曹 淵，陳賢豐，張國偉，齊 軍，李德武△

（1.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司定西工務(wù)段，甘肅 定西 743000；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

由于受修建時設(shè)計規(guī)范和施工標(biāo)準(zhǔn)的限制，我國許多既有鐵路隧道在營運后不同程度地存在各種病害[1]。水是引起鐵路隧道諸多病害的根本誘因，新增泄水洞出現(xiàn)很多既有隧道滲漏水整治方案中，對于泄水洞開挖或者其他近鄰隧道合理間距也逐漸成為諸多學(xué)者關(guān)注的課題。其中王偉等[2]在有限元軟件基礎(chǔ)上結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，驗證雙線隧道間距建議值的合理性；劉路[3]考慮隧道與立交相鄰的影響因素，基于宏觀+微觀數(shù)學(xué)概率理論研究某公路隧道與立交的最小間距；宋偉超等[4]提出隧道合理間距以相近隧道塑性應(yīng)變區(qū)發(fā)生貫穿時的間距為準(zhǔn)，并借助有限元軟件加以輔證其可行性；趙志輝[5]建立計算模型結(jié)合機械效能確定泄水洞和隧道正洞的位置分布。

以上研究主要集中在對大斷面、機械施工鄰近鐵路隧道的合理間距進(jìn)行分析，而對于運營線路新增小斷面泄水隧洞的項目的合理間距研究相對較少。本研究依托松樹灣隧道新增泄水隧洞工程段，利用Midas GTS NX 建立泄水隧洞-隧道結(jié)構(gòu)模型，對隴海線松樹灣隧道修建泄水洞施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析泄水洞施工對正洞的位移及應(yīng)力響應(yīng)的影響，在此基礎(chǔ)上討論泄水洞距正洞不同距離對隧道斷面的受力變形影響程度大小，根據(jù)分析結(jié)果合理優(yōu)化設(shè)計方案，確定對正洞影響最小的泄水洞開挖距離。

1 工程概況

松樹灣隧道（k1588+836）全長2 224.3 m，海拔2 000 m，寬4.9 m，高6.55 m。隧址綜合特點表現(xiàn)為富含水，土體的穩(wěn)定性極差，巖土層理裂隙發(fā)達(dá)，不規(guī)則分布，屬于鐵路隧道中最軟弱、穩(wěn)定性最差的不良地層。其中松樹灣隧道K1588+413-414 前后滲漏水問題發(fā)展較快。經(jīng)由多方協(xié)商確定該段治理方案為增設(shè)泄水洞，可有效減輕該區(qū)段引排水系統(tǒng)系統(tǒng)排水壓力，但相比較于一般泄水洞本項目泄水洞屬于小斷面洞，并且全過程采用人工手持風(fēng)鎬鑿除圍巖，相比較爆破施工對圍巖的擾動性更小，由此需要進(jìn)行泄水洞開挖面與正洞截面合理距離的研究。

2 計算模型建立

2.1 模型材料參數(shù)

松樹灣隧道（1960 年建成）因其年代久遠(yuǎn)，受修建時勘探技術(shù)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的限制，其有效資料殘存尚不完善，本次計算根據(jù)參考文獻(xiàn)[6-7]關(guān)于既有松樹灣隧道復(fù)線的新松樹灣隧道設(shè)計施工資料，結(jié)合TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》確定模型材料物理參數(shù)（見表1）。Midas GTS NX 在數(shù)值模擬中巖土材料多采用換算指標(biāo)剪切模量G 與體積模量K，其換算關(guān)系見式（1）、式（2）。隧道二襯結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬。由于混凝土腐蝕、老化等原因，所以用模擬既有隧道襯砌時，襯砌混凝土厚度按折減10 cm 計算。泄水洞支護(hù)參數(shù)：C30 混凝土，支護(hù)厚度30 cm。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)表

式（1）、式（2）中：G-剪切模量；K-體積模量；ν-泊松比；E-彈性模量。

2.2 邊界條件確定

對于模型邊界條件的設(shè)定通常包括兩部分，即位移邊界和應(yīng)力邊界。本次模擬采用位移邊界條件，即：模型沿著隧道開挖方向前后面（x=-25 m；x=25 m）固定其縱向位移；模型水平方向左右面（z=-30 m；z=40 m）固定其水平位移；模型豎直方向下表面（y=-20 m）固定其豎向位移；模型豎直方向上表面為自由面，對其不進(jìn)行約束，可以自由變形。

