汪琳 李永奎 徐海濤

某新建鐵路上跨既有飲水隧道，兩者最短垂直距離為9.2 m，為評估新建鐵路施工階段與運(yùn)營階段對飲水隧道的影響，基于有限元軟件建立等比例模型，從應(yīng)力和位移2方面進(jìn)行全面評估。數(shù)值模擬結(jié)果表明：由新建鐵路施工與運(yùn)營，導(dǎo)致飲水隧道的位移增量值不超過1 mm，豎向最大應(yīng)力增量變化幅度為1.82%，基本可忽略不計(jì)。

新建鐵路； 飲水隧道； 位移增量； 應(yīng)力增量； 評估

U452.2+6 A

［定稿日期］2022-05-25

［作者簡介］汪琳（1989—），男，本科，工程師，主要從事鐵路路基及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)工作；李永奎（1992—），男，碩士，工程師，主要從事鐵路和公路路基設(shè)計(jì)工作。

近年來，隨著交通建設(shè)的不斷深入，從過去對空間簡單使用，轉(zhuǎn)變至現(xiàn)在的多層次多方位復(fù)雜利用，新建鐵路、公路上跨或下穿既有基礎(chǔ)設(shè)施的概率逐漸增大，因此評估分析新建工程對既有建筑物正常使用的影響，具有較大的工程實(shí)踐價值。

目前，國內(nèi)外研究新建工程對既有建筑物的文獻(xiàn)較多，研究對象多為新建隧道對既有鐵路、既有公路和既有隧道的影響。趙東平等［1］ 、袁溢［2］、鄭俊杰等［3］、王明年等［4］基于FLAC3D對新建隧道上穿既有隧道的施工方式進(jìn)行了研究，給出了爆破施工的安全控制范圍；王小林等［5］利用MIDAS GTX有限元軟件，以隧道半斷面深孔注漿半徑為控制變量，分析了新建地鐵隧道對上部既有鐵路路基的沉降變形影響；郭宏博［6］對上下交叉隧道施工進(jìn)行分析，得出施工引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律；周斌等［7］利用ANASYS有限元，分析了新建公路隧道施工對既有鐵路隧道內(nèi)力的影響，得出既有隧道結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求；Kimura等［8］基于離心機(jī)模型試驗(yàn)，研究了倫敦地鐵施工導(dǎo)致地表沉降的規(guī)律；劉洪洲等［9］利用三維數(shù)值模擬，分析了地鐵盾構(gòu)施工對地表沉降的影響。

綜上所述，基于有限元軟件，分析新建鐵路對既有建筑物的影響是常用方式。但目前研究新建鐵路對下部既有飲水隧道的影響報道較少。不同工程實(shí)例的地質(zhì)情況、支護(hù)措施以及隧道尺寸等都存在差異，針對實(shí)際工程有必要進(jìn)行單獨(dú)分析。本文以某新建鐵路項(xiàng)目為依托，考慮施工階段和運(yùn)營階段對下部飲水隧道內(nèi)力和變形的影響，研究成果為評估既有設(shè)計(jì)的合理性提供參考價值。

1 工程概況

受鐵路線位的控制，某新建鐵路需上跨外徑為6.6 m的既有馬蹄形飲水隧道，襯砌為0.6 m厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鐵路路肩與飲水隧洞頂部之間為微風(fēng)化巖層，巖體厚度約為19 m。受地形的限制，該區(qū)段鐵路需開挖既有邊坡坡腳以實(shí)現(xiàn)收坡處理，經(jīng)計(jì)算最后采用樁板墻支護(hù)形式。為了減小鐵路施工對飲水隧道產(chǎn)生破壞，擬采用人工水磨鉆施工錨固樁，因此在建模中不需考慮機(jī)械荷載。

交叉段地層為三疊系上統(tǒng)文賓山組上段（T3wb）泥質(zhì)砂巖、炭質(zhì)砂巖夾煤?；疑?、灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄—中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化層W3厚約6～12 m，屬Ⅳ級軟石；碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化W3呈碎塊狀，巖質(zhì)較軟，屬Ⅳ級軟石；弱風(fēng)化層W2巖質(zhì)較軟，屬Ⅳ級軟石。

2 有限元模型

為消除模型邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，采用鄭穎人建議的邊界范圍：左端邊界為1.5H，坡頂至右端邊界2.5H，上下邊界總高不低于2H。選取模型寬度為77.7 m、長度80.0 m、總高度75.5 m，其中飲水隧道拱底至模型底部的高度為20.0 m。約束情況：前后、左右平面受水平約束，底平面受豎向約束，上平面受施加初始引起的應(yīng)力邊界約束。共劃分310 622個單元，計(jì)算中，抗滑樁、擋土板和隧道襯砌采用彈性實(shí)體單元模擬，地層采用彈塑性實(shí)體單元模擬。建模信息如圖1所示。

