章偉華 王英學(xué) 張子為 趙萬強(qiáng)

【摘要】文章以向家壩灌區(qū)北總干渠工程為依托，采用有限元方法建立3個數(shù)值計算模型，分析研究輸水涵洞上跨鐵路隧道施工對鐵路隧道的影響，重點研究輸水管水壓對鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。研究結(jié)果表明：水壓作用下，相較于無加固措施，長樁加固能改善襯砌結(jié)構(gòu)軸力的受力條件，短樁加固則對襯砌結(jié)構(gòu)彎矩有較好的改善，綜合考慮安全性、適用性，選取短樁加固為最優(yōu)方案。

【關(guān)鍵詞】輸水隧洞; 隧道施工; 數(shù)值模擬; 上跨; 襯砌內(nèi)力

【中國分類號】U449.52【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

隧道近接既有建筑物施工時，會對既有建筑物周圍的土體產(chǎn)生較大的擾動，破壞土體的穩(wěn)定性，使既有建筑物產(chǎn)生沉降，當(dāng)沉降量達(dá)到一定值時，是較大的安全隱患，對人民的生命財產(chǎn)安全造成威脅。為使隧道近接施工時對既有建筑物造成的擾動影響盡可能減小，需要采取相應(yīng)的加固措施。目前國內(nèi)外學(xué)者對近接工程的加固措施已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究：

張文[1]等對盾構(gòu)隧道近接既有管線施工進(jìn)行分析，通過多方案比較，提出在廢棄管線內(nèi)填混凝土，同時在管線外側(cè)加套鋼筒，并對管線周圍的地層注漿加固的最優(yōu)方案。邵國霞[2]等基于三角模糊數(shù)并結(jié)合TOPSIS法構(gòu)建了一種新的既有高鐵近接地基加固方案優(yōu)選模型。路云[3]等在廣州地鐵西村站建設(shè)的地鐵隧道接近樁基施工中提出在既有基礎(chǔ)處加設(shè)鉆孔灌注樁或挖孔樁，使新增樁基與既有樁基共同承載，減小既有樁基沉降的加固方案。翁振華[4]采用雙機(jī)接力吊裝的方法，完成軟弱地基條件下盾構(gòu)拆卸吊裝施工，解決了近接深基坑進(jìn)行盾構(gòu)吊裝的地基加固難題。夏國政[5]等對隧道注漿加固模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了行之有效的注漿范圍和注漿參數(shù)。鄧海峰[6]對隧道近接水庫段地表施工進(jìn)行分析，提出分段漸進(jìn)帷幕注漿技術(shù)，對地表加固取得了明顯的效果。高玄濤[7]分析研究地鐵深基坑開挖全過程對臨近建筑物的影響，重點研究基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對基坑自身及鄰近建筑物變形的影響，并提出了可行的內(nèi)支撐方案。

從目前的研究資料來看，新建隧道近接其他建筑物的加固措施的優(yōu)選方案較多。但專門研究在輸水隧洞上跨既有鐵路隧道施工時，可以減小輸水管水壓對下部隧道結(jié)構(gòu)的影響的加固措施的文獻(xiàn)很少，因此需要進(jìn)一步的研究。

1 工程概況

向家壩灌區(qū)北總干渠工程與成貴鐵路90 °立交，交點位于成貴鐵路手爬巖隧道D2K129+500處，即北總干渠工程望江巖隧洞北總干20+182.504。成貴鐵路手爬巖隧道軌面至向家壩灌區(qū)北總干渠望江巖隧洞底板高差為14.904 m，上覆隧道至下伏隧道拱頂最小距離僅5 m左右（圖1）。

2 地質(zhì)概況

2.1 工程地質(zhì)

線路在紅層中通過，以白堊系（K）、侏羅系（J）砂泥巖為主。白堊系上統(tǒng)高坎壩組（K2gk）、白堊系下統(tǒng)窩頭山組（K1w）、侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）、侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3s）為含石膏底層。構(gòu)造以南北向弧形褶皺為主，主要不良地質(zhì)有：有毒有害氣體、順層、危巖落石、隧道淺埋，局部地段有軟土分部。

2.2 水文地質(zhì)

