宋博涵 崔光耀 謝 優(yōu) 余君宇 葛 婧

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展、交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，全國(guó)鐵路線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到13.9萬(wàn)km以上[1]。因鐵路線(xiàn)路如織網(wǎng)般附著于大地，同時(shí)多受山地復(fù)雜條件的困擾，新建隧道下穿既有鐵路的情況時(shí)有發(fā)生。在新建隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中，保證下穿既有鐵路安全運(yùn)營(yíng)是問(wèn)題的關(guān)鍵。因此，對(duì)新建隧道下穿既有鐵路展開(kāi)相關(guān)研究具有一定意義。

1 研究綜述

目前，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)新建隧道下穿鐵路進(jìn)行了相關(guān)研究。唐志輝[2]依托南寧地鐵4號(hào)線(xiàn)，提出基于強(qiáng)度折減系數(shù)法對(duì)下穿鐵路隧道進(jìn)行加固優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能有效地控制鐵路線(xiàn)路的沉降；沈亞成[3]依托南京地鐵4號(hào)線(xiàn)下穿既有鐵路路基工程提出了對(duì)新建隧道在開(kāi)挖前采用管棚、小導(dǎo)管以及錨桿等措施對(duì)圍巖進(jìn)行超前加固，能夠減小下穿鐵路路基及鐵道的沉降；謝浩[4]依托滬通鐵路安亭下行疏解線(xiàn)下穿運(yùn)營(yíng)京滬高鐵工程，利用有限差分軟件對(duì)淺層加固、CFG樁加固、鉆孔樁+筏板加固等加固措施進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及對(duì)周?chē)h(huán)境影響綜合考慮，鉆孔樁+筏板加固方案更適合該工程；彭彤[5]依托福州地鐵1號(hào)線(xiàn)下穿福州車(chē)站工程，采用數(shù)值模擬分析的方法并參考大量實(shí)際工程量測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)黏性土層以及砂卵石土層的路基提出沉降變形標(biāo)準(zhǔn)。礦山法作為傳統(tǒng)的施工方法多用于山嶺隧道開(kāi)挖。在施工過(guò)程中，既不影響周?chē)翆迎h(huán)境的破壞又不耽誤施工進(jìn)程，所以合理的爆破施工控制技術(shù)是該工法研究的關(guān)鍵[6-8]。鄧祥輝等[9]依托實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盧文波等[10]提出的多孔起爆時(shí)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的公式進(jìn)行修正，并驗(yàn)證修正公式的合理性；為確保既有構(gòu)筑物的沉降在安全范圍內(nèi)，趙寶珠[11]對(duì)淺埋大斷面鉆爆法施工提出了先局部加固、再減振、最后再加固的施作措施，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)沉降數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該措施的安全性；爆破開(kāi)挖的過(guò)程中地表會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)效應(yīng)，陳士海等[12]利用保角映射將隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表振動(dòng)規(guī)律轉(zhuǎn)化成半空間內(nèi)球形藥包引發(fā)的地表振動(dòng)效應(yīng)，提出了爆破開(kāi)挖時(shí)可參考的地表振動(dòng)計(jì)算公式。

2 工程概況

綜上所述，開(kāi)展新建隧道對(duì)下穿既有鐵路安全影響的相關(guān)研究極為重要。本文對(duì)莊寨水庫(kù)至碧色寨引水連通工程中，新建隧道下穿昆河鐵路工程3處爆破開(kāi)挖施工段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證其安全性并提出施工建議。

2.1 地質(zhì)條件

該工程區(qū)位于云南高原南緣山區(qū)，地處“康滇緬歹字型構(gòu)造”中段東支與云南“山”字型構(gòu)造前沿弧頂緣的銜接帶上，為中等—淺切割中山山地高原地貌。測(cè)區(qū)內(nèi)主要由巖溶化山地地貌、巖溶斷陷盆地地貌和構(gòu)造剝蝕山地地貌3種類(lèi)型組成。