2.3 有限元模型及施工工序

關(guān)于隧道數(shù)值模擬中，模型邊界范圍取值可根據(jù)圣維南原理，根據(jù)隧道跨度、高度選?。核淼赖膬舾邽?.55 m，凈寬為4.9 m；左側(cè)取距隧道左側(cè)最大跨37.55 m 的邊界、右側(cè)取距隧道右側(cè)最大跨37.55 m的邊界，上側(cè)邊界距拱頂50 m，下側(cè)邊界距隧道仰拱低30.45 m。正洞選用全斷面開挖法，開挖后一次施作二襯；泄水洞采用全斷面一次開挖，開挖后對拱頂、邊墻和底部施作混凝土支護(hù)。數(shù)值模擬中隧道開挖的應(yīng)力釋放系數(shù)取0.5。本次分析建立有限元模型及泄水洞位置如圖1 所示。

圖1 隧道正洞與泄水洞位置示意圖

3 泄水隧洞開挖面與正洞截面合理間距分析

日本《接近隧道施工對策指南》規(guī)定一般將近鄰隧道相互影響范圍分為3 個區(qū)間，其中無影響范圍為間距>2.5 D。借鑒該規(guī)定，本項目新增泄水洞（d=2.5 m、D=3.1 m），推斷泄水洞開挖面與正洞最安全的間距范圍為6.25～7.75 m。但相比較于一般泄水隧洞本項目泄水洞屬于小斷面隧洞，并且全過程采用人工手持風(fēng)鎬鑿除圍巖，相比較爆破施工對圍巖的擾動性更小，因此，本次研究將間距梯度依次取為4 m、5 m、6 m，討論泄水隧洞開挖面與正洞截面合理距離。

3.1 泄水隧洞開挖對既有襯砌結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力響應(yīng)分析

在既有鐵路隧道單側(cè)開挖泄水隧洞時，必然引起原有圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，隨之會導(dǎo)致圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布，對于既有松樹灣隧道素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為其受力模式的不同。以此通過對其最不利應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行分析有一定的必要性。針對三個不同間距工況，取泄水隧洞開挖前后的襯砌應(yīng)力響應(yīng)變化如圖2 所示，對不同間距下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

圖2 不同間距下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大軸向應(yīng)力云圖

由圖2 可知：①從應(yīng)力集中區(qū)域的分布來看，隨著泄水隧洞開挖面與正洞間距越大，既有隧道襯砌的最大軸向應(yīng)力響應(yīng)整體呈現(xiàn)下降的趨勢。但拱頂、仰拱的應(yīng)力響應(yīng)出現(xiàn)小幅度增大的趨勢，究其原因是在間距較小時，其塑性區(qū)范圍與正洞開挖后襯砌邊墻側(cè)塑性區(qū)發(fā)生重合，既有襯砌出現(xiàn)不利的影響相應(yīng)，隨著間距的增大，二者塑性區(qū)范圍重合區(qū)域逐漸減少，泄水洞施工對原襯砌結(jié)構(gòu)影響逐漸減小，但隨著兩者塑性區(qū)的分離，等價于整體塑性區(qū)面積增大，四周圍巖的松脹位移變大，垂直于開挖面方向的圍巖應(yīng)力變化較大，因而既有隧道襯砌拱頂、仰拱出現(xiàn)小幅的應(yīng)力增長現(xiàn)象；②無論間距怎么變化，最大應(yīng)力響應(yīng)表現(xiàn)為對既有隧道近鄰開挖一側(cè)的襯砌結(jié)構(gòu)影響最大，這與王起才等[8]研究結(jié)論相符。且最大應(yīng)力均出現(xiàn)在靠近開挖側(cè)的拱腳；③從應(yīng)力集中區(qū)域最大軸向應(yīng)力值來考慮，只有間距為6 m 時原襯砌結(jié)構(gòu)最大軸應(yīng)力值為7.98 MPa，其量值上處于可控范圍內(nèi)。

3.2 既有隧道開裂安全系數(shù)分析

當(dāng)泄水洞開挖面距隧道6 m 時，既有鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)力響應(yīng)符合強度標(biāo)準(zhǔn)要求，但松樹灣隧道既有襯砌結(jié)構(gòu)為素混凝土脆性材料，多年運營條件下其內(nèi)部可能存在裂隙，當(dāng)泄水隧洞開挖引起的受力模式改變時，襯砌表面易產(chǎn)生開裂病害；而且Griffith 認(rèn)為材料內(nèi)部裂縫在裂縫尖端容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)超過材料抗拉強度時，引發(fā)裂縫擴展，加劇材料的裂損降低其結(jié)構(gòu)承載力。因此，需要對既有襯砌結(jié)構(gòu)是否發(fā)生開裂進(jìn)行判定。