2.1 物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)已有地質(zhì)勘查報告，并參考《工程地質(zhì)手冊》，給出數(shù)值模擬范圍內(nèi)土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

2.2 計(jì)算過程

整個數(shù)值模擬共有3個步驟： ①施加邊界約束與初始應(yīng)力，計(jì)算模型的初始應(yīng)力場；②施工模型范圍內(nèi)抗滑樁和擋土板，開挖樁前巖土體露出設(shè)計(jì)線，模擬施工開挖對飲水隧道內(nèi)力和位移的影響。③鐵路施工完成后，參考TB 10001-2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，添加列車靜荷載，模擬鐵路運(yùn)營對引水隧道內(nèi)力與位移的變化。

3 計(jì)算結(jié)果分析

評估既有飲水隧道的安全性，關(guān)注點(diǎn)在于新建鐵路施工和運(yùn)營階段，對其內(nèi)力和位移產(chǎn)生的影響。為便于后續(xù)描述，將修建鐵路支護(hù)和開挖過程簡稱為開挖階段，添加列車荷載簡稱為加載階段。將初始應(yīng)力下既有飲水隧道的內(nèi)力值和位移值，與開挖階段和加載階段的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以評估出新建鐵路對既有飲水隧道產(chǎn)生的影響。為定量分析模擬結(jié)果，選取垂直于飲水隧道并通過抗滑樁中部的平面作為研究分析斷面。

3.1 位移結(jié)果分析

3.1.1 豎向位移

圖2是3個階段下隧道襯砌的豎向位移云圖。圖2（a）是模擬的初始應(yīng)力場，通過圖2（a）可知，飲水隧道的最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂中部區(qū)域，值為0.61 mm，豎向位移從拱頂中部區(qū)域逐漸向拱底中部區(qū)域減小，最小豎向位移值為0.24 mm，初始應(yīng)力場下隧道整體豎向位移值不大，分析是因?yàn)轱嬎淼琅c新建鐵路之間存在約19 m厚的微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，能夠較好地形成應(yīng)力拱，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力重分布。圖2（b）是模擬的開挖階段，通過圖2（b）發(fā)現(xiàn)，開挖階段的豎向位移整體有向上隆起的趨勢，符合應(yīng)力釋放現(xiàn)象，與兩側(cè)拱腰成-45°夾角區(qū)域的位移回彈量最大，為1.41×10-3 mm。圖2（c）是模擬的加載階段，添加鐵路影響范圍內(nèi)的豎向面荷載67.8 kPa，產(chǎn)生附加位移最大值為0.04 mm，加載階段的位移變化趨勢與原始階段基本一致。圖3是3個階段下，模型切片范圍內(nèi)整體豎向位移云圖，從圖3（a）與圖3（b）可以看出引水隧道中部沿線范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯突變，表明出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；從圖3（c）可發(fā)現(xiàn)，在附加應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的附加豎向位移呈層狀分布，并在飲水隧道附近出現(xiàn)小范圍位移突變。

3.1.2 水平位移

圖4是3個階段的隧道襯砌水平位移云圖，將圖2（a）與圖4（a）對比分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)最大位移的區(qū)域存在顯著差異，水平最大位移出現(xiàn)在與拱腰成-45°夾角的襯砌外側(cè)，水平位移沿飲水隧道中線對稱分布，最大水平位移為8.47×10-2 mm。從圖4（b）與圖（c）發(fā)現(xiàn)在開挖階段與加載階段，附加最大水平位移出現(xiàn)區(qū)域與豎向基本相同，均位于拱頂。

通過圖2與圖4中3個階段的橫向?qū)Ρ确治?，發(fā)現(xiàn)開挖階段與加載階段對隧道襯砌水平位移和豎向位移的影響均可忽略不計(jì)，位移最大變化量小于1 mm。

