朱永全 朱正國 王道遠(yuǎn) 方智淳

(石家莊鐵道大學(xué)， 石家莊 050043)

鐵路工程建設(shè)中常常會(huì)遇到新建鐵路與既有鐵路、公路、房屋、管線等在空間位置上的交叉、重疊等問題[1-4]。大量的工程實(shí)踐證明，在處理這種問題時(shí)，采用隧道下穿的形式具有明顯的優(yōu)勢(shì)，既能減少對(duì)土地資源的占用和對(duì)環(huán)境的破壞，又能減小對(duì)既有線路交通的干擾。但在隧道下穿施工過程中，不可避免地會(huì)造成上部既有結(jié)構(gòu)物發(fā)生不同程度的沉降變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生塌陷，威脅既有結(jié)構(gòu)物安全。因此，研究新建隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物的變形規(guī)律、相互作用機(jī)理，從而總結(jié)隧道下穿施工變形控制基準(zhǔn)和方法十分重要[5-9]。

國內(nèi)外專家學(xué)者在隧道下穿施工變形控制的研究上取得了不少成果。如朱正國等人[10]利用數(shù)值模擬和公式回歸擬合分析的方法，得到沉降槽寬度系數(shù)與埋深的關(guān)系，考慮鐵路不同等級(jí)的要求，推導(dǎo)出隧道下穿既有線的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)式，并對(duì)國內(nèi)部分隧道沉降控制基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合度較好。婁國沖[11]對(duì)隧道下穿鐵路工程的沉降標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。趙智濤等人[12]建立了結(jié)構(gòu)-地層-管線三維模型，計(jì)算分析了隧道開挖過程中管線所處地層的沉降變形規(guī)律，并結(jié)合地表沉降實(shí)測(cè)值和經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明管線對(duì)地層具有抵制作用。

但截止目前，對(duì)具體施工方法下，考慮流固耦合作用的研究還鮮為少見，因此，本文著重對(duì)隧道箱涵頂進(jìn)法下穿車站的流固耦合作用進(jìn)行分析。

1 隧道下穿車站變形控制基準(zhǔn)研究

1.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)制定原則

(1)安全、科學(xué)、適用原則

隧道下穿車站工程安全問題主要涉及兩方面的內(nèi)容，一是鐵路的安全運(yùn)營，二是隧道的安全施工。在整個(gè)工程進(jìn)程中，涉及的行業(yè)和部門較多，因此，在制定控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮安全保障、工程所涉及的相關(guān)行業(yè)和部門的標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)場施工條件，根據(jù)計(jì)算、論證、現(xiàn)場監(jiān)測(cè)結(jié)果等科學(xué)地制定施工方案，在充分保障安全的前提下，適當(dāng)控制經(jīng)濟(jì)成本。

(2)“分區(qū)、分步、分級(jí)”原則

參照TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合路基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分不同模型進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行判定，即可將變形進(jìn)行分區(qū)控制。車站變形控制指標(biāo)主要包括沉降、隆起和差異沉降，在現(xiàn)場施工中，為對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控和有效控制，須考慮隧道開挖每一典型施工步對(duì)變形的影響，制定對(duì)應(yīng)的分步控制指標(biāo)，即可將變形進(jìn)行分步控制。為更加詳細(xì)和安全地控制變形，在不同環(huán)境下，還需將控制標(biāo)準(zhǔn)做相應(yīng)的分級(jí)。在控制值的基礎(chǔ)上增加預(yù)警值和報(bào)警值，預(yù)警值是準(zhǔn)備采取措施的警示值，一般是控制值的60%；報(bào)警值是需要采取一定措施的提示值，一般是控制值的80%。通過對(duì)變形控制標(biāo)準(zhǔn)值詳細(xì)實(shí)行分級(jí)管控，可更好地對(duì)工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。

1.2 隧道下穿控制指標(biāo)研究

車站自身的承載力和下穿施工對(duì)其造成的沉降影響需綜合考慮諸多因素，這使得隧道下穿車站變形控制變得相對(duì)復(fù)雜。因此需尋求一些關(guān)鍵指標(biāo)，以其變化來代表隧道施工的變形情況。在選取下穿既有車站施工變形控制指標(biāo)時(shí)，主要應(yīng)考慮兩個(gè)方面的問題：一方面指標(biāo)須反映車站的安全狀態(tài)，可用地層最大地表沉降值來代表；另一方面指標(biāo)要反應(yīng)隧道施工過程中，隧道自身的安全穩(wěn)定性，考慮到實(shí)際降水的作用，可選擇監(jiān)測(cè)面處的拱頂沉降及水平收斂值作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，箱涵頂進(jìn)法下隧道下穿車站的變形控制指標(biāo)，如表1所示。

表1 隧道下穿站場變形控制指標(biāo)

2 下穿車站隧道箱涵頂進(jìn)法流固耦合分析

2.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

采用有限元軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析，考慮圍巖的滲流場和應(yīng)力場的兩場耦合作用。模型在X、Y、Z三個(gè)方向上的尺寸為124 m×40 m×50 m。除上部邊界外，模型其余5個(gè)方向的邊界均約束其法向位移，同時(shí)將列車荷載等效作用在地表上層。在進(jìn)行箱涵頂進(jìn)前需要對(duì)箱涵的周圍進(jìn)行管幕加固，加固管幕直徑為300 mm。

在建模過程中，通過把圍巖土體的物理力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換為箱涵結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)箱涵頂進(jìn)過程的模擬，管幕及箱涵參數(shù)表，如表2所示。

