林華明 王兆林 陳求勝 游桂林 俞愛月

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的不斷進(jìn)步，城市化發(fā)展對隧道工程及鐵路工程的要求越來越高，新建隧道對既有地鐵隧道安全運營的影響也備受關(guān)注［1］。其中表現(xiàn)最為明顯的是對既有隧道位移場的影響，因此研究新建隧道明挖段施工對既有鐵路路塹的變形影響非常有必要。

國內(nèi)外學(xué)者通過有限元分析、計算模型、室內(nèi)試驗以及工程經(jīng)驗等對既有隧道的安全運營展開了大量研究。廖坤陽等［2］通過有限元分析法，研究了是否回填以及地表荷載的差異對新建隧道邊坡以及道路變形的影響，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗證；鐘彥之［3］以新建隧道下穿鐵路隧道施工為依據(jù)，建立了三維數(shù)值仿真模型，通過分析既有隧道結(jié)構(gòu)受力以及變形，提出合理的施工工法；張浩［4］通過有限元分析法，模擬了既有隧道近距離上跨既有隧道施工的結(jié)構(gòu)受力及變形狀態(tài)，分析了施工對既有隧道的安全影響；范德全［5］基于新建隧道上跨爆破振動，研究了新建隧道施工對既有隧道的安全影響，并提出了相應(yīng)的解決方案；王希寶等［6］介紹了新建高速公路隧道上跨既有引水隧道安全評估方法及解決方法，提出了增加臺階步數(shù)以及短進(jìn)尺的措施。

大量研究表明，新建隧道對既有隧道的影響與解決方案目前仍備受關(guān)注，因此本研究依托于二維平面應(yīng)變有限元分析方法，針對新建隧道明挖法與暗挖法施工探討新建隧道對既有鐵路路塹的影響，分析結(jié)果可為類似工程提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值仿真模型建立

某新建隧道為單線隧道，起止樁號為DK0+995～DK1+885，新建隧道施工對巖土體卸載以及爆破施工的影響，可能造成既有隧道結(jié)構(gòu)位移過大及圍巖應(yīng)力過高使得隧道產(chǎn)生開裂。為研究新建隧道施工引起鐵路路塹變形情況，本研究選取DK1+300明挖處及DK1+440暗挖處作為研究對象。計算斷面相對位置關(guān)系如表1所示。

表1 計算斷面關(guān)系

1.1 數(shù)值仿真模型

如圖1所示，計算模型的長×寬為150 m×60 m，在該區(qū)通過模擬明挖法1∶0.75放坡開挖分析整個施工期間對鐵路路塹的影響。計算模型兩側(cè)限制水平位移，底部限制豎向位移，頂部為自由面，模擬不考慮開挖邊坡的穩(wěn)定。新建隧道襯砌及既有鐵路路塹采用線彈性梁單元，巖土體采用平面應(yīng)變，本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫準(zhǔn)則。

圖1 數(shù)值仿真模型網(wǎng)格劃分

1.2 計算參數(shù)

某新建隧道相關(guān)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)具體如下。①DK1+300斷面明挖處：放坡開挖采用10 cm厚網(wǎng)噴C25混凝土和直徑22 mm、長度4 m錨桿進(jìn)行坡面防護；永豐村隧道襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度50 cm。②DK1+440斷面暗洞開挖處：永豐村隧道初期支護采用C25噴射混凝土，厚度25 cm，臨時仰拱采用厚度20 cm的C25素混凝土，初支錨桿直徑為22 mm，長3.5 m，彈性模量210 GPa，重度78.5 kN/m3，二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度50 cm。巖土計算參數(shù)如表2所示。

表2 巖土計算參數(shù)

2 數(shù)值仿真模型計算結(jié)果分析

2.1 既有鐵路路塹位移分析點選取

提取DK1+300及DK1+400斷面土體位移分析點如圖2所示。

2.2 DK1+300既有鐵路路塹位移分析

提取DK1+300斷面土體變化曲線如圖3所示，其中A1～F2分別表示圖2（a）中從左向右6個節(jié)點，施工步序1、2、3分別表示新建隧道地層開挖和邊坡支護、隧道襯砌及覆土回填、永久坡面加固3個施工步序。

圖2 DK1+300及DK1+440斷面土體位移分析點

由圖3（a）可知，DK1+300斷面地層開挖和邊坡支護過程中，由于開挖時對邊坡周邊土體產(chǎn)生的擠壓現(xiàn)象，使得周邊邊坡土體出現(xiàn)隆起，最大的隆起值達(dá)到11.1 mm；在隧道襯砌施作及覆土回填過程中，由于重力場的強度提高，使得邊坡周邊土體發(fā)生較大的沉降現(xiàn)象，與隆起值為0的點比較可以發(fā)現(xiàn)，最大沉降差達(dá)到-17.1 mm；在永久坡面加固的施作過程中，土體基本趨于穩(wěn)定。

由圖3（b）可知，DK1+300斷面地層開挖和邊坡支護過程中，周邊邊坡土體出現(xiàn)開挖面向外側(cè)產(chǎn)生擠壓力，即產(chǎn)生左側(cè)向左的擠壓力、右側(cè)向右的擠壓力，最大的水平位移值達(dá)到11.1 mm；在隧道襯砌施作及覆土回填過程中，由于荷載是從下部往上部逐漸增加，產(chǎn)生邊坡周邊土體向內(nèi)側(cè)回縮的現(xiàn)象，且下部的回縮量小于上部的回縮量，與隆起值為0點比較可以發(fā)現(xiàn)，最大水平位移差達(dá)到-13.5 mm，且出現(xiàn)在邊坡右側(cè)上部位置；在永久坡面加固的施作過程中，土體基本趨于穩(wěn)定。

