林海洋 袁鄭棋

摘 要：以工程實(shí)際為例，應(yīng)用MIDAS-GTS軟件進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，分析了新建公路邊坡開挖對既有鐵路隧道位移、襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，得出路基邊坡開挖對一定距離范圍外既有隧道的影響結(jié)論，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：邊坡開挖;既有隧道;數(shù)值模擬;變形;內(nèi)力

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，公路、鐵路的建設(shè)不斷增多，由于地形地質(zhì)的影響，較好的路線走廊帶也越來越少，多條路線共用同一條走廊帶的情況不斷出現(xiàn)。在實(shí)際工程實(shí)施過程中，經(jīng)常會(huì)遇到新建公路臨近原有鐵路隧道的情況，這些新舊工程之間的距離較小，新公路的修建必定會(huì)對既有隧道產(chǎn)生不利影響，所以在新建項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段，就要結(jié)合路線方案充分考慮施工期及運(yùn)營期對既有隧道的影響，確保新建公路和既有隧道的結(jié)構(gòu)安全，因此分析既有鐵路隧道在臨近新建公路邊坡開挖后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移是必要的，本文依托溫州水門路項(xiàng)目，從靜力學(xué)角度研究了公路邊坡開挖對既有鐵路隧道的影響。

1 工程實(shí)例

溫州水門路項(xiàng)目采用《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度24.5 m，分離式路基單幅寬度12.25 m。

既有樂清灣鐵路新村隧道采用曲墻復(fù)合式襯砌，Ⅱ級圍巖及Ⅲ級圍巖一般段隧道采用曲墻加底板的襯砌結(jié)構(gòu)形式，Ⅲ級圍巖地下水發(fā)育段采用曲墻帶仰拱的襯砌結(jié)構(gòu)形式，Ⅳ～Ⅴ級圍巖采用曲墻帶仰拱的襯砌結(jié)構(gòu)形式。洞口段、淺埋偏壓、斷層破碎帶、巖性接觸帶、節(jié)理密集帶等地段進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

新建水門路右線路塹邊坡與新村隧道水平距離最近，相距48 m。

2 有限元分析

2.1 模型建立

新建公路邊坡與既有隧道位置關(guān)系呈現(xiàn)一定的空間關(guān)系，現(xiàn)利用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元數(shù)值模型。既有鐵路隧道外徑約為7.76 m，考慮到隧道的影響范圍一般為3～5倍洞徑，在既有鐵路隧道中心線左側(cè)取30 m，新建公路中線右側(cè)取35 m，橫向共選取120 m;縱向從新建公路右線里程YK0+650到Y(jié)K0+710，共60 m;下限取既有隧道仰拱以下30 m，上限為山體表面。既有隧道襯砌及其與新建公路邊坡相對位置關(guān)系如圖1所示。

2.2 基本參數(shù)的選取

綜合巖土工程勘察以及相關(guān)的規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊，確定在有限元分析中所采用的物理力學(xué)參數(shù)如表1-1所示。

2.3 既有隧道變形及內(nèi)力限值

目前，關(guān)于襯砌變形的控制標(biāo)準(zhǔn)尚未有明確的規(guī)定，參考北京、浙江等地軌道交通工程建設(shè)監(jiān)控量測的實(shí)踐，并結(jié)合大量的接近工程經(jīng)驗(yàn)，在不同重要性等級下，既有線隧道結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)參考值如表1-2所示。

樂清灣鐵路支線主要承擔(dān)樂清灣港區(qū)貨物運(yùn)輸服務(wù)，是樂清灣港區(qū)聯(lián)系并輻射內(nèi)地的后方通道，也是現(xiàn)有金溫鐵路的出海通道，一旦發(fā)生事故將會(huì)造成嚴(yán)重的影響。考慮到該隧道目前尚未運(yùn)營通車，在設(shè)計(jì)中按照重要性等級為Ⅱ級來進(jìn)行襯砌變形控制。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 新建公路邊坡開挖對既有隧道的變形影響分析

在新建公路邊坡開挖作用下，巖體及既有隧道襯砌三個(gè)方面的變形云圖如圖2-1所示。圖中的正位移表示變形方向與坐標(biāo)軸一致，負(fù)位移表示與坐標(biāo)軸相反。

由圖2-1可以看到，在公路邊坡開挖施工過程中，既有隧道的主要產(chǎn)生沿著開挖面方向（T1方向）的水平變形以及豎向的變形（T3方向）為主，而沿著隧道縱向的變形基本比上述兩方向小1～2個(gè)數(shù)量級，基本可以忽略不計(jì)。

在邊坡開挖作用下，既有鐵路隧道全斷面均產(chǎn)生沿著開挖面方向的變形，迎開挖面一側(cè)變形比背開挖側(cè)大，最大值約為2.3 mm，不超過4 mm的水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

由于邊坡坡腳高程低于既有隧道底約8 m，因此邊坡的開挖也導(dǎo)致了既有隧道發(fā)生了一定程度的沉降。不過由于距離較遠(yuǎn)，約48 m，既有隧道基本位于沉降槽外，最大沉降值約為0.36 mm，遠(yuǎn)低于10 mm的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 新建公路邊坡開挖對既有隧道的內(nèi)力影響分析

在新建公路邊坡開挖作用下，既有隧道襯砌的軸力及彎矩分布如圖2-2和圖2-3所示。

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2016），當(dāng)時(shí)，混凝土矩形截面中心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

當(dāng)時(shí)，從抗裂要求出發(fā)，混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中，—混凝土極限抗壓強(qiáng)度;—混凝土極限抗拉強(qiáng)度;—安全系數(shù);——軸向力（MN）;—截面的寬度（m）;—截面的厚度（m）;—構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，對于隧道襯砌可取;—軸向力的偏心影響系數(shù)，—截面偏心距（m）。

以下選取兩個(gè)典型斷面（公路右線YK0+686，以下稱斷面一以及YK0+696斷面，以下稱斷面二），對既有隧道襯砌拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右墻腳以及仰拱處的襯砌結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)處受力，并計(jì)算安全系數(shù)檢算，分別如表2-1和表2-2所示。

以上檢算結(jié)果顯示，既有隧道兩個(gè)斷面各特征點(diǎn)處的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，這說明新建公路邊坡的開挖沒有改變既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，不會(huì)危及既有隧道的結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

在公路邊坡開挖施工過程中，既有隧道的主要產(chǎn)生沿著開挖面方向（T1方向）的水平變形以及豎向的變形（T3方向）為主，而沿著隧道縱向的變形基本比上述兩方向小1～2個(gè)數(shù)量級，基本可以忽略不計(jì)。

在邊坡開挖作用下，既有鐵路隧道全斷面均產(chǎn)生沿著開挖面方向的變形，迎開挖面一側(cè)變形比背開挖側(cè)大，在相距約48 m情況下，既有隧道變形最大值約為2.3 mm，不超過4 mm的水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

開挖邊皮高程低于既有隧道高程時(shí)，邊坡的開挖也導(dǎo)致了既有隧道發(fā)生了一定程度的沉降。在高差約8 m、水平距離48 m情況下，既有隧道基本位于沉降槽外，最大沉降值約為0.36 mm，遠(yuǎn)低于10 mm的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

在相距約48 m情況下，既有隧道各特征點(diǎn)處的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，這說明新建公路邊坡的開挖沒有改變既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，不會(huì)危及既有隧道的結(jié)構(gòu)安全。

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