本標(biāo)段地表水以河流為主，地下水以第四系松散砂卵礫石層為主，含水量豐富，可溶巖中的巖溶水及砂泥巖中的基巖裂隙水次之，其中巖溶水較為豐富，暗河、巖溶泉十分發(fā)育。大部分地表水對混凝土無侵蝕性，部分地段地表水及含煤層、石膏、巖鹽及鐵礦等地層中的地下水一般具有侵蝕性。對砼具弱～強(qiáng)硫酸型酸性侵蝕及弱～中等溶出性侵蝕，按鐵建設(shè)[2005]157號《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》，其侵蝕等級為H2。

3 建立模型及工況

依據(jù)地質(zhì)資料，將地層參數(shù)可分為兩層，淺表地層及深表地層。支護(hù)參數(shù)分為初期支護(hù)、二次襯砌及工程加固措施。初支采用C20混凝土，二次及工程加固措施采用C40混凝土。選取的地層參數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)及加固設(shè)施的工程材料如表1所示。

本項目采用FLAC3D軟件進(jìn)行施工過程的模擬分析，根據(jù)上述材料參數(shù)表建立模型，輸水涵洞上跨鐵路隧道模型基本尺寸為60 m×35 m×45 m（方向x、y、z），兩隧道凈距為5 m，隧道交叉角度為90 °，地層土體采用各向同性模型，屈服破壞遵循摩爾-庫侖準(zhǔn)則，初期支護(hù)采用實體單元模擬，二次襯砌采用Shell單元模擬。整體有限元模型和新建輸水隧洞與既有鐵路隧道的空間相對位置如圖2所示。

4 數(shù)值計算結(jié)果

4.1 加固措施施工引起下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力

對下伏隧道的襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂、拱腰、拱腳處設(shè)置監(jiān)測點，待上覆輸水隧洞分部開挖完成后，分別計算三種工況的加固措施所引起的下伏隧道的內(nèi)力，并選取最不利截面切片，根據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)畫彎矩圖、軸力圖和內(nèi)力曲線圖（圖4、圖5）。

由以上三種工況下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖和監(jiān)測點內(nèi)力曲線圖，可以看出不同加固措施的施作對下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力會造成不同程度的影響。長樁加固工況與無加固措施彎矩軸力分布規(guī)律類似，拱頂附近彎矩和軸力極值稍大。短樁加固工況對拱腰以上結(jié)構(gòu)影響較大，會出現(xiàn)正負(fù)彎矩交替變化的現(xiàn)象，這是由于短樁施作深度只達(dá)到襯砌結(jié)構(gòu)的上拱腰位置，對這部分結(jié)構(gòu)會有較強(qiáng)的約束作用，并使隧道周圍的小部分土體受擠壓作用而應(yīng)力重分布，使隧道的襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布情況發(fā)生較大的改變。

4.2 水壓引起下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力

對上覆隧道進(jìn)行模擬灌水，水量為滿灌，為簡化模型運(yùn)算量，將水壓等效為均布荷載施加在上覆隧道的底板上，再次計算下伏隧道的內(nèi)力，并選取最不利截面切片，根據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)畫彎矩圖、軸力圖、內(nèi)力曲線圖及水壓引起的內(nèi)力變化曲線圖（圖6～圖8）。

在加入水壓后，長樁加固工況與無加固措施彎矩軸力分布規(guī)律類似，彎矩分布無明顯變化，極值略大于無加固措施，但減小了負(fù)軸力分布區(qū)。短樁加固工況依然對拱腰以上結(jié)構(gòu)影響明顯，在短樁底部高度處，正彎矩達(dá)到極值6.0 kN·m，之后開始減小，這在一定程度上體現(xiàn)出了圣維南原理，負(fù)軸力增加明顯。

5 結(jié)論

本文采用FLAC3D三維有限元方法分析研究了上跨輸水涵洞的水壓對鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，主要結(jié)論如下：

（1）加固措施的施作對下伏隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱腰以上結(jié)構(gòu)內(nèi)力會造成影響較大，其中短樁工況下會使彎矩出現(xiàn)正負(fù)交替變化。

（2）施加水壓后，長樁、短樁加固內(nèi)力分布規(guī)律大體相同，短樁受力條件略好于長樁。

（3）為了降低上覆水壓對隧道的影響，建議采用工況III的加固方案。采用工況III的短樁加固方案比工況II的工藝簡單，樁底開挖深度小，而取得的效果與工況II較為一致，為推薦方案。

參考文獻(xiàn)

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