3.2 內(nèi)力分析

3.2.1 豎向應(yīng)力

圖5是3個階段的豎向應(yīng)力云圖。通過圖5（a）可發(fā)現(xiàn)，最大豎向應(yīng)力位于兩側(cè)拱腰處，最大值是1.10 MPa，應(yīng)力從拱腰向拱底與拱頂中部區(qū)域逐漸減小至18.10 kPa。對圖5（b）分析發(fā)現(xiàn)，因邊坡開挖導(dǎo)致飲水隧道應(yīng)力出現(xiàn)了小范圍的重分布，拱腰最大應(yīng)力出現(xiàn)小范圍增加，而拱頂與拱底中部區(qū)域的最小應(yīng)力減小至18.00 kPa，變化幅度為0.56%；對圖5（c）分析發(fā)現(xiàn)，在施加附加應(yīng)力下，豎向應(yīng)力整體出現(xiàn)增大趨勢，與初始應(yīng)力場相比，拱腰區(qū)域最大應(yīng)力增加到1.12 MPa，變化幅度為1.82%，拱頂與拱底中部區(qū)域的最小應(yīng)力增加到18.11 kPa，變化幅度為0.06%。從應(yīng)力變化幅度可以看出，鐵路施工階段與加載階段對飲水涵洞豎向內(nèi)力的影響不大，不會造成飲水隧道應(yīng)力增量過大而出現(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象。

3.2.2 水平應(yīng)力

圖6是3個階段的水平應(yīng)力云圖。圖6（a）是初始應(yīng)力下的水平應(yīng)力場，最大水平應(yīng)力與豎向最大應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域基本一致，位于兩側(cè)拱腰處，最大水平應(yīng)力為0.22 MPa，水平最大應(yīng)力值約為豎向壓應(yīng)力最大值的1/5；圖6（b）開挖階段水平應(yīng)力整體出現(xiàn)減小現(xiàn)象，最大水平應(yīng)力變化幅度為0.4%。圖6（c）為加載階段，與初始最大應(yīng)力相比，拱腰中部區(qū)域外側(cè)最大水平應(yīng)力基本不變。表明開挖階段和加載階段對隧道襯砌水平應(yīng)力基本無影響。

4 監(jiān)測方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，最大水平應(yīng)力與最大豎向應(yīng)力均位于隧道兩側(cè)拱腰中部區(qū)域，因此通過埋入測力計(jì)對飲水隧道拱腰中部進(jìn)行收斂監(jiān)測；位移變化最大值出現(xiàn)在拱頂中部，通過埋入位移計(jì)，對隧道拱頂中部的位移進(jìn)行監(jiān)測，以控制分析飲水隧道的沉降變化量。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖7所示。

5 結(jié)論

（1）位移結(jié)果表明，開挖階段和加載階段，對既有飲水隧道襯砌位移影響較小，水平位移與豎向位移新增量值均小于1 mm。

（2）應(yīng)力結(jié)果顯示，新建鐵路在開挖階段和加載階段，對既有飲水隧道襯砌豎向應(yīng)力和水平的影響較小，最大水平應(yīng)力約是最大豎向應(yīng)力的1/5。

綜上，新建鐵路在非爆施工與正常運(yùn)營階段，對既有隧道內(nèi)力和位移影響基本可以忽略不計(jì)，不會影響既有飲水隧道的正常使用。評估的準(zhǔn)確性還需通過后續(xù)觀測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

［1］ 趙東平，王明年. 小凈距交叉隧道爆破振動響應(yīng)研究［J］. 巖土工程學(xué)報，2007，29（1）： 116-119.

［2］ 袁溢. 新建鐵路隧道下穿既有運(yùn)營隧道的設(shè)計(jì)與施工［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58（6）：98-101.

［3］ 鄭俊杰，包德勇，龔彥峰，等. 鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技術(shù)研究［J］. 鐵道工程學(xué)報，2006（8）：80-84.

［4］ 王明年， 潘曉馬，張成滿，等. 鄰近隧道爆破振動響應(yīng)研究［J］. 巖土力學(xué)， 2004，25（3）： 412-414.

［5］ 王小林，李冀偉，劉硯鵬，等.新建隧道下穿施工對既有鐵路的影響研究［J］ .路基工程，2012（6）：106-109.

［6］ 郭宏博.上下交叉隧道近接施工影響分區(qū)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2008.

［7］ 周斌，林承華，龔倫.高速公路隧道施工對既有鐵路隧道的影響分析［J］.山西建筑，2012，38（28）：171-173.

［8］ T.Kimura， R.T.Mair. Centrifugal Testing of Model Tunnels in Soft Clay ［A］.Pros.of 10th Int.Conf.Soil Mechanics & Foundation Engineering Stockholm， Balkema， 1981， 2（1）： 183-186.

［9］ 劉洪洲，張鈞.軟土隧道盾構(gòu)推進(jìn)中地面沉降影響因素的數(shù)值法研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001，38（6）：24-28.