2.2 新建隧洞與既有鐵路相對(duì)位置關(guān)系

該工程共有3處位置下穿既有昆河鐵路，對(duì)應(yīng)隧洞里程數(shù)分別為K0+109.7(昆河鐵路K311+230)圍巖等級(jí)Ⅴ級(jí)、K2+290.1(昆河鐵路K308+120)圍巖等級(jí)Ⅴ級(jí)、K4+036.2(昆河鐵路K305+360)圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)，新建隧洞下穿既有鐵路豎向間距分別為15.68 m，76.37 m，24.82 m，穿越角度分別為67°，47°和83°。新建隧洞與既有鐵路位置關(guān)系如圖1所示。

(a)K0+109.7處下穿位置圖(b)K2+290.1處下穿位置圖(c)K4+036.2處下穿位置圖

3 研究情況

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)埋深條件與隧道鐵路的相對(duì)位置，分別建立K0+109.7段、K2+290.1段及K4+036.2段數(shù)值模型，依據(jù)圣維南原理，建模時(shí)為了避免邊界效應(yīng)，整個(gè)模型寬度取≥5倍隧道洞徑，沿隧洞縱向30 m范圍建立三維模型。計(jì)算模型的邊界條件為四周以及下邊界全約束，上邊界無(wú)約束。各工段計(jì)算模型如圖2～圖4所示。

(a)隧道下穿鐵路模型圖(b)鐵路隧道相對(duì)位置

(a)隧道下穿鐵路模型圖(b)鐵路隧道相對(duì)位置

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)實(shí)際地勘資料，模型的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

根據(jù)新奧法施工所強(qiáng)調(diào)的“超前探測(cè)，超前支護(hù)，短進(jìn)尺、控爆破、少擾動(dòng)，早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的工藝要旨，隧洞開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺按2.0 m計(jì)算。首先計(jì)算初始地應(yīng)力，保留計(jì)算所得的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)將位移歸0，以此作為隧洞施工前的初始狀態(tài)。此后，在模型縱向方向30 m范圍內(nèi)，每2 m進(jìn)行1次爆破，直至隧道貫通，共計(jì)15次爆破循環(huán)。模擬爆破施工圖如圖5所示。

圖5 模擬爆破施工圖

由圖5可見(jiàn)，第8次爆破循環(huán)時(shí)，隧洞開(kāi)挖至鐵路線(xiàn)正下方，此時(shí)為施工階段最不利工況。以最不利工況和其前后2次循環(huán)以及施工完成為例進(jìn)行重點(diǎn)分析，其工況序號(hào)及對(duì)應(yīng)階段如表2所示。

3.4 動(dòng)力參數(shù)

采用常規(guī)動(dòng)力加載方式，將3個(gè)方向(X，Y，Z)的振動(dòng)波同時(shí)施加至掌子面，以達(dá)到爆破開(kāi)挖的效果，單次爆破的持續(xù)時(shí)間為2 s。以Z向?yàn)槔?，處理后的振?dòng)波加速度時(shí)程曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 爆破波Z方向加速度時(shí)程曲線(xiàn)

4 鐵路線(xiàn)變形計(jì)算結(jié)果分析

分別提取模擬爆破過(guò)程中施工最不利工況(即工況8)K0+109.7，K2+290.1及K4+036.2段鐵路線(xiàn)變形云圖，如圖7～圖9所示。

(a)X向鐵路變形云圖(b)Y向鐵路變形云圖(c)Z向鐵路變形云圖

(a)X向鐵路變形云圖(b)Y向鐵路變形云圖(c)Z向鐵路變形云圖

(a)X向鐵路變形云圖(b)Y向鐵路變形云圖(c)Z向鐵路變形云圖

由位移云圖提取鐵路結(jié)構(gòu)的沉降及水平位移數(shù)值，其中，水平位移由式(1)計(jì)算：

(1)