圖3 DK1+300斷面新建隧道施工位移變化圖

綜上所述，在整個DK1+300斷面施工全過程中，既有鐵路路塹的最大沉降為-0.2 mm，水平位移最大值為0.3 mm。既有鐵路路塹變形最大的施工階段為明挖法放坡開挖階段，該施工階段需要將新建隧道明挖段上部土體挖出，對地層有著較大的擾動。主要原因是在施工場地內(nèi)的土體未被開挖前，整個施工區(qū)域在初始地應(yīng)力的作用下處于某種穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)放坡開挖打破了初始場地穩(wěn)定狀態(tài)，此時土體開挖區(qū)域外土體塑性區(qū)增大，土體表現(xiàn)出較強的流動性，會發(fā)生向坑內(nèi)位移的現(xiàn)象，圍護樁體受到坑外主動土壓力的作用，產(chǎn)生向土體開挖區(qū)域內(nèi)部傾斜的趨勢，從而導(dǎo)致坑外土體沉降的現(xiàn)象產(chǎn)生，而距離實際開挖面越近，這種趨勢也會越明顯。筆者研究的斷面采用明挖法施工，且存在1∶1的放坡開挖，安全系數(shù)較高，開挖深度較淺，圍護樁和土體的變形均在毫米量級以內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全度較高。

2.3 DK1+440既有鐵路路塹位移分析

提取DK1+440斷面土體位移變化曲線如圖4所示，其中A3～H4分別表示圖2（b）中從左向右8個節(jié)點，施工步序1、2、3分別表示新建隧道上臺階開挖、下臺階開挖、施作二襯3個施工步序。

由圖4（a）可知，DK1+440斷面上臺階開挖過程中，由于土體受到施工擾動發(fā)生應(yīng)力重分布的現(xiàn)象，上部土體發(fā)生沉降，最大的沉降差達(dá)到-10.7 mm，隧道具有一定的自穩(wěn)能力，從鄰近既有鐵路路塹的沉降值可以看出，沉降不明顯；隨著新建隧道支護結(jié)構(gòu)施作以及此時巖體已趨于穩(wěn)定，豎直向變形增加較小。

由圖4（b）可知，DK1+440斷面上臺階開挖過程中，周邊土體受到擠壓作用，并隨著邊坡效應(yīng)，位移出現(xiàn)向右移動的趨勢，距離新建隧道越遠(yuǎn)，移動趨勢越小，最大的水平位移差達(dá)到6.1 mm；隨著隧道支護結(jié)構(gòu)施作以及圍巖穩(wěn)定，水平方向位移增加基本趨于穩(wěn)定。

圖4 DK1+440斷面新建隧道施工位移變化圖

綜上所述，DK1+440斷面既有鐵路路塹變形最大的施工階段為施作二襯階段，該施工階段將在初支完成后進(jìn)行二次襯砌支護，地層的壓力使初支承受較大壓力發(fā)生變形，對地層有著較大的擾動。分析原因是在施工場地內(nèi)的土體未被開挖前，整個施工區(qū)域在初始地應(yīng)力的作用下處于某種穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)隧道臺階法開挖打破了初始場地穩(wěn)定狀態(tài)，此時土體開挖區(qū)域外土體塑性區(qū)增大，土體表現(xiàn)出較強的流動性。既有鐵路路基的變形均在毫米量級，變形較小，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較高。

3 結(jié)論

本研究通過二維應(yīng)變數(shù)值仿真模型對新建隧道施工引起的既有鐵路路塹變形展開研究，針對新建隧道明挖法與暗挖法施工探討新建隧道對既有鐵路路塹的影響，得到以下結(jié)論。

①根據(jù)不同的施工工序，DK1+300斷面最大沉降差達(dá)到-17.1 mm，水平位移差達(dá)到11.1 mm，且出現(xiàn)在新建隧道地層開挖和邊坡支護這一工序當(dāng)中；DK1+440斷面最大沉降差達(dá)到-10.7 mm，水平位移差達(dá)到6.1 mm，且出現(xiàn)在新建隧道上臺階開挖這一工序。研究發(fā)現(xiàn)，隧道初期開挖使得巖土體原應(yīng)力重分布，開挖后快速趨于穩(wěn)定，因此需要特別關(guān)注隧道初期開挖時巖土體的穩(wěn)定性。

②DK1+300斷面明挖段施工全過程中，既有鐵路路塹的最大沉降值為-0.2 mm，最大水平位移值為0.3 mm，變形基本趨于穩(wěn)定；DK1+440斷面暗挖法施工全過程中，既有鐵路路塹變形最大的施工階段為施作二襯階段，最大隆起值為0.7 mm，最大水平位移值為1.4 mm，隧道開挖過程使得土體開挖區(qū)域外土體塑性區(qū)增大，土體表現(xiàn)出較強的流動性。

③就筆者研究的既有鐵路路塹變形而言，新建隧道與既有鐵路路塹步距較大，既有鐵路路塹所產(chǎn)生的變形量較小，變形區(qū)域處于安全范圍。該研究結(jié)果可為類似工程提供參考依據(jù)。