本次采用文獻(xiàn)[9]中定義的開裂安全系數(shù)Crack Factor（CF）作為混凝土開裂判定系數(shù)。此開裂安全系數(shù)由Griffith 準(zhǔn)則變形得到，當(dāng)CF＜1 時無開裂，當(dāng)CF＞1 時，襯砌結(jié)構(gòu)混凝土開裂。其計算公式為：

當(dāng)

式（3）、式（4）中：R 為混凝土的極限抗拉強度；σ1，σ3為最大、最小主應(yīng)力。

既有隧道二次襯砌為C20 素混凝土，根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，其極限抗拉強度Rt=1.7 MPa。采用式（3）和式（4）計算出既有隧道二襯結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)如圖3 所示。

圖3 既有襯砌截面開裂系數(shù)分布圖

由圖3 可知：①泄水洞開挖面距隧道6 m 時，既有隧洞襯砌截面CFmax=0.789<1，表明當(dāng)間距為6 m時泄水洞開挖不會引起既有襯砌表面開裂；②在靠近開挖側(cè)的拱腳、拱頂位置開裂安全系數(shù)較大，表明在既有隧道單側(cè)開挖泄水隧洞，引發(fā)圍巖應(yīng)力的重新調(diào)整形成新的應(yīng)力狀態(tài)過程會改變既有隧道的襯砌結(jié)構(gòu)受力模式，造成一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響襯砌結(jié)構(gòu)的強度穩(wěn)定性。

3.3 泄水隧洞開挖對既有襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響分析

圖4、圖5 為間距6 m 時泄水隧洞開挖下既有隧道的位移云圖及塑性區(qū)分布情況，對泄水隧洞開挖面與隧道間距6 m 工況進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性討論。

圖4 泄水洞開挖下既有襯砌結(jié)構(gòu)位移云圖

圖5 泄水洞施工后塑性區(qū)分布圖

由圖4 可以看出，泄水洞開挖下，既有隧道的變形趨勢為拱頂沉降、仰拱隆起的發(fā)展趨勢，但是其最大變形位移出現(xiàn)在仰拱為5.3 mm，變形在規(guī)定范圍之內(nèi)；由圖5 可以看出，泄水洞開挖后塑性區(qū)未與既有隧道圍巖塑性區(qū)相交，不會形成塑性區(qū)貫通而造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的情況。

4 結(jié)論

既有隧道單側(cè)新增泄水洞工程，泄水洞開挖面與正洞截面的間距直接影響既有隧道的運營穩(wěn)定性，對不同間距工況下泄水洞開挖對正洞的影響效應(yīng)進(jìn)行研究，選取合理的間隔。結(jié)論如下：

（1）泄水洞施工下既有襯砌應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律：既有隧道襯砌的最大軸向應(yīng)力響應(yīng)隨二者間距增大整體呈現(xiàn)下降的趨勢；最大應(yīng)力響應(yīng)表現(xiàn)為對既有隧道近鄰開挖一側(cè)的襯砌結(jié)構(gòu)影響最大；當(dāng)只有間距為6 m 時原襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)滿足強度穩(wěn)定性；

（2）當(dāng)泄水洞開挖面距隧道6 m 時，既有隧洞襯砌截面的最大開裂安全系數(shù)<1，不會引起既有襯砌表明開裂；

（3）當(dāng)泄水洞開挖面距隧道6 m 時，泄水洞施工下既有隧道的變形趨勢及塑性區(qū)分布符合穩(wěn)定性規(guī)定；

（4）綜上，從既有襯砌結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性影響效應(yīng)來看，間距為6 m 時符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定。后考慮到泄水洞潛孔施工作業(yè)空間的限制，其仰角不宜過大，最終選定設(shè)計泄水洞與正統(tǒng)連接通道長6.85 m（如圖6 所示）。但仍需注意對既有隧道襯砌靠近開挖側(cè)的拱腳、拱頂位置進(jìn)行及時的監(jiān)控量測，密切關(guān)注其應(yīng)力及變形情況，當(dāng)出現(xiàn)響應(yīng)異常值時需要采用必要的加固措施。

圖6 泄水洞連接通道剖面圖