式(1)中，c為既有鐵路水平位移，mm；a為既有鐵路X向位移，mm；b為既有鐵路Y向位移，mm。

由圖6～圖8可知，K0+109.7段在本次爆破施工完成后，鐵路豎直方向的最大位移41.2 mm；提取鐵路各點(diǎn)X、Y方向位移值，并根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算可得，鐵路水平方向的最大位移為9.7 mm。K2+290.1段在本次爆破施工完成后，鐵路豎直方向的最大位移3.04 mm；提取鐵路各點(diǎn)X,Y方向位移值，并根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算可得，鐵路水平方向的最大位移為1.38 mm。K4+036.2段在本次爆破施工完成后，鐵路豎直方向的最大位移35.6 mm；提取鐵路各點(diǎn)X,Y方向位移值，并根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算可得，鐵路水平方向的最大位移為6.2 mm。根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》及鐵路管理部門(mén)頒布的控制標(biāo)準(zhǔn)，并參考國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，考慮到施工等綜合原因，確定鐵路線(xiàn)路變形控制指標(biāo)為鐵路軌道水平、沉降均不能超過(guò)4 mm。由此可見(jiàn)，在K0+109.7段及K4+036.2段施工完成后，變形鐵路軌道沉降變形及水平變形均大于4 mm，即此時(shí)爆破過(guò)程對(duì)既有鐵路安全已造成影響，不符合規(guī)范及鐵路管理部門(mén)頒布的控制標(biāo)準(zhǔn)。為了更好地了解K0+109.7段、K2+290.1段、K4+036.2段在模擬爆破過(guò)程中對(duì)既有鐵路的影響，將爆破開(kāi)挖過(guò)程中既有昆河鐵路豎向及水平位移變形匯總于表3，并以K0+109.7段為例，制作爆破開(kāi)挖趨勢(shì)圖，如圖10所示。

由表3可知，在爆破開(kāi)挖的全過(guò)程中，隨著爆破循環(huán)開(kāi)挖的持續(xù)進(jìn)行，至鐵路垂直中心時(shí)，鐵路豎向位移及橫向位移均呈遞增趨勢(shì),后隨著爆破的結(jié)束變形量相應(yīng)地減小。K0+109.7段以及K4+036.2段在爆破施工過(guò)程中，每一次爆破都對(duì)周?chē)馏w及既有鐵路有較大的影響，變形均大于控制標(biāo)準(zhǔn)4 mm，不符合規(guī)范要求，不建議直接爆破施工。K2+290.1段在爆破開(kāi)挖的全過(guò)程中，既有鐵路變形較小，在控制標(biāo)準(zhǔn)4 mm以?xún)?nèi)，未對(duì)既有鐵路造成安全性影響。

5 結(jié)論

本文依托莊寨水庫(kù)至碧色寨引水連通工程對(duì)新建隧道下穿既有昆河鐵路K0+109.7段、K2+290.1段、K4+036.2段進(jìn)行爆破施工數(shù)值模擬分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，參考既有鐵路的變形結(jié)果，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行安全影響分析，結(jié)論如下：

(1)隧洞里程K0+109.7(與昆河鐵路相交K311+230)與K4+036.2(與昆河鐵路相交K305+360)處，新建隧洞與既有鐵路豎向間距分別為15.68 m、24.82m，此處隧洞埋深較淺，圍巖應(yīng)采取一定的加固措施，施工斷面應(yīng)采取非爆破開(kāi)挖，減小掌子面開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)、減小塑性松動(dòng)圈，支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)，保證圍巖穩(wěn)定，從而保證鐵路安全運(yùn)行。

(2)隧洞里程K2+290.1(與昆河鐵路相交K308+120)處，新建隧洞與既有鐵路豎向間距為76.37 m，此處隧洞埋深稍深，圍巖應(yīng)采取一定的加固措施，施工斷面應(yīng)采取控制爆破，保障開(kāi)挖部位圍巖穩(wěn)定，遵循“短進(jìn)尺、控爆破、少擾動(dòng)，早封閉、強(qiáng)支護(hù)”的開(kāi)挖原則，確保隧洞施工對(duì)上部鐵路運(yùn)營(yíng)不造成不利影響。