工初期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距新建隧道開挖距離較遠(yuǎn)時(shí)，此處的節(jié)點(diǎn)變形量較小，27.2 m處的位移約為2.5 mm;隨著新建隧道的開挖斷面靠近既有的隧道，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的變形加快，當(dāng)開挖斷面位于正上方時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn);隨著新建隧道的開挖斷面遠(yuǎn)離既有的隧道，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處變形變慢，縱向位移最大值為9.2 mm;在回填邊坡后，既有隧道位移迅速變小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的位移最終穩(wěn)定在2.55 mm;在新彩隧道投入運(yùn)營以后，隨著車輛荷載的施加，既有隧道的隆起量略有回落，降低為2.21 mm。盾構(gòu)隧道要求更為嚴(yán)格，最大隆起不超過10 mm，隧道曲率半徑必須大于15 000 m，相對(duì)變形必須小于1/2 500。在此選取曲率半徑15 000 m及豎向變形量15 mm作為安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。由既有隧道的拱頂點(diǎn)監(jiān)測(cè)變形曲線可以得出，當(dāng)右線三級(jí)邊坡開挖80 m，既有隧道縱向43.3 m處出現(xiàn)最大豎向變形，為9.88 mm;當(dāng)回填至一級(jí)邊坡后，既有隧道縱向27.2 m處出現(xiàn)最小曲率半徑，為32 800 m;當(dāng)新彩隧道開始運(yùn)營時(shí)，既有隧道縱向28.9 m處出現(xiàn)最小曲率半徑，為33 605 m。在新彩隧道的施工及運(yùn)營階段，既有隧道的最小豎向變形量為9.88 mm，小于15 mm;既有隧道的最小曲率半徑為32 800 m，大于15 000 m，因此，既有隧道能夠滿足安全要求。

2)梅林隧道結(jié)構(gòu)安全性檢算。采用破損階段法對(duì)新彩隧道施工過程中最不利階段進(jìn)行安全性評(píng)估驗(yàn)算，其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)限制見表2。從表3及表4可以看出，在新彩隧道的施工及運(yùn)營階段，既有梅林隧道各截面安全系數(shù)滿足要求。

表2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

表3 施工階段襯砌結(jié)構(gòu)受力

表4 運(yùn)營階段襯砌結(jié)構(gòu)受力

4 結(jié)語

新建新彩隧道在施工及運(yùn)營階段雖然會(huì)對(duì)既有梅林隧道的受力產(chǎn)生影響，但既有鐵路隧道的襯砌截面應(yīng)力安全系數(shù)及結(jié)構(gòu)位移變化仍能滿足規(guī)范要求，不影響既有隧道的運(yùn)營安全。

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