表2 材料參數(shù)表

在箱涵頂進(jìn)過程的模擬計(jì)算中，將圍巖的材料設(shè)置為理想的彈塑性材料，其整體服從摩爾庫倫定律。施工階段模擬了非耦合作用和耦合作用兩種方案。

(1)非耦合作用方案

在施工過程中直接進(jìn)行降水，觀察由降水帶來的地表沉降，不考慮流固耦合的作用，采用箱涵頂進(jìn)施工方法，施做帷幕注漿加固圈，頂進(jìn)完畢后進(jìn)行全斷面開挖。

(2)耦合作用方案

開挖方法支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇及物理力學(xué)參數(shù)同非耦合作用方案，但在施工過程中不進(jìn)行降水，且考慮流固耦合的作用。

2.2 地表沉降分析

地表沉降規(guī)律通過地表沉降槽曲線來反映。對(duì)地表沉降槽曲線進(jìn)行分析有助于在實(shí)際工程施工中對(duì)加固措施進(jìn)行改進(jìn)，從而減少地層沉降，確保工程安全有效地實(shí)施。對(duì)箱涵頂進(jìn)法進(jìn)行非耦合和耦合作用下的模擬分析，得到地表沉降槽曲線，如圖1所示。

圖1 箱涵頂進(jìn)下地表沉降曲線圖

由圖1可以看出，箱涵頂進(jìn)施工時(shí)，耦合與非耦合作用下的地表沉降整體趨勢(shì)相似，中線位置處的地表沉降最大，距離Z坐標(biāo)軸越遠(yuǎn)，其地表沉降也越小。雖然耦合與非耦合作用下地表沉降趨勢(shì)相似，但在數(shù)值上卻存在明顯差異，耦合作用下地表沉降最大值為12.5 mm，而非耦合作用下地表最大沉降值僅為6.6 mm。

2.3 拱頂沉降分析

箱涵頂進(jìn)法耦合與非耦合作用下，左側(cè)隧道監(jiān)測(cè)面處的拱頂沉降曲線如圖2所示。

圖2 左側(cè)隧道拱頂沉降曲線圖

由圖2可以看出，左側(cè)隧道耦合作用下箱涵頂進(jìn)法造成的拱頂沉降與非耦合作用下的拱頂沉降趨勢(shì)不同，但兩者互有交集。開挖前20步，非耦合作用在隧道監(jiān)測(cè)面處產(chǎn)生的拱頂沉降值小于非耦合作用，開挖20步后，耦合作用造成的隧道拱頂沉降迅速增長，遠(yuǎn)大于相同開挖步非耦合作用產(chǎn)生的拱頂沉降。開挖40步后，耦合作用與非耦合作用在隧道拱頂處產(chǎn)生的沉降增長趨勢(shì)變緩，并逐漸趨于穩(wěn)定，但兩者沉降數(shù)值差異較大，耦合作用下的最終沉降值約為14 mm，非耦合作用下的最終沉降值約為6 mm。

2.4 水平收斂分析

箱涵頂進(jìn)法耦合作用與非耦合作用下左側(cè)隧道監(jiān)測(cè)面處水平收斂曲線如圖3所示。

圖3 左側(cè)隧道水平收斂曲線圖

由圖3可以看出，耦合作用與非耦合作用下，左側(cè)隧道監(jiān)測(cè)面處的水平收斂曲線變化趨勢(shì)不同，但兩者互有交集。開挖前30步，耦合作用下的隧道水平收斂值小于非耦合作用，開挖30步后，耦合作用下的隧道水平收斂迅速增長，并在開挖40步時(shí)達(dá)到峰值，并趨于穩(wěn)定，最大水平收斂值為9.3 mm。非耦合作用下隧道水平收斂增長較為平緩，同樣在開挖40步時(shí)達(dá)到最大水平收斂值，并逐漸趨于穩(wěn)定，最大水平收斂值為5.3 mm。

2.5 豎向位移分析

箱涵頂進(jìn)法耦合作用與非耦合作用下的豎向位移云圖，如圖4、圖5所示。

圖4 耦合豎向位移云圖

圖5 非耦合豎向位移云圖

由圖中可以看出，耦合作用與非耦合作用下隧道監(jiān)測(cè)面處的豎向位移云圖趨勢(shì)相同，均沿隧道中心線呈現(xiàn)對(duì)稱分布。耦合作用下，隧道最大豎向位移為15.3 mm，非耦合作用下隧道最大豎向位移為6.4 mm，兩者數(shù)值差距較大，達(dá)58.2%。

3 結(jié)論

(1)箱涵頂進(jìn)法隧道下穿車站過程中，可采用地層沉降、隧道監(jiān)測(cè)面處拱頂沉降、水平收斂以及豎向位移作為施工過程的變形控制指標(biāo)，本著安全、科學(xué)、適用及分區(qū)、分步、分級(jí)的原則進(jìn)行隧道施工組織設(shè)計(jì)。

(2)耦合作用與非耦合作用下的地表沉降及隧道豎向位移的變化趨勢(shì)相似，但耦合作用下的數(shù)值明顯大于非耦合作用。耦合作用下，地表最大沉降值為6.6 mm，最大豎向位移值為 6.4 mm；而非耦合作用下，地表最大沉降為12.5 mm，最大豎向位移值為15.3 mm。

(3)耦合作用與非耦合作用下，隧道監(jiān)測(cè)面處拱頂沉降及水平收斂趨勢(shì)不同，在剛開挖時(shí)，耦合作用下的拱頂沉降及水平收斂小于非耦合作用，隨著開挖的持續(xù)進(jìn)行，耦合作用下的拱頂沉降及水平收斂迅速增長，遠(yuǎn)大于相同情況下的非耦合作用工況。在開挖后期，耦合作用與非耦合作用的拱頂沉降區(qū)水平收斂均逐步趨于穩(wěn)定。